黑洞引力場驚現「老人與海」的驚濤駭浪

圓周研究所取得了一項新的研究成果，黑洞周圍的引力場呈現了旋轉和翻滾狀態，設想一下，人們在黑洞周圍的引力場自由飛翔，不要忘記繫緊安全帶的「交通規則」，在黑洞引力場的「超級旅行」顛簸而震蕩，前方是光明的，路途是崎嶇不平的。圓周研究所的研究成果表明，人們過去理解的平坦而順滑的引力場是錯誤的，引力場可能出現激流一樣的渦旋和涌動，當人們旅行到黑洞的附近區域時，很可能遇到越來越強烈的「引力漩渦」。圓周研究所的科學家相信，引力行為好像流體，流體的特徵之一是在狂風暴雨的推動下形成波浪起伏的水流，流體在惡劣天氣條件下失去了溫順、平坦特性，不斷地翻湧、旋轉。黑洞附近的引力場好像「暴風驟雨」的海洋。

圓周研究所的科學家路易斯·萊納解釋了科學靈感的產生，為什麼引力場好像流體一樣、或具備了流體力學的特徵，根據物理學全息理論的一種推斷，引力表現為場論的一種屬性，場論在高能物理學領域用數學工具描述一系列方程，好像用一整套數學工具描述流體的行為，第一步是將引力等同於場論，第二步是將場論等同於流體，引力等同於流體是自然而然的推論。引力等同於流體的特性被定義為「引力-流體二元性」、或對稱性。引力-流體二元性現在成為了新的研究線索，科學家對二元性進行了6年時間的研究，既然將引力看成是一種流體，那麼引力渦旋如何形成？引力流體一樣的翻轉、起伏如何實現？以怎樣的數學方程描述引力的流體行為？物理學界多年以來似乎傳承了一個信條：引力場不可能動蕩不安，不可能成為「危機四伏」的發源地，引力的數學方程組不同於流體力學的數學方程組，在任何情形中，引力場不會出現「修女也瘋狂」的情形。

為了克服引力-流體二元性和傳統物理信念的衝突性，圓周研究所的萊納強調了引力實際上以流體力學進行描述，動蕩不安的引力場在特定條件下出現，引力場的動蕩性是一種新的物理現象，物理學家過去只關注「平靜如水」的引力場。路易斯·萊納和圓周理論物理研究所、量子計算機研究所的楊歡、加拿大天體物理研究所的亞倫·齊默爾曼組成了科學團隊，他們對引力-流體二元性的物理課題進行了研討。科學團隊選擇了快速旋轉的黑洞類型，這類黑洞有某種流體動力學的特徵，不同於其它類型黑洞周圍的時空，這類黑洞周圍的時空有較少的粘滯性，較低的粘度表明了時空動蕩、起伏的可能性隨之增加，設想一下，純凈的水比糖漿更易形成漩渦結構，沒有雜質的水流比含有粘性雜質的水流更易形成波浪洶湧的形狀。

科學團隊研究了黑洞非線性擾動的情形，科學家過去很少以高度的細節性對引力的動力學機制進行分析，描述引力動力學機制的數學方程極端複雜，物理學家從根本上認定，引力場的顛簸動蕩體現了一種非線性結構。科學團隊使用了一種精確的非線性擾動分析方法，他們驚訝地發現了黑洞周圍時空的行為變得動蕩不安。楊歡是一位分析廣義相對論（GR）的博士研究員，他對非線性的計算結果感到震驚，他之前從不相信在愛因斯坦廣義相對論描述的引力場中存在波動起伏的狀態，沒有一位物理學家曾經發現了引力場的波動，之前數字模擬模型沒有考慮引力場的波動因素，甚至在雙黑洞的模型中沒有考慮雙黑洞周圍引力場的劇烈波動。從精確研究的屬性進行判斷，科學團隊對引力場的波動現象進行了開創性的研究。

過去的幾年，萊納和科學團隊的成員在開始時非常懷疑在黑洞周圍的引力場產生了波動起伏的，他們現在獲得了很高的確信度，在黑洞周圍的引力場發生了「波浪洶湧」的情景。為什麼引力場的波動性一直隱藏在科學家的視野之外？為什麼直到現在引力的波動才引起科學家的高度關注？其中的一個原因在於，從數學上證明引力波動的非線性極為困難，如何確定引力波動的非線性特徵？科學家需要進行深入的研究和分析。科學家過去一直缺少足夠的動機，他們沒有深入地研究引力波動的非線性特徵，科學團隊找到了對引力非線性特徵研究的機會和方法，他們在強烈動機的支配下確立了目標，經過了深入而徹底的分析，他們的發現好像發射的炮彈擊中了預定目標。

科學團隊進行了理論物理的分析，提出了引力的波動理論，他們不會永久地停留在理論分析的層面，即將實施的探測使命將會發射下一代的探測器，在不久的將來，科學團隊也許能夠檢驗理論分析的正確與否。探測引力場中「流體」一樣的漣漪可以從一些大的物理事件入手，就像兩個黑洞的碰撞一樣，他們如果觀測到了引力波動，那麼引力波「漣漪」也許與以前理論模型的預測有所不同，正確認識不同的特徵，科學家可能發現引力波的存在。探測到引力波的不同，科學家自然而然地找到了引力波動性的直接證據。潛在的觀測工具、或產生觀測效果的探測器目前有LIGO和LISA，科學家也許計劃建造未來的引力波探測儀器，以更先進的探測器檢測引力和引力波動的狀態。

對引力波動的檢測不局限在黑洞天體的活動領域，它有極為廣泛的應用範圍，這些探測活動同樣使得科學家激動不已，對引力波動的檢測方式適合於地球的某些擾動現象，在地球環境發現的擾動現象涵蓋了很多領域，從氣候的颶風到混合攪拌的乳脂和咖啡飲料，從大黃蜂不可思議的集體飛行到氣流漩渦剪斷機翼的末端。擾動和波動現象發生在我們的日常生活中，直到現在，科學家沒有徹底理解擾動的發生機制，經典力學的擾動和波動現象是一個懸而未決的問題。科學團隊的研究成果強化了一種科學認為，引力是一種流體，反過來也成立，流體是一種引力波動的行為。在圓周理論物理研究所確定了引力波動的課題之前，麻省理工（MIT）的科學家提出了引力波動起伏的見解，他們的見解建立在一些限定的條件上，引力顛簸和不顛簸依賴於引力在特定空間的定義。

科學家在徹底理解擾動的發生機制時遭遇了「卡殼」，科學家在過去的500年沒有很好地理解自然界的擾動現象。圓周研究所科學團隊的研究成果帶來了一個好的開端，引力-流體的一致性概念豐富了引力物理學的認識，他們在引力分析的數學工具和引力直覺性認識的基礎上提出了創新思路，重新確定了擾動現象的分析視角，他們的研究成果不代表最後的成功，某個地方、某個階段的研究思路可能遇到「卡殼」問題，然而，科學團隊嘗試的方法非常有意義，如果在「黑暗」的研究領域投射了一縷指引前方的光線，那麼這種研究的價值讓他們感到欣喜異常，科學團隊的研究成果只是階段性的突破，物理學界將會關注他們進一步的研究方向和研究成果。

（編譯：2014-6-11）

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