成熟的黑洞像一個極其內(nèi)向的人。它們不放出任何東西：不發(fā)光，不釋放粒子，當(dāng)然也不會發(fā)出任何音樂（霍金輻射是個有趣的例外。但對于具有天文尺寸的黑洞來說，它只是個極微弱的效應(yīng)。）但是黑洞在進(jìn)入成熟期之前，會經(jīng)歷一個短暫而狂野的“青春期”，期間這些新生的黑洞會釋放出一種奇異而純凈的“音樂”。聆聽黑洞之音將是一場美妙的體驗。而我們很快就能做到。

當(dāng)恒星坍縮或天體（如中子星或較小黑洞）合并產(chǎn)生新的黑洞時，構(gòu)成它的物質(zhì)也會被一并吞噬。一旦這些物質(zhì)越過新形成的事件視界，就消失的無影無蹤。這個初生的黑洞本身是時空的一種扭曲，它在自身引力的塑造下，會迅速達(dá)到一個穩(wěn)定的形態(tài)。那些把恒星和行星塑造成幾近完美球體（或者，如果它們在自轉(zhuǎn)，就變成光滑橢球體）的力量，也在以更加強(qiáng)大的效應(yīng)塑造著黑洞。

正因為它們吞噬了一切關(guān)于自身起源的痕跡，并將其所有外部的不規(guī)則抹平，黑洞達(dá)到了一種宏觀物體中獨一無二的數(shù)學(xué)上的完美。只需知道一個黑洞的質(zhì)量和角動量，廣義相對論方程就能以極高的精度預(yù)測出它代表的時空扭曲。正如約翰·惠勒那句生動的形容：“黑洞沒有毛發(fā)。”

▲銀河系中心黑洞的首張照片（圖片來源：EHT合作組織）

然而，黑洞最終達(dá)到的這種靜態(tài)的完美，只不過是它們故事的一部分，而且不是最有趣的部分。

設(shè)想兩個相互繞轉(zhuǎn)的母黑洞通過合并，形成了一個啞鈴結(jié)構(gòu)的新黑洞，中間由一條細(xì)長的頸部相連。這個新黑洞最初的形態(tài)歪斜且不穩(wěn)定，要把它塑造成我前面所述的那種穩(wěn)定而“完美”的黑洞，引力還需要做大量的雕琢工作。而在它雕琢?xí)r空的這個過程中，會產(chǎn)生漣漪，也就是引力波。這些引力波最終會傳播到地球，被我們探測到。

這個趨于穩(wěn)定過程的初期極其迅速、劇烈且復(fù)雜，就像是鐘被敲響后的第一聲巨響，又或是石子投入水中時濺起的第一朵水花。但隨后而來的綿長而平穩(wěn)的階段，則更像是一段音樂。接下來是節(jié)目說明，幫助你們更好地欣賞這場即將上演的音樂盛宴。

我們聽到的鐘聲，其實是空氣的振動；而我們看到的石子投入平靜湖面后泛起的水波，本質(zhì)上也是一種振動，只不過它在水中傳播。

初生黑洞所產(chǎn)生的波，本質(zhì)和聲波、水波類似，也是一種振動，但它是時空本身——而非空氣或水——的振動。這類時空彎曲產(chǎn)生的波動被稱為引力波。引力波傳播的介質(zhì)既不是空氣也不是水，而是所謂的“真空”。所以，所謂的“真空”其實并不空——以太似乎依然存在！

▲引力波示意圖

引力波從它們的源頭向外傳播，以光速穿越遙遠(yuǎn)的距離。典型的引力波源都非常遙遠(yuǎn)，因此當(dāng)這些引力波最終抵達(dá)地球時，其能量已被耗散在極其廣闊的空間中。所以這些波動在我們周圍的空間引起的形變極其微小。盡管引力波理論早在數(shù)十年前就被廣泛接受，但人類直到2015年才首次成功探測到它們。這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)，是LIGO（激光干涉引力波天文臺）合作團(tuán)隊艱苦卓絕努力的結(jié)晶。他們所攻克的挑戰(zhàn)，是探測僅有 1022分之一 量級的極微弱距離變形。對于四英里長的LIGO探測儀器，這相當(dāng)于亞原子尺度（事實上達(dá)到了亞核尺度）的距離變化！為了達(dá)到這樣的靈敏度，他們發(fā)明了一系列新的測量手段與噪聲抑制技術(shù)。

▲LIGO激光干涉引力波天文臺

目前，全球范圍內(nèi)有十多個相關(guān)項目正在推進(jìn)建設(shè)。這些項目融入了新的思路與技術(shù)改進(jìn)。同時，人們也在積極探索將引力波探測器部署到太空中的可能性。那兒的噪聲更低，空間也更廣闊。中國的“太極計劃”就是這一方向上的一項雄心勃勃的嘗試。

▲空間引力波探測“太極計劃”（圖片來源：中國科學(xué)院）

隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與投資的持續(xù)增加，科學(xué)家們將能夠更全面地捕捉從宇宙深處傳來的引力波。他們不僅能“聽到”黑洞剛合并時的強(qiáng)烈撞擊聲，還能捕捉到隨后那些更為輕柔、宛如音樂般的聲音。在所謂的“振鈴”階段，新生黑洞已接近成熟，但仍殘留著些許青春期的印記：能量過剩，不停地震蕩與搖晃。換個形象的比喻就是：處于青春期的黑洞就像一口正在振動的鐘，它已接近最終形態(tài)，但疊加了振動。這些振動擁有一個絕妙的名字：“準(zhǔn)簡正模式”(quasi-normal)。即使在我尚未理解這個術(shù)語的真正含義之前，這個詞就讓我覺得極富魅力，或許是因為我喜愛的人中，就有幾位帶著這種“準(zhǔn)正?！钡奶刭|(zhì)。而隨著理解的愈加深入，它更是沒有讓我失望。

那么，到底什么是準(zhǔn)簡正模式呢？要回答這個問題，我得先解釋一下什么是“簡正模式”（也就是嚴(yán)格意義上的簡正模式）。簡正模式是系統(tǒng)的一種理想化的沒有能量損耗的振動模式，具有完美的周期性（即純音調(diào)）。一口在真空中振動的鐘不會向外輻射聲波，因此它的振動強(qiáng)度能夠保持不變。此時它的真實振動非常接近簡正模式。當(dāng)然仍存在一些其他低效的消耗振動能量的傳遞方式，如轉(zhuǎn)化成鐘的熱能。但在數(shù)學(xué)上，這些獨立、無衰減的理想化振動模式更加方便處理。這就是“標(biāo)準(zhǔn)”的簡正模式，它是基礎(chǔ)物理、中級物理乃至大多數(shù)高等物理課程中的基礎(chǔ)內(nèi)容。而即便一個人已獲得物理學(xué)博士學(xué)位，也可能從未接觸過準(zhǔn)簡正模（我自己便是如此）。

準(zhǔn)簡正模式是在考慮了輻射等實際因素后的結(jié)果。這種輻射，對鐘而言是聲波，對黑洞而言則是引力波。工程師通常會比物理學(xué)家們更早的接觸到準(zhǔn)簡正模式！

引入能量損耗會讓數(shù)學(xué)計算變得更復(fù)雜，但也讓它更貼近現(xiàn)實。最重要的是，它使振動強(qiáng)度隨時間衰減。簡正模的振蕩是永恒不變的，而準(zhǔn)簡正模就如同真實的鐘聲，會逐漸消逝。

對于黑洞而言，采用常規(guī)的簡正模進(jìn)行描述并非好的選擇，因為在這種情況下難以區(qū)分引發(fā)時空振動的引力與導(dǎo)致時空輻射的引力。我們需要從一開始就借助準(zhǔn)簡正模進(jìn)行刻畫。但目前的計算必須依賴超級計算機(jī)才能完成。近期有一篇高水平的相關(guān)綜述文章，由68位作者共同撰寫，引用了1587篇文獻(xiàn)，全文長達(dá)269頁，充滿了復(fù)雜的公式。將優(yōu)美精妙的數(shù)學(xué)理論與同樣優(yōu)美復(fù)雜的觀測數(shù)據(jù)相互印證——這一令人振奮的前景激勵著全球熱忱勤奮的科學(xué)家們不斷進(jìn)取。

▲Black hole spectroscopy: from theory to experiment（圖片來源：https://arxiv.org/abs/2505.23895）

當(dāng)前一個新興的前沿研究領(lǐng)域是探索量子力學(xué)對引力輻射的影響。盡管這一方向仍處于起步階段，但我樂觀地相信，在此領(lǐng)域我們將實現(xiàn)現(xiàn)代物理學(xué)的一個長久夢想，即觀測到時空本身的量子漲落。

▲聆聽黑洞之音

我們?yōu)楹我P(guān)注黑洞的鐘聲呢？畢竟，世間存在無數(shù)其他的“樂器”，它們發(fā)出的聲音更易被捕捉，而且我們還可以調(diào)試、優(yōu)化它們，甚至創(chuàng)造出新的聲音。而黑洞的鐘聲則不同，它是一項充滿啟發(fā)的挑戰(zhàn)。之所以如此，某種程度上，正是因為我們無法干預(yù)它們，它們保持了原本的樣子。這為我們帶來了一項有趣而充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)：去聆聽并理解它們。

黑洞的鐘聲，是大自然賜予我們的一份饋贈，我們不可以辜負(fù)。“天體和諧”與“天籟之音”的思想，從古至今都承載了人類對宇宙的敬畏與向往。或許，沒有哪種現(xiàn)象能比黑洞的鐘聲更清晰地體現(xiàn)這些思想了。

作者：Frank Wilczek

翻譯：胡風(fēng)、梁丁當(dāng)

來源：墨子沙龍

原標(biāo)題：“青春期”黑洞也愛放音樂？宇宙不是聽不見聲音嗎？ | Wilczek's Multiverse (7)

編輯：涼漸

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