長毛的黑洞是什麼樣的？

第十五回 | 黑洞有毛

撰文 | 弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）

翻譯 | 胡風?梁丁當

眾所周知，質量巨大的恆星在坍縮時會形成黑洞——一個光與任何其他形式的物質都無法逃離的空間區域。科學家相信，包括我們銀河系在內，許多星系的中心都存在超大質量黑洞，其質量比我們的太陽大數百萬到數十億倍。顧名思義，黑洞是看不見的，但我們卻可以根據它對周圍物體運動的影響推測出它的存在。

多年以來，物理學家普遍認為——用「黑洞」一詞的發明者、傳奇物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）的話來說 —— 「黑洞無毛」。也就是說，任何掉進黑洞的東西都會徹底湮滅，不會在外部留下任何痕迹。如果惠勒是對的，那麼黑洞是一個很好預測的物體。它的所有性質只由三個參數決定：總質量、角動量和電荷。這種驚人的簡單性與恆星或行星形成了鮮明的對比——後者形狀繁多、大小各異，有著不同的化學成分、內部分層和大氣構成。

但惠勒的觀點在近幾年遭到了量子力學的有力挑戰。量子力學中的基本方程沿時間向前演化和向後演化的方式是一樣的，即具有時間反演對稱性。這意味著宇宙必然容納了足夠的信息來完整地重建它的過去。可如果「黑洞無毛」，過去的信息就丟失了，我們就無法準確地判斷它們是如何形成的。這樣一來，宇宙過去的狀態就不可能確定了，這不符合量子力學定律。

因此，按照量子力學，黑洞應該與形成它們的母體恆星一樣，是獨一無二的，具有豐富的特徵。一種可能的解釋是，有關黑洞歷史的證據藏在「量子毛」中。這種量子毛是黑洞發射的某種我們還尚未發現的荷，其影響比電荷更弱或更微妙。另一種解釋是斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）倡導的「軟毛」理論。該理論認為，黑洞引力場的細微改變中殘存著關於黑洞信息的零星記錄。此外還有很多種解釋，它們並不互相排斥，可能只有一兩個是對的，也可能都是對的，但沒有一種理論能說服所有人，並且到目前為止它們也都沒有任何實驗證據。無論是「量子毛」還是「軟毛」，如果它們真的存在，應該是長在黑洞的外表面。還有一種解釋認為黑洞與恆星一樣有內部構造。但若是這樣，物質就必須能夠抵禦巨大引力的無情吞噬，而這是違背愛因斯坦的廣義相對論的。黑洞也可能是個「絨毛球」，在內部充滿一種奇特的新物質，又或者有一道「火牆」，物質集中在其表面。但這些理論也一樣，在很大程度上只是猜測。

簡言之，量子理論認為黑洞是有毛的，只是無人知道毛是什麼。物理學家甚至在為「毛長在哪兒」爭論。所有邏輯上可能的解釋——外部、內部或表面——都有學術成就卓越的支持者。

目前，很多物理學家對一種形式更為實在的黑洞大氣感到興奮。這種黑洞大氣的根源是一種尚未被發現的質量很輕的粒子。當黑洞旋轉時，這些粒子被甩出，然後又被引力捕捉回來。這個過程會形成黑洞大氣層，從而改變黑洞的性質，並導致可以觀測到的效應。這種構成了黑洞大氣的粒子，可能就是某些物理理論預言的軸子，它也是宇宙暗物質的有力候選者。

近期引力波探測方面的突破有望讓我們更好地研究黑洞的性質。黑洞間的碰撞是強大的引力輻射源。通過探測碰撞發出的引力波，我們能夠深入前所未有的細節去研究黑洞。雖說這不能保證我們會發現黑洞是毛茸茸的，但前景十分誘人。

在黑洞身上，仍有很多秘密等待物理學家去揭開。在你眼裡，黑洞應該是什麼樣的？

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