黑洞引力场惊现“老人与海”的惊涛骇浪

bushuang

圆周研究所取得了一项新的研究成果，黑洞周围的引力场呈现了旋转和翻滚状态，设想一下，人们在黑洞周围的引力场自由飞翔，不要忘记系紧安全带的“交通规则”，在黑洞引力场的“超级旅行”颠簸而震荡，前方是光明的，路途是崎岖不平的。圆周研究所的研究成果表明，人们过去理解的平坦而顺滑的引力场是错误的，引力场可能出现激流一样的涡旋和涌动，当人们旅行到黑洞的附近区域时，很可能遇到越来越强烈的“引力漩涡”。圆周研究所的科学家相信，引力行为好像流体，流体的特征之一是在狂风暴雨的推动下形成波浪起伏的水流，流体在恶劣天气条件下失去了温顺、平坦特性，不断地翻涌、旋转。黑洞附近的引力场好像“暴风骤雨”的海洋。
圆周研究所的科学家路易斯·莱纳解释了科学灵感的产生，为什么引力场好像流体一样、或具备了流体力学的特征，根据物理学全息理论的一种推断，引力表现为场论的一种属性，场论在高能物理学领域用数学工具描述一系列方程，好像用一整套数学工具描述流体的行为，第一步是将引力等同于场论，第二步是将场论等同于流体，引力等同于流体是自然而然的推论。引力等同于流体的特性被定义为“引力-流体二元性”、或对称性。引力-流体二元性现在成为了新的研究线索，科学家对二元性进行了6年时间的研究，既然将引力看成是一种流体，那么引力涡旋如何形成？引力流体一样的翻转、起伏如何实现？以怎样的数学方程描述引力的流体行为？物理学界多年以来似乎传承了一个信条：引力场不可能动荡不安，不可能成为“危机四伏”的发源地，引力的数学方程组不同于流体力学的数学方程组，在任何情形中，引力场不会出现“修女也疯狂”的情形。

为了克服引力-流体二元性和传统物理信念的冲突性，圆周研究所的莱纳强调了引力实际上以流体力学进行描述，动荡不安的引力场在特定条件下出现，引力场的动荡性是一种新的物理现象，物理学家过去只关注“平静如水”的引力场。路易斯·莱纳和圆周理论物理研究所、量子计算机研究所的杨欢、加拿大天体物理研究所的亚伦·齐默尔曼组成了科学团队，他们对引力-流体二元性的物理课题进行了研讨。科学团队选择了快速旋转的黑洞类型，这类黑洞有某种流体动力学的特征，不同于其它类型黑洞周围的时空，这类黑洞周围的时空有较少的粘滞性，较低的粘度表明了时空动荡、起伏的可能性随之增加，设想一下，纯净的水比糖浆更易形成漩涡结构，没有杂质的水流比含有粘性杂质的水流更易形成波浪汹涌的形状。
科学团队研究了黑洞非线性扰动的情形，科学家过去很少以高度的细节性对引力的动力学机制进行分析，描述引力动力学机制的数学方程极端复杂，物理学家从根本上认定，引力场的颠簸动荡体现了一种非线性结构。科学团队使用了一种精确的非线性扰动分析方法，他们惊讶地发现了黑洞周围时空的行为变得动荡不安。杨欢是一位分析广义相对论（GR）的博士研究员，他对非线性的计算结果感到震惊，他之前从不相信在爱因斯坦广义相对论描述的引力场中存在波动起伏的状态，没有一位物理学家曾经发现了引力场的波动，之前数字仿真模型没有考虑引力场的波动因素，甚至在双黑洞的模型中没有考虑双黑洞周围引力场的剧烈波动。从精确研究的属性进行判断，科学团队对引力场的波动现象进行了开创性的研究。

过去的几年，莱纳和科学团队的成员在开始时非常怀疑在黑洞周围的引力场产生了波动起伏的，他们现在获得了很高的确信度，在黑洞周围的引力场发生了“波浪汹涌”的情景。为什么引力场的波动性一直隐藏在科学家的视野之外？为什么直到现在引力的波动才引起科学家的高度关注？其中的一个原因在于，从数学上证明引力波动的非线性极为困难，如何确定引力波动的非线性特征？科学家需要进行深入的研究和分析。科学家过去一直缺少足够的动机，他们没有深入地研究引力波动的非线性特征，科学团队找到了对引力非线性特征研究的机会和方法，他们在强烈动机的支配下确立了目标，经过了深入而彻底的分析，他们的发现好像发射的炮弹击中了预定目标。
科学团队进行了理论物理的分析，提出了引力的波动理论，他们不会永久地停留在理论分析的层面，即将实施的探测使命将会发射下一代的探测器，在不久的将来，科学团队也许能够检验理论分析的正确与否。探测引力场中“流体”一样的涟漪可以从一些大的物理事件入手，就像两个黑洞的碰撞一样，他们如果观测到了引力波动，那么引力波“涟漪”也许与以前理论模型的预测有所不同，正确认识不同的特征，科学家可能发现引力波的存在。探测到引力波的不同，科学家自然而然地找到了引力波动性的直接证据。潜在的观测工具、或产生观测效果的探测器目前有LIGO和LISA，科学家也许计划建造未来的引力波探测仪器，以更先进的探测器检测引力和引力波动的状态。

对引力波动的检测不局限在黑洞天体的活动领域，它有极为广泛的应用范围，这些探测活动同样使得科学家激动不已，对引力波动的检测方式适合于地球的某些扰动现象，在地球环境发现的扰动现象涵盖了很多领域，从气候的飓风到混合搅拌的乳脂和咖啡饮料，从大黄蜂不可思议的集体飞行到气流漩涡剪断机翼的末端。扰动和波动现象发生在我们的日常生活中，直到现在，科学家没有彻底理解扰动的发生机制，经典力学的扰动和波动现象是一个悬而未决的问题。科学团队的研究成果强化了一种科学认为，引力是一种流体，反过来也成立，流体是一种引力波动的行为。在圆周理论物理研究所确定了引力波动的课题之前，麻省理工（MIT）的科学家提出了引力波动起伏的见解，他们的见解建立在一些限定的条件上，引力颠簸和不颠簸依赖于引力在特定空间的定义。
科学家在彻底理解扰动的发生机制时遭遇了“卡壳”，科学家在过去的500年没有很好地理解自然界的扰动现象。圆周研究所科学团队的研究成果带来了一个好的开端，引力-流体的一致性概念丰富了引力物理学的认识，他们在引力分析的数学工具和引力直觉性认识的基础上提出了创新思路，重新确定了扰动现象的分析视角，他们的研究成果不代表最后的成功，某个地方、某个阶段的研究思路可能遇到“卡壳”问题，然而，科学团队尝试的方法非常有意义，如果在“黑暗”的研究领域投射了一缕指引前方的光线，那么这种研究的价值让他们感到欣喜异常，科学团队的研究成果只是阶段性的突破，物理学界将会关注他们进一步的研究方向和研究成果。

（编译：2014-6-11）


本文选自：今日头条