宇宙中的新物理學(xué)

苗千

人類觀測宇宙的手段越來越豐富，對宇宙的理解也越來越深刻。

很多在地球上的實驗室里難以實現(xiàn)的實驗，卻可以在太空中觀測到，因此可以說整個宇宙正成為人類驗證各種物理學(xué)前沿理論的新實驗室，新物理學(xué)也可能從中誕生。

如果說探測到達(dá)地球的不同能量的光子相當(dāng)于人類的視覺，那么在今年年初首次探測到的引力波，則相當(dāng)于人類的聽覺，人類第一次清晰地聽到了來自宇宙深處的聲音。引力波是時空自身產(chǎn)生的振蕩。1915年發(fā)表的廣義相對論讓人們首次認(rèn)識到引力波存在的可能性，對于引力波的成功探測也就可以說是對廣義相對論的最終驗證。但是另一方面，一些物理學(xué)家也認(rèn)為，這次對于廣義相對論的最終驗證，可能也正說明廣義相對論在某些極端條件下并不適用，人類有可能在最初探測到的幾次引力波信號中，找到新物理學(xué)的可能性。

人類可能永遠(yuǎn)都無法到達(dá)黑洞附近，近距離研究這種奇異且危險的天體，但是引力波探測給了人類細(xì)致研究黑洞性質(zhì)的絕佳機(jī)會。黑洞本身也是廣義相對論的成果之一：一個致密的天體有可能在燃料耗盡之后發(fā)生引力塌縮形成黑洞，這是此前人們沒有想到的。雖然黑洞聽起來可怕，但是只要不進(jìn)入它的“視界”，黑洞與其他天體并沒有太大不同，周圍的天體只會感受到它的引力作用。很多星系在中心都有一個超大型黑洞，由其巨大的引力作用維系著整個星系，就連銀河系也不例外。

視界相當(dāng)于黑洞的邊界。一旦進(jìn)入黑洞的視界以內(nèi)，由于引力作用，任何物體都只能有去無回，面對最終被黑洞所吞噬的命運。但是根據(jù)廣義相對論的描述，視界本身只是一個數(shù)學(xué)概念，物體在經(jīng)過視界時并不會有任何特殊的事情發(fā)生。在理論上即使是一個人進(jìn)入一個超大型黑洞的視界，仍然有可能生存很長一段時間。

從量子力學(xué)的角度卻可能推導(dǎo)出完全不同的結(jié)論。2012年，美國加州理工學(xué)院的幾位物理學(xué)家從量子力學(xué)出發(fā)，得出了一個驚人的結(jié)論：在黑洞的視界可能聚集著大量的高能量粒子，猶如一個“火墻”守衛(wèi)著黑洞。在這種情況下，任何經(jīng)過黑洞視界的物體都會瞬間被這些高能粒子所摧毀。廣義相對論和量子力學(xué)對于黑洞的性質(zhì)給出了完全不同的推論，這個黑洞火墻的悖論幾年來在物理學(xué)界引發(fā)了各種爭議，但是因為人類無法近距離觀察黑洞，至今也沒有結(jié)果，這個爭議也就顯得有些虛無縹緲，不切實際。

LIGO（激光干涉儀引力波天文臺）的引力波探測給了人類了解黑洞性質(zhì)的獨特機(jī)會，或許人類可以從中找到解決黑洞火墻悖論的方法。加拿大滑鐵盧大學(xué)和圓周理論物理研究所的天體物理學(xué)家尼亞耶什·阿弗肖迪（Niayesh Afshordi）和他的同事們意識到，黑洞到底有沒有火墻，或許可以通過它們釋放的引力波進(jìn)行判斷。目前人類已經(jīng)探測到了幾次由兩個黑洞碰撞合并時所產(chǎn)生的引力波。阿弗肖迪認(rèn)為，如果理論中的火墻真實存在，那么它可能在引力波中留下痕跡。黑洞的高能量火墻把時空隔絕為兩個部分，在這種情況下，當(dāng)兩個黑洞碰撞合并，其產(chǎn)生的引力波會因為火墻對于時空的隔絕而產(chǎn)生出某種“回聲”。

出于這種想法，阿弗肖迪和同事建立了一個非常簡單的黑洞模型，假設(shè)黑洞在其視界處有某種鏡面結(jié)構(gòu)，然后模擬它們在碰撞合并過程中所產(chǎn)生的引力波，再與真實的探測結(jié)果進(jìn)行對比。2016年12月，他們發(fā)表了論文預(yù)印本《來自深淵的回聲：在黑洞視界普朗克尺度結(jié)構(gòu)的證據(jù)》（Echoes From the Abyss：Evidence For Planck-scale Structure at Black Hole Horizons），講述他們在已經(jīng)探測到的幾個引力波信號中發(fā)現(xiàn)了某種“回聲”，這也可能是黑洞火墻真實存在的證據(jù)。而另一方面，如果黑洞火墻真的存在，則說明廣義相對論在某些極端條件下會失效，人們必須發(fā)展出新物理學(xué)進(jìn)行解釋。

現(xiàn)在就斷言廣義相對論的失效當(dāng)然還言之過早。阿弗肖迪所建立的黑洞“回聲”模型還非常粗糙，而關(guān)于人類探測到的黑洞合并過程中發(fā)出的引力波信號是否包含了“回聲”，也還需要更多清晰的證據(jù)。而除了廣義相對論之外，最近人們在對宇宙中一顆遙遠(yuǎn)的中子星的觀測中，又驗證了一個量子力學(xué)的預(yù)測。

“量子”一詞本來有極為微小的含義，但是難以想象的是，在宇宙中的大尺度觀測中，也會看到某種量子效應(yīng)的顯現(xiàn)。米蘭空間天體物理研究所的幾位科學(xué)家在智利利用極大望遠(yuǎn)鏡陣列觀測一個距離地球400光年的名為“RX J1856.5-3754”的中子星時，發(fā)現(xiàn)它發(fā)出的光線存在明顯的偏振，這證實了量子力學(xué)科學(xué)家們在80年前做出的一個推論。

光是一種電磁波，在垂直于其傳播方向的平面上也存在著來回的振蕩，如果電磁波朝著同一個方向振蕩，這種現(xiàn)象就被稱為偏振（polarization）。我們見到的晶體的雙折射現(xiàn)象就與光的偏振有關(guān)。在20世紀(jì)30年代，有物理學(xué)家根據(jù)量子力學(xué)提出預(yù)測，在真空中的強(qiáng)磁場會改變光的性質(zhì)，使其出現(xiàn)偏振現(xiàn)象，這可以被稱為“真空雙折射”。在理論上，強(qiáng)磁場通過真空中的虛粒子對作用于光，改變其極化性質(zhì)，但是這種現(xiàn)象極難觀測到。

2000年，耶路撒冷希伯來大學(xué)的物理學(xué)家尼爾·沙維夫（Nir Shaviv）提出預(yù)測，宇宙中中子星的強(qiáng)磁場也有可能造成宏觀領(lǐng)域的真空雙折射現(xiàn)象。中子星的磁場強(qiáng)度是地球的10萬億倍，這種強(qiáng)度可能改變周圍空間的性質(zhì)，對經(jīng)過的光線造成影響。進(jìn)行這樣的探測并不容易，因為中子星的光線主要集中在X射線范圍，可見光范圍非常微弱。而進(jìn)行觀測的科學(xué)家們并沒有探測X射線偏振的儀器，他們只能對微弱的可見光進(jìn)行探測，其難度相當(dāng)于在從地球到月球的一半距離之外觀察一根蠟燭。正是在這種條件下，他們觀測到了中子星光線存在著明顯的偏振。

無論是對于黑洞引力波的探測還是對于中子星附近光線的探測，科學(xué)家們都還需要更多的證據(jù)和更完整的理論，新物理學(xué)的建立并非一朝一夕可以完成?？梢源_定的是，對于人類來說，隨著觀測手段的進(jìn)步，宇宙變得前所未有的生動起來，這是科學(xué)帶給我們的獨特樂趣。

（本文寫作參考了《科學(xué)》和《自然》雜志的報道）

銀河系黑洞（示意圖）