无毛定理（无毛定理被验证了？）

1.

当一颗足够大的恒星在自身引力的作用下坍缩成一个无穷小的点时，它就变成了一个具有超级引力场的黑洞。在黑洞周围的一定距离内，没有任何东西可以逃脱，甚至光也不行。黑洞有确定的质量，也会像陀螺一样以极快的速度旋转。

2015年9月14日，人类首次成功探测到两个黑洞合并辐射出的时间涟漪空——引力波。这一事件被称为GW150914。它发生在13亿光年之外，两个黑洞螺旋进入彼此，最终合并成一个更大的黑洞。在最初的几毫秒里，新生的黑洞以扭曲的状态存在。然而，随着它的几何形状稳定下来，它会释放出一种重力波形，携带着黑洞质量、自旋和(原则上)电荷的信息。

根据爱因斯坦的广义相对论，这些信息足以描述任何黑洞。其他任何被著名物理学家约翰·惠勒称为“头发”的特征，都应该被黑洞吞噬，无法被观测到。这就是黑洞的无毛定理。

但是如何检验无毛定理呢？

这绝非易事。幸运的是，引力波时代的到来不仅为我们打开了探索宇宙的新窗口，也为检验无毛定理带来了希望。

2.

在两个黑洞合并释放的引力波中，嵌入了特定的频率，或“音调”，类似于音乐和弦中的单个音符。

研究人员首先消除了接收到的引力波信号中的噪声，然后放大了信号，然后观察到一个在衰减前迅速增加的波形。当这种信号转换成声音时，他们会听到一种类似“唧唧”的声音。信号的峰值对应于啁啾声最大的部分，这与黑洞碰撞并形成新黑洞的时刻有关。

新生的黑洞会发出自己的引力波，但物理学家认为，它的信号声音太弱，无法在最初碰撞产生的噪音中得到解释。因此，这种声音的踪迹只能在峰值后的某个时间才能识别，但这样一来，信号就会太弱，无法进行详细研究。

然而，研究人员已经找到了一种方法，可以从信号达到峰值的那一刻提取黑洞的回声。通过模拟，研究人员发现这样的信号，尤其是峰值之后的部分，含有“泛音”——一种响亮而短暂的声音。如果将泛音考虑在内，重新分析信号，就可以成功分离出一种声音模式，一种新形成黑洞的独特模式。

○研究人员首次在新形成黑洞的“钟形下降”阶段检测到两种音调。在过去，研究人员认为只能检测到一种音调，而额外的音调，即泛音，太弱而无法检测到。

研究人员将这项技术应用于GW150914中的实际数据，他们专注于啁啾峰值后紧接着的最后几毫秒内的信号。在考虑了这个信号中的弦外之音后，他们确定其中一个声音来自这个新生的黑洞。具体来说，他们识别了两种不同的音调，并能够测量每种音调的音高和衰减率。

研究人员解释说，他们检测到了由多个频率组成的整体引力波信号，这些信号以不同的速率衰减，就像组成声音的不同音高一样。每个频率或音调对应新黑洞的振动频率。

3.

根据爱因斯坦广义相对论的预言，黑洞中引力波的音调和衰减与质量和自旋有关。也就是说，一定质量和自旋的黑洞，只能产生特定的音调和衰减。为了验证爱因斯坦的理论，研究小组利用广义相对论方程计算了新形成的黑洞的质量和自旋，得到了他们探测到的两个音调的音高和衰减。他们发现，计算结果与其他人之前对黑洞质量和自旋的测量结果一致。

利用这种被称为黑洞光谱学的新技术，研究人员证实了黑洞没有头发。正如19世纪末原子光谱的测量开启了恒星天体物理学的时代一样，黑洞光谱学的到来也将为我们带来理解黑洞和广义相对论的新视角。

未来，随着现有引力波探测器的不断升级和更灵敏仪器的出现，研究人员可以利用这种方法“听到”其他新生黑洞的声音。如果他们碰巧听到的语气与广义相对论的预言不符，那将是一个令人兴奋的前景。这是一些物理学家所期待的，因为考虑到量子效应，爱因斯坦的理论很可能会崩溃。

在弱引力场的情况下，牛顿的引力理论通过了很多考验。但是随着引力越来越极端，比如两个黑洞合并，牛顿的理论就完全不适用了。同样，当我们最终以越来越高的精度探测到来自黑洞的信号时，甚至广义相对论也可能有一天通不过考验。

距离首次探测到引力波已经过去了四年，对引力波和黑洞的不断探索正在一点一点改变我们对引力、空和时间的认识。