爱因斯坦的相对论一定正确吗？
广义相对论是一个非常复杂的数学理论，但是对黑洞的描述却惊人地简单。一个稳定的黑洞可以用三个特性来描述:质量、电荷和旋转或自旋。由于黑洞不太可能有很多电荷，所以实际上只需要两个特性就可以描述一个黑洞。如果你知道了一个黑洞的质量和自旋，你就知道了关于这个黑洞的一切。
黑洞的这个性质通常用无毛定理来概括。具体来说，该定理认为，物质一旦落入黑洞，唯一留下来的特征就是质量。你可以用相当于太阳质量的氢气、椅子或者一堆旧《国家地理》杂志分别造出一个黑洞，但这些黑洞间都不会有什么区别。从广义相对论的角度来讲，质量就是质量。在任何情况下，黑洞的事件视界都是非常光滑的，没有什么其他额外的特征，说得形象点就是“黑洞没有毛发”。
相对论和量子理论的冲突引发了黑洞信息悖论。
图片来源: Jeremy Perkins / Unsplash
尽管广义相对论具有很强的预测能力，但它跟量子理论却有矛盾的地方。这种矛盾在解释黑洞问题的时候，就更加突出。如果无毛定理是正确的，那么当一个物体穿过事件视界时，它所携带的信息就会被摧毁；而量子理论认为信息永远不会被摧毁。这就导致了“黑洞信息悖论”这样的问题，即不能确定一个事件视界到底是热的还是冷的。
科学家们提出了好几种理论来解决这个矛盾，通常涉及到相对论的扩展。但是标准相对论和这些修正的理论之间的差异只能在极端的情况下才能被观测到，这使得它们的差异很难被观察研究。但是，《物理评论快报》最近的一篇论文论述了如何通过研究黑洞的自旋来观测这些不同理论的差异。
房间内的温度就是标量场的一个例子。
图片来源: Lucas Vieira
许多修正的相对论都有一个额外的在标准理论中没有的参数。它被称为无质量标量场，它能让爱因斯坦的模型和量子理论以一种不矛盾的方式相联系。那篇论文指出研究小组研究了标量场如何与黑洞的自旋相联系。他们发现，在低自旋时，修正后的黑洞与标准模型没有区别，但在高自旋时，标量场允许黑洞拥有额外的特征。换句话说，在这些修正的理论模型中，快速旋转的黑洞可以有“头发”。
旋转黑洞的毛发特征只能在事件视界附近被看到，但它们也会影响黑洞的合并。正如作者所指出的，未来的引力波天文台应该能够通过观测快速旋转的黑洞来确定广义相对论的修正理论是否有效。
爱因斯坦的广义相对论到目前为止已经通过了所有的观测挑战，但它很可能在宇宙最极端的环境中失效。或许还有新的理论等待我们去发现。
来源：牧夫天文
来源： 国家空间科学中心
