今年早些时候引力波的发现被誉为对爱因斯坦广义相对论的优雅 подтверждение——但具有讽刺意味的是，这一发现可能预示着该理论在黑洞边缘失效的首个证据。物理学家分析了激光干涉引力波天文台 (LIGO) 公布的数据，并声称发现了似乎与广义相对论预测相矛盾的波“回波”1。
这些回波可能会随着更多数据的出现而消失。如果它们持续存在，这一发现将是非同寻常的。物理学家预测，爱因斯坦非常成功的理论可能会在极端情况下失效，例如在黑洞中心。这些回波将表明，相对论在黑洞边缘（远离其核心）失效的可能性甚至更高。
如果回波消失，那么广义相对论将经受住对其力量的考验——以前，物理学家尚不清楚他们是否能够检验其非标准预测。
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加州大学圣巴巴拉分校的黑洞研究员史蒂夫·吉丁斯说：“LIGO 的探测以及更多探测的可能性，为研究新的物理机制提供了令人兴奋的机会。” LIGO 团队表示，他们知道这一预测，并且正在搜索其数据以寻找回波。
超出范围？
黑洞的边缘，即所谓的事件视界，长期以来被认为超出了实验范围。根据广义相对论，任何穿过屏障的物质都将被黑洞捕获，并且没有逃脱的机会。它将被拉到黑洞的核心，黑洞的所有物质都集中在那里。加拿大滑铁卢大学的宇宙学家尼亚耶什·阿夫肖迪说：“黑洞被认为像无底洞一样。”
在标准图像中，事件视界处什么也没有留下，任何不幸穿过它的人都不会注意到环境的任何突然变化。但在 2012 年，加利福尼亚州的物理学家意识到，如果量子物理学是正确的，那么事件视界应该被火墙取代，火墙是一圈高能粒子，它会将任何穿过它的物质烧成焦炭——这与广义相对论相矛盾2。另一种选择是黑洞没有火墙，但这将意味着量子理论是错误的。
其他与广义相对论相矛盾的奇异理论也预测视界处存在某种结构；例如，一些版本的弦理论认为黑洞实际上是“绒球”：缠结在一起的能量线，其表面模糊，取代了清晰定义的事件视界3。然而，阿夫肖迪说，似乎没有任何方法可以窥视事件视界，以找出那里是否存在任何东西。
奇怪的偏差
这种情况在 2 月份发生了变化，当时 LIGO 宣布首次直接探测到引力波，即时空中的涟漪。这些波是在两个黑洞合并时产生的4。此后不久，里斯本高等技术学院的维托·卡多佐领导的物理学家团队提出，如果广义相对论存在任何奇怪的偏差——例如火墙——这些黑洞合并也会在最初的引力波爆发后释放一系列回波。
回波的出现是因为火墙或任何其他类型的结构都将在传统的事件视界处有效地创建一个模糊区域。该区域的内边缘是传统的事件视界，即任何光粒子或光子都无法逃脱的边界。外边缘更具多孔性：穿过此边界的典型光子将被黑洞捕获，但有些光子将能够逃脱，具体取决于它们的接近角度。这种效应也会部分捕获黑洞合并释放的引力波。它们将在内边缘和外边缘之间来回反弹，每次都会逸出一些。
阿夫肖迪的团队建立了一个简单的模型，其中黑洞被镜面墙壁而不是传统的事件视界包围，并将其应用于 LIGO 迄今为止捕获的三个黑洞合并中的每一个的属性。这揭示了如果黑洞的事件视界处有任何结构，重复回波之间的精确时间间隔应该是多少——大约 0.1 秒、0.2 秒和 0.3 秒。当他们查看 LIGO 数据时，他们发现所有三个合并中引力波的释放之后都紧随着在完全相同的间隔出现的回波。
改进的灵敏度
阿夫肖迪说，这些回波可能只是统计上的偶然现象，如果随机噪声是这些模式背后的原因，那么看到这种回波的几率约为 270 分之 1，即 2.9 西格玛。为了确定它们不是噪声，必须在未来的黑洞合并中发现此类回波。“好处是，灵敏度得到提高的新 LIGO 数据即将到来，因此我们应该能够在未来两年内证实或排除这一点。”
LIGO 成员、德国波茨坦马克斯·普朗克引力物理研究所的物理学家亚历山德拉·布安诺表示，LIGO 科学家正在分析回波信号。
阿夫肖迪使用的简单镜面模型过于粗糙，无法说明是火墙、绒球还是其他东西产生了回波。他说，更复杂的模型可能会通过预测回波的振幅以及它们消退的速度来区分这些替代方案。
但吉丁斯说，尽管该团队的论文提供了“令人兴奋的暗示”，表明可能偏离了广义相对论，但到目前为止，这些只是暗示。他质疑阿夫肖迪的镜面模型是否能够揭示偏离广义相对论的原因——部分原因是预测这些偏差的理论仅对取代事件视界的物质提供了模糊的描述，因此很难准确地对其进行建模。“这里的一个基本问题是我们不知道什么是火墙或绒球的良好物理描述”。
本文经许可转载，最初于 2016 年 12 月 9 日首次发表。