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点时，就成为了一个有着超强引力场的黑洞。在黑洞周围的一定距离内，任何东西都无法逃脱，甚至连光也不能。黑洞具有一个确定的质量，也会以极快的速度像陀螺一样旋转。

　　2015 年 9 月 14 日，人类第一次成功地探测到了双黑洞并合辐射出的时空的涟漪——引力波，这一事件被称为 GW150914。它发生在 13 亿光年之外，有两个黑洞相互旋进，最终并合成为了一个更大的黑洞。在最初的几毫秒内，新生的黑洞以扭曲的状态存在。但随着它的几何形状稳定下来，它释放出了携带着黑洞的质量、自旋、（原则上还有）电荷信息的引力波形。

　　根据爱因斯坦的广义相对论，这些信息已经足以描述任何黑洞。任何其他的特征——也就是被著名物理学家惠勒（John Wheeler）称之为“毛发”，都应该被黑洞吞噬而无法被观测到。这便是黑洞的无毛定理。

　　但是，要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探索宇宙打开了一扇新的窗口，也为检验无毛定理带来了希望。

　　2.

　　在双黑洞并合释放出的引力波中，被嵌入了特定的频率，或者说是“音调”，类似于音乐和弦中的单个音符。

　　研究人员先将接收到的引力波信号中的噪声消除，再对信号进行放大，然后就观察到了一个在衰减之前迅速增强的波形。当把这种信号转换成声音时，他们听到了类似“啁啾”的鸣响。信号的峰值对应于啁啾中最响亮的部分，这一部分与黑洞碰撞、并合成一个新黑洞的时刻有关。

　　新生的黑洞发出了它自己的引力波，但物理学家认为，在最初碰撞发出的喧闹声中，它的信号声响太过于微弱，因此无法被解读。所以，只有在峰值之后的某个时刻才能分辨出这个声响的痕迹，但如此一来，信号就会过于微弱而无法对其进行详细研究。

　　然而，研究人员找到了一种方法，可以从信号到达峰值后的瞬间即可提取出黑洞的回响。通过模拟，研究人员发现这样的信号，尤其是在峰值之后的那部分，包含着“泛音”——一类响亮而短暂的声音。如果将泛音纳入考量再重新分析信号，就可以成功地分离出一种声音模式——一种新形成的黑洞所特有的模式。　　

研究人员首次在新形成黑洞的“铃宕”阶段探测到了两种音调。过去，研究人员认为只有一种音调可以被探测到，而额外的音调，即泛音，由于太过于微弱而无法被探测到。

　　研究人员将这项技术应用到 GW150914 事件中的实际数据中，他们专注在紧随啁啾峰值之后的最后几毫秒的信号。在考虑到这个信号中的泛音之后，他们辨别出了其中有一个声音是来自这个新生的黑洞。具体来说，他们确定了两种不同的音调，并且能够测量每种音调中的音高和衰减率。

　　研究人员解释说，他们探测到了一个由多个频率组成的整体引力波信号，这些频率以不同的速率衰减，就像组成声音的不同音高一样。每个频率或者音调都对应于新黑洞的振动频率。

　　3.

　　根据爱因斯坦的广义相对论的预测，黑洞引力波的音调和衰减与质量和自旋有关。也就是说，一个具有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，得出了他们探测到的两个音调的音高和衰减。他们发现，计算的结果与之前其他人对黑洞质量和自旋的测量结果相符。

　　利用这一被称为黑洞光谱学的新技术，研究人员证实了黑洞确实没有毛发。正如 19 世纪末对原子光谱的测量，开启了恒星天体物理学的时代，而黑洞光谱学的到来，也将为我们理解黑洞和广义相对论带来全新的视角。

　　未来，随着现有引力波探测器不断的升级，以及更加灵敏的仪器的问世，研究人员能够使用这一方法“听到”其他新生黑洞的声音。如果他们碰巧听到的音调与广义相对论的预测不符，那将是一个令人兴奋的前景。而这正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许多的检验。但随着引力变得越来越极端，比如两个黑洞并合的情况下，牛顿的理论就完全不适用了。同样地，当我们最终以越来越高的精确度探测来自黑洞的信号时，甚至连广义相对论也有一天可能无法通过检验。

　　自第一次探测到引力波已经四年过去了，而对引力波和黑洞的不断探索，正一点点地改变我们对引力、空间和时间的理解。