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理论物理学家揭示黑洞的动荡本质

发布时间:2018-05-17

来自Perimeter Institute for Theoretical Physics的一项新研究揭示了黑洞的湍流特性,表明黑洞周围的引力场可能会产生涡流和涡流。 /

系好安全带 - 重力即将变得崎岖不平。

当然,如果你在黑洞附近飞行,一点额外的颠簸是你最担心的。但它仍然令人惊讶。引力研究人员公认的智慧一直认为时空不会变得动荡。然而,来自Perimeter的新研究表明,接受的智慧可能是错误的。

”多年以来,物理学家之间的民间传说是重力不会动荡,“Lehner指出。我们的信念是,重力是由一组方程来描述的,这些方程与流体动力学方程有很大的不同,因此在任何情况下都不会出现湍流。研究人员遵循这样的思路:重力被认为可以表现为流体。流体的特性之一就是湍流 - 也就是说,在某些条件下,流体不会平稳移动,而是漩涡和涡流。重力能做到吗?

Perimeter Faculty成员Luis Lehner解释了为什么将引力视为流体是有意义的。 “物理学中有一种猜想 - 全息猜想 - 它说重力可以被描述为场论,”他说。 “而且我们也知道,在高能量下,场理论可以用我们用来描述流体的数学工具来描述。所以这是一个两步跳舞:重力等于场理论,场理论等于流体,所以重力等于场等于流体。这就是所谓的重力/流体二重性。“

重力/流体双重性不是新工作 - 它在过去六年中一直在发展。但隐藏在它的中心是一种紧张。如果重力可以被看作是一种流体,那么湍流呢?

“我很惊讶,”自从他的博士开始研究广义相对论(GR) - 爱因斯坦的引力理论之后,杨说。 “我从来不相信遗传资源中的动荡行为,并且有充分的理由。没有人在数值模拟中见过它,即使是像二元黑洞这样的戏剧性事物也是如此。“

莱纳强调了新兴的悖论:”二者之间存在问题,重力真的不能完全被流体描述所捕捉,或者在重力和湍流重力方面出现了新现象真正可以存在“。研究小组 - Lehner,Huan Yang(Perimeter和量子计算研究所)和Aaron Zimmerman(加拿大理论天体物理研究所) - 着手寻找哪一个。

他们暗示着要走向何方。先前在Perimeter的模拟以及MIT的独立工作暗示,在反de Sitter空间中黑洞的非现实情况可能会出现动荡。 Lehner说:“如果把重力限制在一个盒子里,可能会出现动荡。 “更深层次的问题是,这是否会在现实的情况下发生。”

团队决定研究快速旋转的黑洞,因为这种洞的流体动力学描述暗示它们周围的时空比其他类型的黑洞周围的时空粘性更小。低粘度增加了湍流的机会 - 想想水比糖蜜更漩涡

团队还决定研究黑洞的非线性扰动。引力系统在这个细节层面很少被分析,因为方程式非常复杂。但是,由于知道湍流基本上是非线性的,团队决定非线性摄动分析正是所要求的。

当他们的分析显示时空确实变得动荡时,他们惊呆了。

“我很惊讶,”杨博士说,自从他博士后,他一直在研究广义相对论(GR) - 爱因斯坦的引力理论。 “我从来不相信遗传资源中的动荡行为,并且有充分的理由。没有人从数值模拟中看到它,即使是二元黑洞等戏剧性的东西。“

“在过去的几年里,我们已经从严重的怀疑中了解到引力是否会变得动荡,对它的信心相当高,”莱纳说。

这种行为到现在为止如何隐藏? “这是隐藏的,因为分析需要看到它必须去非线性订单,”杨说。 “人们没有足够的动力做非线性研究。但是,这一次,我们知道我们在寻找什么。它给了我们进行更深入研究的动力。我们有一个目标,我们打了它。“

这是理论上的工作,但它可能不会那样。下一代探测器即将上线,可能很快就能探测到引力波 - 引力“流体”中的涟漪,这是由于两个黑洞碰撞等大事件造成的。如果万有引力可能是动荡的,那么这些涟漪可能会与之前的模型有所不同。了解这些差异可能会使引力波更容易被发现。当然,实际上检测到这些差异将是重力湍流的直接证据。

“这个发现有潜在的观察后果,”莱纳说。 “LIGO或LISA或未来的一些引力波实验可能能够检测到它们。”

但这项研究最令人兴奋的后果之一不是引力,而是涉及普通的,地球上的湍流。从飓风到奶油搅拌成咖啡,从大黄蜂不可能的飞行到飞机翅膀剪断的涡流,动荡都在我们身边。但我们并不完全理解它。它被认为是古典物理学中最大的未解决的问题之一。

这项研究强化了重力可以被视为流体的想法 - 这也意味着流体可以被重力处理。

”我们一直在坚持超过500年的时间来充分理解动荡,“莱纳说。 “这种重力/流体的对应关系告诉我们,有一种方法可以使用引力工具和引力直觉重新审视湍流。我们可能会因为我们处于标准方法而陷入困境,或者我们最终会失去全新的光线,帮助我们向前发展。这非常令人兴奋。“

PDF研究副本:动荡的黑洞

来源:Perimeter理论物理研究所

图片:NASA / CXC / A.Hobart

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