黑洞引力场惊现“老人与海”的惊涛骇浪

加拿大圆周研究所一项研究成果显示，旋转和翻滚状态的引力场在黑洞周围呈现。设想一下，在黑洞周围的引力场自由飞翔，旅行者不忘系紧安全带的交通规则，在黑洞引力场的奇异旅行颠簸而震荡，前方是光明的，路径确崎岖不平。圆周研究所的科研人员相信，人们过去对引力场平坦而顺滑的理解是错误的，引力场呈现类似激流的涡旋和翻滚，当旅行者到达黑洞附近的区域时，将会遭遇越来越强烈的“引力漩涡”，引力行为好似涌动的流体，而流体有一个鲜明的特征，水流在狂风暴雨的推动下形成波浪起伏的状态，在恶劣的天气条件下，流体失去了温顺而平坦的特性，水体不断地翻涌、旋转，黑洞附近的引力场好似暴风骤雨的海洋。

圆周研究所的研究员路易斯·莱纳解释了灵感的来源，好似流体波动的引力场表现了流体力学的特征，按照物理学全息理论的推断，引力有场论的属性，在高能物理学的领域，场论是用数学工具描述的一系列方程，使用一整套的数学工具描述流体行为，首先是将引力等同于场论，其次是将场论等同于流体，自然而然地推出引力等同于流体。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，科学家确立了研究的线索，对引力——流体的二元性进行了6年的研究，可以将引力涡旋视为翻转起伏的流体，用数学方程描述引力的流体行为。一直以来，物理学界传承了一个信条：引力场不会动荡不安，它不会成为危机四伏的发源地，引力的数学方程组也不同于流体力学的数学方程组，引力场在任何情形中不会出现疯狂摇动的情形。

怎样克服引力——流体二元性和传统物理信念的冲突？圆周研究所的莱纳认为，实际上用流体力学描述引力，在特定条件下会出现动荡不安的引力场，这是物理学领域新的现象，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·齐默尔曼组成了一支科学团队，研讨了引力——流体二元性的物理课题，他们选择了快速旋转的黑洞，这类黑洞带有流体动力学的特征，与其它类型的黑洞周围时空不同，快速旋转黑洞的周围时空粘滞性较少，较低的粘度表明了更高的时空动荡，时空起伏性增大，好似纯净的水比糖浆更容易结成漩涡状，没杂质的水流比含有粘性杂质的水流更容易形成波浪的涌动。

科学团队探讨了黑洞非线性扰动的情形，科学家过去很少在高度的细节上分析引力的动力学机制，而描述引力动力学机制的数学方程极其复杂，物理学家从根本上认定，引力场的颠簸动荡体现为非线性的结构。科学团队使用了精确的非线性扰动的分析方法，他们惊讶地发现，黑洞周围时空的行为变得动荡不安。博士生研究员杨欢选择了广义相对论（GR）的课题，对非线性的计算结果感到十分惊讶，在这之前，他不相信在爱因斯坦广义相对论描述的引力场中显现波动起伏的状态，还没有一位物理学家发现了波动的引力场，以前的数字仿真模型没有纳入引力场波动的因素，甚至在双黑洞模型的建构中也从未考虑到双黑洞周围引力场的剧烈波动，科学团队对引力场的波动现象进行了开创性的精确研究。

过去几年，莱纳和科学团队的成员一开始也非常怀疑在黑洞周围的引力场产生了波动起伏的运动，现在有了很高的确信度，在黑洞周围的引力场产生了波浪汹涌的变化。引力场的波动性一直隐藏在科学家的视野之外，直到现在，引力场波动才引起科学家的格外关注，原因之一是从数学上描述引力波动非线性的困难性，科学家对引力波动非线性的特性需要进行深入的研究和分析。科学家在过去缺少足够的动机，未能深入研究引力波动非线性的特征，现在，科学团队找到了研究引力非线性特征的机会和方法，经过深入而细致的分析，在强烈动机的支配下确立了研究目标，好像发射的炮弹击中了预定靶子。

在理论物理分析的基础上建构了引力的波动理论，科学团队不会停留在理论层面的分析，他们考虑了下一代探测器的发射，在不久的将来，科学团队可能对理论建构的正确性进行检验。可以从大的物理事件对引力场的“流体涟漪”进行探测，好似探测两个黑洞的碰撞，如果观测到了引力波动现象，那么引力波的“涟漪”可能与以前理论模型的预测有所不同。科学家对不同特征的探测有助于发现引力波，对引力波不同特征的探测有助于“顺藤摸瓜”地找到了引力波动性的直接证据。潜在的探测工具或有观测效果的探测器包括了LIGO和LISA，科学家计划建造未来的引力波探测仪器，未来的先进探测器有助于检测引力的波动状态。

引力波动的检测不会局限于黑洞天体活动的领域，广泛应用的探测活动范围令科学家兴奋不已，引力波动的检测方式适用于地球的某些扰动现象，在地球环境出现的扰动现象涵盖了很多方面，从气候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了机翼末端。扰动和波动现象也发生在人们的日常生活之中，但到目前为止，科学家对扰动的发生机制没有取得彻底的认识，经典力学的扰动和波动现象仍然是一个悬而未决的难题。科学团队的研究成果加强了一个观点，即：引力有流体的特性，反过来也成立，流体有引力的波动行为。在圆周理论物理研究所确立引力波动的课题之前，麻省理工（MIT）的研究人员提出了引力波动起伏的见解，在限定的条件下，引力的颠簸和非颠簸性依赖于在特定空间下引力的定义。

科学家在详细研究扰动的发生机制时遇到了“卡壳”，在过去的500年里没能很好地认知自然扰动的现象。圆周研究所的科学团队有了一个良好的开端，引力——流体一致性的概念丰富了引力物理学的内容，在引力分析的数学工具和对引力直觉性认识的基础上，科学团队提出了创新的研究思路，重新调整了对扰动现象进行分析的视角，科学团队没有实现最终的目标，在某个地方和某个阶段的研究思路遇到了“卡壳”问题，但他们应用的方法很有意义，好似在黑暗的研究领域投射了一缕指引前方的灯光，他们对研究的价值感到满意，研究成果只是阶段性的突破，物理学界将会关注他们下一步的研究方向和研究成果。

（编译：2014-6-11）