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最新研究证:引力场或具流体性质 存在湍动漩涡

http://www.kexue.com 2014-06-11 11:18:36 新浪科技  发表评论

艺术示意图:位于星系核心的超大质量黑洞。图中的蓝色代表靠近黑洞区域的物质发出的大量辐射。周围灰色的部分则主要是尘埃和气体。

  据物理学家组织网站报道,如果你在黑洞的附近,或许你会感到有些颠簸。但这的确会令很多科学家感到意外,因为引力研究学界传统的观点是认为时空无法出现湍动。然而一项加拿大圆周理论研究所(Perimeter)的成果却显示这一传统观点或许是错的。

  研究人员们遵循如下的思路:引力被认为可以表现为流体性质。而流体的一项特征便是湍动——这也就是说,在特定情况下,它们将不会平滑地运动,而是会出现涡流或漩涡。那么引力是否也会出现相似的情形?

  引力/流体二元性

  圆周研究所研究员路易斯·赖纳(Luis Lehner)解释了为何科学家们会将引力视作是一种流体。他说:“在物理学中有一种设想,即所谓全息设想,其核心观点是认为引力可以用场论进行描述。另外我们也知道在高能状态下,场论可以被作为描述流体的数学工具。因此这是一个两步达成的过程:首先,引力等同于场论,随后场论等同于流体,于是我们得到引力等同于流体。这杯称作‘引力/流体二元性’。”

  “引力/流体二元性”并非什么新的观点——它已经至少发展了6年时间。然而在其核心仍然存在一个问题,那就是,既然引力可以被视作流体,那么它会存在湍动吗?

  赖纳表示:“多年以来,物理学家们的一项共识是引力中不存在湍动。”一项共识是认为引力可以被描述为一系列的方程,其与流体方程之间存在明显差异,因此在任何情况下引力中都不会存在湍动。

  赖纳这样论述这一新出现的矛盾:“要么是先前的二元论存在问题,引力实际上并无法用流体方程进行完全的描述;要么这就是引力中的一种新现象,引力湍动真的存在。”这个研究团队的成员包括圆周量子计算研究所的赖纳,杨欢(Huan Yang,音译),以及加拿大理论物理研究所的阿隆·兹默曼(Aaron Zimmerman)。

  现在他们已经知道该往什么方向前进。此前在圆周研究所以及麻省理工的一个独立团队开展的模拟研究已经显示,在被压缩于反德西特空间(anti-de Sitter space)的黑洞案例周围将存在湍动。赖纳表示:“如果你将引力限制在一个盒子中,基本上这将会出现湍动。问题就在于在现实的情况下这样的情况是否真的能出现。”

  非线性研究的突破

  于是研究组决定对快速旋转的黑洞进行研究,因为流体力学原理认为这样一个黑洞周围的时空粘度应当会低于其他类型的黑洞。更低的粘度将增加出现湍动的几率——就像水相较于糖浆更加容易出现波纹一样。

  研究组还决定对黑洞的非线性扰动开展研究。引力系统此前很少在这样的细节水平上被开展研究,因为其涉及的方程异常复杂。但,明确了扰动在本质上是非线性的之后,研究组便明确了非线性扰动分析正是他们所要的。

  当他们发现他们的分析结果显示时空真的出现了湍动时,感到非常震惊。杨欢表示:“我感到非常意外。”杨从博士阶段以来一直从事爱因斯坦的广义相对论研究。他说:“我从来不相信在广义相对论中存在湍动,并且我有很好的理由。从未有人在数值模拟中看到过这一现象,即便是在两个黑洞相互绕转的动荡环境中也是如此。”赖纳表示:“在过去的数年里,我们经历了从怀疑引力中难以出现湍动,到有很高的信心认为其应当存在的过程。”

  那么这种模式如何能一直隐藏到现在?杨欢表示:“之所以会出现这种情况,是因为要想观察到这种现象必须依赖于非线性秩序。而人们缺乏足够的动力去做非线性研究。而这一次我们很清楚自己所要寻找的东西,这促使我们去做一些更加深入的分析——我们有目标,并且我们达成了目标。”

  这是一项理论工作,但它可能并不会一直停留在这里。或许很快我们就将拥有可以探测到引力波的下一代先进设备——也就是引力场中的涟漪,一般是由一些剧烈的事件,如两个黑洞互相撞击产生的。如果引力可以是湍动的,那么这些涟漪可能就与此前一些模型所给出的结论有所区别。了解这些区别有助于探测引力波。并且,事实上直接检测到这些差异将会是证明引力湍动的直接证据。赖纳表示:“这一发现具有潜在的观测后果。LIGO或是LISA或是未来的某项引力波实验或许将会探测到它的线索。”

  对湍动研究的启示

  但这项研究最令人兴奋的一点却并不在于引力,而是它对于平常意义上,地球上发生的湍动研究的启发作用。从飓风到杯中搅动的咖啡,从大黄蜂扇动的翅膀到飞机翼尖的涡流,湍动无处不在。然而我们队湍动的了解却并不多。它被认为是经典物理学领域尚未得到解决的最大问题之一。

  而这项研究加强了认为引力作为一种流体的观点,这也意味着流体可以从引力的视角进行看待和研究。赖纳表示:“我们已经花费500年的时间试图完全理解湍动。这种引力/流体的对应性提示我们可以使用引力工具和方法来重新审视湍动现象。在这一过程中我们可能会再次受困,但也有可能我们将会就此走出一条全新的道路,这一点让人兴奋。”(晨风)

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