自从 2015 年首次观测到它们以来,引力波使科学家们能够探测到大量以前看不见的黑洞,并计算出这些物体的一些整体特性——例如它们的质量和与地球的距离。 但是英国的两位物理学家认为应该可以做得更好。 研究人员在一篇新论文中指出,引力波可以详细告诉我们黑洞在生长过程中如何吞噬物体——这样做有助于解决霍金辐射带来的信息悖论。
黑洞以吞噬任何穿过其事件视界的物体而闻名。 同时,它们被认为以以下形式不断向太空泄漏能量 霍金辐射. 由史蒂芬·霍金于 1974 年提出,这种辐射是导致黑洞缩小并最终消失的黑体辐射。 这些泄漏光子的唯一非随机特征是它们的能量,它由黑洞的质量决定。 这种发射导致了一个悖论——黑洞将失去它曾经包含的关于它捕获的物体的所有信息,这与量子力学规定的信息不破坏相矛盾。
物理学家已经为这个难题提出了许多可能的解决方案,其中大多数涉及霍金辐射内信息的一些微妙编码。 但 路易斯·哈迈德 和 西奥·托雷斯 伦敦国王学院的研究人员认为,引力波可以提供更自然的出路。 他们发现,几乎所有关于被吸入黑洞的物体的信息都可以通过测量物体消失时释放的引力辐射来检索。
到目前为止,LIGO-Virgo 天文台已经探测到来自黑洞的引力波。 这是千米大小的激光干涉仪,可以检测成对的黑洞在彼此盘旋然后合并时发出的信号。 这些黑洞质量如此之大,以至于它们的引力辐射强度足以在传播到地球数百万光年之后仍能被探测到。
坠落物
在他们的新研究中,Hamaide 和 Torres 考虑的是落入 Schwarzschild 黑洞的非常小的物体发出的辐射——这些黑洞不旋转且不带电荷。 两人的计算利用了微扰理论,微扰理论本质上是对坠落物体对黑洞属性的修正。 这种方法为发射的辐射产生了一个精确的解析表达式——与计算两个具有相似质量的物体的行为所需的数值模拟和曲线拟合形成对比。
通过方程式,研究人员发现坠落物体留下的特征非常简单。 虽然黑洞的质量与引力波的频率有关,但被捕获物体的质量却编码在引力波的振幅中。 捕获的时间由辐射的相位揭示,而其轨迹可以通过观察多个有利位置的发射来计算。
Hamaide 坚持认为,这些数据比可能从霍金辐射中获得的“非常分散”的信息更容易收集和解释。 “我们看到信息以非常好的数据包形式出现,”他补充道。
然而,其他研究人员对这些引力波信号的效用持怀疑态度。 罗伯特·曼 加拿大滑铁卢大学的研究人员认为,重要的不是关于物体在黑洞形成后掉入黑洞的信息,而是首先了解是什么创造了黑洞。 他还说,作者提出了一个关于黑洞“基本上是一个开放的量子系统”的正确观点,但指出他们进行的量子分析甚至是半经典分析很少。
量子赤字
Hamaide 和 Torres 承认这些特征完全是经典的,而物体的完整描述将是量子力学的——以其波函数的形式出现。 他们计算出经典信息将占总数的 99.9% 以上,但指出要彻底解决信息悖论,只需 100% 即可。 换句话说,他们说,无论测量结果多么准确,他们的分析永远无法恢复黑洞的所有信息。
事实上, 维托·卡多佐 葡萄牙里斯本大学和哥本哈根尼尔斯玻尔研究所认为,不可能在所有情况下都测量经典信息——因为完全球对称的物质坍缩不会产生引力波。 Cardoso 也怀疑是否可以进行任何实际测量——鉴于他所说的需要在源周围安装多个无限灵敏的探测器。
豪尔赫普林 美国路易斯安那州立大学的博士也对最新工作的实用性持怀疑态度,同时称赞作者“关于信息检索的有趣观点”。 他指出,目前对引力波的观测难以解决碰撞物体的质量和自旋(包括后者的符号)。 “这在不久的将来不太可能改变太多,”他补充道。
Hamaide 承认,他们所考虑的微扰系统发出的微小信号无法被任何现有或计划中的探测器接收到。 不过,他认为他们工作的一个方面应该为今天的天体物理学家提供安慰。 这是一个事实,它排除了理论上的可能性(称为简并),即随着引力波探测器变得更加敏感,它将变得更加(而不是更少)难以确定黑洞质量和其他属性的特定值。 “那不会发生,”他说。
该研究描述于 经典和量子引力.
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- Sumber: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-could-reveal-hidden-histories-of-black-holes/
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