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黑洞周围的引力场可能呈漩涡状

  科学家最新研究显示黑洞周围的引力场可能呈漩涡状

  科学家最新研究显示黑洞周围的引力场可能呈漩涡状

   科学日报报道,科学家的最新研究显示黑洞周围的引力场可能呈漩涡状,即使系好安全带,这个旅途仍然会让你感到颠簸。当然,如果你飞到黑洞附近,额外的颠簸应该不是你最应该担忧的事,但这一事实仍出人意料。引力研究人员曾认为时空不可能变得非常紊乱和狂暴,但最新的发现证明事实可能并非如此。

  研究人员是这么思考的,引力可以表现为流体的特征。流体的特征行为之一便是湍流,也即在某种情况下,它们无法平滑的流动,而是呈漩涡状。引力是否也具有这样的特征?路易斯·莱纳(Luis Lehner)解释了为什么可以将引力当做流体。“物理学里有一个猜想——全息猜想,后者表示引力可以被描述为场论。” 莱纳说道。“我们也知道在高能量时,可以用描述流体的数学工具来描述场论。因此这其中包含两个步骤:引力相当于场论,而场论等同于流体,因此引力等同于流体,这被称为引力/流体二象性。”

  引力/流体二象性并非新的研究,在过去的6年间就已经发展了这一理论。但其中的中心是张力,如果引力可以被当做流体,那么湍流呢?“很多年来,物理学家们都认为认为引力不可能是湍流狂暴的,” 莱纳解释道。引力可以用一系列等式来表达,而后者与流体动力学方程式存在本质的不同,因此在任何情况下都不应该存在湍流。

  莱纳强调了其中存在的悖论:“要么就是引力/流体二象性存在问题,且引力无法被流体完全描述,要不便是引力存在一个新的现象,湍流引力的确存在。”一支研究小组——包括莱纳、周长和量子计算研究所的杨欢(Huan Yang)和加拿大理论天体物理学研究所的亚伦·齐默尔曼(Aaron Zimmerman)——决定查明真相。

  之前的仿真加上美国麻省理工学院进行的独立研究暗示了在反德西特空间内的非现实黑洞周围可能存在湍流。“如果你将引力限制在盒子里,它可能会存在湍流。” 莱纳说道。“更深层次的问题在于这在现实情况下是否会发生。”

  研究小组决定研究快速旋转的黑洞,因为对这种黑洞的流体动力学描述暗示了它们周围的时空比其他类型黑洞周围的时空更有粘性。较低的粘性增加了湍流的概率——想象一下水比糖浆更容易形成漩涡。

  研究小组还决定研究黑洞的非线性扰动。科学家们很少从这个细节层面上分析引力系统,因为其中涉及的方程式极其复杂。但是考虑到本质上来说湍流不是线性的,研究人员确定非线性扰动分析正是他们所需要的。而分析结果显示时空的确是湍流的,这让科学家们震惊不已。

  “我非常惊讶,”自读博士以来就在研究广义相对论的杨这样说道。“我从不相信广义相对论里的湍流特性。没有人在数值仿真里见过它,即使对象是双黑洞系统这样的庞然大物。在过去的几年,我们经历了从高度怀疑引力是否存在湍流,到非常自信它的确存在的阶段。”

  为什么这种行为在此之前被完好隐藏?“因为发现这种特征所需的分析要求进入非线性次序,”杨说道。“人们往往没有足够的信心进行非线性研究。但是这次我们知道这是必须进行的。它激励了我们进行更深层次的研究,我们有了目标并试图完成它。”

  这是理论工作,但事实可能有所出入。下一代探测器或可能检测引力波,后者是由大事件,例如两个黑洞碰撞,留下的引力“流体”里的波纹。如果引力的确是湍流的,那么这些波纹应该与之前模型暗示的有所不同。了解这些差异可能能够帮助科学家更好的检测引力波。当然,真正检测到这些差异将是引力湍流存在的直接证据。

  “这项发现具有潜在的观测后果,” 莱纳说道。“激光干涉引力波天文台(LIGO)或者激光干涉空间天线(LISA)或者其它未来引力波实验或可以检测它们。”这项研究的有趣结果之一并不是与引力有关,而是与普通的地球湍流有关。从飓风到搅拌在咖啡里的奶油,从大黄蜂的飞行到旋涡切断飞机机翼,湍流无处不在。然而我们却无法完全理解它,这被认为是经典物理学里最大的未解问题之一。

  这项研究进一步强调了引力可以被当做流体的观点,“在过去的500年我们都试图完全了解湍流,” 莱纳说道。“这种引力/流体相关性告诉我们,可以利用引力工具和引力直觉来研究湍流。我们可能也会遇到瓶颈,或者获得完全新的见解以更好的进行下一步研究。这令人感到非常兴奋。”

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