宇宙中的新物理学

苗千

人类观测宇宙的手段越来越丰富，对宇宙的理解也越来越深刻。

很多在地球上的实验室里难以实现的实验，却可以在太空中观测到，因此可以说整个宇宙正成为人类验证各种物理学前沿理论的新实验室，新物理学也可能从中诞生。

如果说探测到达地球的不同能量的光子相当于人类的视觉，那么在今年年初首次探测到的引力波，则相当于人类的听觉，人类第一次清晰地听到了来自宇宙深处的声音。引力波是时空自身产生的振荡。1915年发表的广义相对论让人们首次认识到引力波存在的可能性，对于引力波的成功探测也就可以说是对广义相对论的最终验证。但是另一方面，一些物理学家也认为，这次对于广义相对论的最终验证，可能也正说明广义相对论在某些极端条件下并不适用，人类有可能在最初探测到的几次引力波信号中，找到新物理学的可能性。

人类可能永远都无法到达黑洞附近，近距离研究这种奇异且危险的天体，但是引力波探测给了人类细致研究黑洞性质的绝佳机会。黑洞本身也是广义相对论的成果之一：一个致密的天体有可能在燃料耗尽之后发生引力塌缩形成黑洞，这是此前人们没有想到的。虽然黑洞听起来可怕，但是只要不进入它的“视界”，黑洞与其他天体并没有太大不同，周围的天体只会感受到它的引力作用。很多星系在中心都有一个超大型黑洞，由其巨大的引力作用维系着整个星系，就连银河系也不例外。

视界相当于黑洞的边界。一旦进入黑洞的视界以内，由于引力作用，任何物体都只能有去无回，面对最终被黑洞所吞噬的命运。但是根据广义相对论的描述，视界本身只是一个数学概念，物体在经过视界时并不会有任何特殊的事情发生。在理论上即使是一个人进入一个超大型黑洞的视界，仍然有可能生存很长一段时间。

从量子力学的角度却可能推导出完全不同的结论。2012年，美国加州理工学院的几位物理学家从量子力学出发，得出了一个惊人的结论：在黑洞的视界可能聚集着大量的高能量粒子，犹如一个“火墙”守卫着黑洞。在这种情况下，任何经过黑洞视界的物体都会瞬间被这些高能粒子所摧毁。广义相对论和量子力学对于黑洞的性质给出了完全不同的推论，这个黑洞火墙的悖论几年来在物理学界引发了各种争议，但是因为人类无法近距离观察黑洞，至今也没有结果，这个争议也就显得有些虚无缥缈，不切实际。

LIGO（激光干涉仪引力波天文台）的引力波探测给了人类了解黑洞性质的独特机会，或许人类可以从中找到解决黑洞火墙悖论的方法。加拿大滑铁卢大学和圆周理论物理研究所的天体物理学家尼亚耶什·阿弗肖迪（Niayesh Afshordi）和他的同事们意识到，黑洞到底有没有火墙，或许可以通过它们释放的引力波进行判断。目前人类已经探测到了几次由两个黑洞碰撞合并时所产生的引力波。阿弗肖迪认为，如果理论中的火墙真实存在，那么它可能在引力波中留下痕迹。黑洞的高能量火墙把时空隔绝为两个部分，在这种情况下，当两个黑洞碰撞合并，其产生的引力波会因为火墙对于时空的隔绝而产生出某种“回声”。

出于这种想法，阿弗肖迪和同事建立了一个非常简单的黑洞模型，假设黑洞在其视界处有某种镜面结构，然后模拟它们在碰撞合并过程中所产生的引力波，再与真实的探测结果进行对比。2016年12月，他们发表了论文预印本《来自深渊的回声：在黑洞视界普朗克尺度结构的证据》（Echoes From the Abyss：Evidence For Planck-scale Structure at Black Hole Horizons），讲述他们在已经探测到的几个引力波信号中发现了某种“回声”，这也可能是黑洞火墙真实存在的证据。而另一方面，如果黑洞火墙真的存在，则说明广义相对论在某些极端条件下会失效，人们必须发展出新物理学进行解释。

现在就断言广义相对论的失效当然还言之过早。阿弗肖迪所建立的黑洞“回声”模型还非常粗糙，而关于人类探测到的黑洞合并过程中发出的引力波信号是否包含了“回声”，也还需要更多清晰的证据。而除了广义相对论之外，最近人们在对宇宙中一颗遥远的中子星的观测中，又验证了一个量子力学的预测。

“量子”一词本来有极为微小的含义，但是难以想象的是，在宇宙中的大尺度观测中，也会看到某种量子效应的显现。米兰空间天体物理研究所的几位科学家在智利利用极大望远镜阵列观测一个距离地球400光年的名为“RX J1856.5-3754”的中子星时，发现它发出的光线存在明显的偏振，这证实了量子力学科学家们在80年前做出的一个推论。

光是一种电磁波，在垂直于其传播方向的平面上也存在着来回的振荡，如果电磁波朝着同一个方向振荡，这种现象就被称为偏振（polarization）。我们见到的晶体的双折射现象就与光的偏振有关。在20世纪30年代，有物理学家根据量子力学提出预测，在真空中的强磁场会改变光的性质，使其出现偏振现象，这可以被称为“真空双折射”。在理论上，强磁场通过真空中的虚粒子对作用于光，改变其极化性质，但是这种现象极难观测到。

2000年，耶路撒冷希伯来大学的物理学家尼尔·沙维夫（Nir Shaviv）提出预测，宇宙中中子星的强磁场也有可能造成宏观领域的真空双折射现象。中子星的磁场强度是地球的10万亿倍，这种强度可能改变周围空间的性质，对经过的光线造成影响。进行这样的探测并不容易，因为中子星的光线主要集中在X射线范围，可见光范围非常微弱。而进行观测的科学家们并没有探测X射线偏振的仪器，他们只能对微弱的可见光进行探测，其难度相当于在从地球到月球的一半距离之外观察一根蜡烛。正是在这种条件下，他们观测到了中子星光线存在着明显的偏振。

无论是对于黑洞引力波的探测还是对于中子星附近光线的探测，科学家们都还需要更多的证据和更完整的理论，新物理学的建立并非一朝一夕可以完成。可以确定的是，对于人类来说，随着观测手段的进步，宇宙变得前所未有的生动起来，这是科学带给我们的独特乐趣。

（本文写作参考了《科学》和《自然》杂志的报道）

银河系黑洞（示意图）