最新研究证:引力场或具流体实质 存在湍动漩涡

  据物理学家陷阱网站报道原由引力研究学界传统的观点是认为时空肆无忌惮出现湍动。

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。方圆灰色的部分则要紧是尘埃和气体。

  据物理学家陷阱网站报道原由引力研究学界传统的观点是认为时空肆无忌惮出现湍动。然而一项加拿大圆周理论研究所(perimeter)的成果却展示这一传统观点或许是错的。

  
  研究人员们遵从如下的思路:引力被认为可以表现为流体实质。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?
  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起码发展了6年时间。然而在其核心还是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鲜明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自行:要么是先前的二元论存在问题引力实际上并肆无忌惮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展示在被压缩于反德西特空间(anti-de sitter space)的黑洞案例方圆将存在湍动。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。
  于是研究组决定对快速旋转的黑洞进行研究原由流体力学原理认为这样一个黑洞方圆的时空粘度应当会低于其他类型的黑洞。更低的粘度将添补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原由其涉及的方程失常复杂。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展示时空真的出现了湍动时感到非常震惊。杨欢表示:我感到非常不料。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:我从来不自豪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荡漾环境中也是如此。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匿到现在?杨欢表示:之所以会出现这种情况是原由要想观察到这种现象必须依赖于非线性秩序。

  而人们缺乏充足的动力去做非线性研究。而这一次我们很清楚自己所要追求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。并且事实上刀切斧砍检测到这些差异将会是证明引力湍动的刀切斧砍证据。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。
  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正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。
  而这项研究增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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