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黑洞萬有引力場可能形成漩渦

  • 發佈時間:2015-01-19 02:31:00  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

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  如果你正在一顆黑洞附近飛行,當心!係好安全帶,重力要變成湍流漩渦了!雖然在太空冒險中,一點重力顛簸不算什麼值得擔心的大事,卻著實令人驚訝。因為萬有引力學家們普遍認為,時空是不可能變成漩渦的。而物理學家組織網近日報道,加拿大理論物理學周界研究所的一項最新研究表明,這種普遍認識可能是錯的。

  萬有引力如液體

  “從本質上説,如果你能把萬有引力放到一個密閉盒子裏,就可能出現漩渦。”周界研究所的路易斯·勒納解釋了為何萬有引力可以作為一種液體。“物理學中有一個假設——全息假設——認為萬有引力可以描述為一種場論。我們還知道,在高能狀態下,場論可以用描述液體的數學公式來描述。兩步結合起來就是,萬有引力等於場論,場論等於液體,所以萬有引力等於液體。這叫做萬有引力/液體二重性。”

  萬有引力/液體二重性並非新發現。多年來,科學家一直研究和發展這一理論。研究人員遵循的思路是:萬有引力可以表現得像一種液體,而液體的一個特徵是漩渦,也就是説在某些情況下,它無法順暢流動時就會變成漩渦。萬有引力也會變成漩渦嗎?

  “多年來,物理學家們認為不可能形成渦流。”勒納説,因為描述萬有引力的方程與描述流體動力學的完全不同,前者在任何條件下都不會有渦流。“要麼是二重性的問題,萬有引力不能由流體方程完整描述;要麼是萬有引力和渦流引力中還有我們未知的新現象。”

  根據周界研究所以往的模擬,並參考美國麻省理工學院的獨立研究,都暗示在圍繞黑洞的反德西特空間內可能存在漩渦。勒納説:“下一步問題是,現實中有沒有這種情況。”

  他們選擇了快速旋轉黑洞,因為按照流體動力學描述,圍繞這種黑洞的時空黏性比其他黑洞更小,産生漩渦的可能更大,就好比水中的漩渦比蜜糖中更多。由於漩渦是非線性的,他們還決定研究黑洞的非線性擾動。而這種方程極為複雜。

  分析結果顯示,時空確實變成了漩渦。“我非常震驚。”周界和量子計算研究所的楊歡(音譯)説,他一直在研究愛因斯坦廣義相對論,“我從不相信在廣義相對論中會有漩渦現象,沒人曾在數字模擬中見過,即使像雙黑洞這樣的大傢夥中也沒有。”

  研究人員指出,雖然目前研究還在理論層面,但下一代探測儀有望能探測萬有引力波——萬有引力“液體”的“漣漪”。比如當兩顆黑洞碰撞時,就可能産生萬有引力波。如果萬有引力能形成漩渦,這種漣漪就會和以往的模型預測略有不同。知道這些差異會更容易找到萬有引力波,反過來,如果真的探測到了這些差異,也是萬有引力漩渦的直接證據。

  研究漩渦新途徑

  “對萬有引力能否形成漩渦這一問題,過去幾年中,我們經歷了從嚴重懷疑到高度自信的轉變。”勒納説,“這一發現可能導致未來更多的發現。LIGO(鐳射干涉引力波觀測站)、LISA(鐳射干涉儀空間天線)或未來的引力波實驗可能探測到它們。”

  該研究最令人興奮之處還在於,它不僅與天體的萬有引力相關,還與地球上普遍存在的漩渦有關:從颶風到咖啡中攪拌的奶油,從大黃蜂不可思議的飛行到剪斷機翼的漩渦氣流,雖然漩渦無處不在,包圍著我們,但我們還未能完全理解它。漩渦問題被認為是經典物理學中最大的謎題之一。

  該研究加強了萬有引力可被作為一種液體的觀點,這也意味這液體問題可以用萬有引力方法來處理。“在理解漩渦這個問題上,我們困惑了500多年。”勒納説,“這種萬有引力/液體相通論告訴我們,從萬有引力的角度來重新看待漩渦,或許是打破困局的新途徑。”

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