浴缸水的涡流揭示了黑洞物理学的机制

我们都知道,虽然世界万物纷繁复杂,但很多看起来风马牛不相及——它们彼此之间往往存在着巨大的规格或质量、乃至是抽象和具象之间的差异——的现象背后,却遵循同一套数学机制。比如说,准晶体和天文历法的背后,可以看到拟周期的概念;热传导和简易投机市场里金钱的流动遵循同一组偏微分方程……

大自然的这一特性,让我们有机会去研究那些本来无法被触及乃至观察的对象——如黑洞。

之前,我们就借助光纤和玻色-爱因斯坦凝聚物来了解有关霍金辐射的特性。我们现在又发现,某个最常见的现象竟然也与黑洞共享一套机制:打开浴缸塞排水时产生的涡流。

黑洞本身不可见,但是它会与周边的物质相互作用——基本上是吞噬和被吞噬的关系……

黑洞进餐的同时,质量会因此增加,会产生一些影响(如吞噬速度变了一点)——这是以前被忽略的反馈响应。科学家刚刚意识到,这种反馈响应本质上和洗澡水打着旋流入下水道的过程是一样的。

所以观察洗澡水可以帮助我们研究对当前仪器还太过微妙,以至于无法探测到的黑洞现象。如上面提及的霍金辐射。

霍金辐射是一种理论上的黑体辐射,如果经过足够漫长的时间,黑洞最终会消失——前提是它没有得到物质补充——完全蒸发。

当然,如果我们能抓到一颗白矮星,用它来模拟黑洞——那感情好。问题是人类目前的文明等级还做不到这种事。所以洗澡水就很有用了。

黑洞的引力效果可以与排水口处的漩涡相提并论。将物质视为场中的涟漪,水本身代表时空,或者是具有量子活性的场。

当水打着漩从排水口消失时,测量到的波纹可与黑洞中能量波的逸散对应。

通过类似物对照,我们已经了解了黑洞对周围空间和物质的诸多影响。但是,在使用外部水泵保持系统背景稳定的情况下,尚不清楚黑洞类似物是否具有对应黑洞行为的波动反应。

最新的实验第一次指出,浴缸涡流真的可以揭示黑洞的效应。

英国诺丁汉大学的物理学家山姆·帕特里克(Sam Patrick)说:“我们已经证明,黑洞类似物,就像黑洞引力一样,是本质上的后反应系统。我们发现,在排水浴缸中移动的波浪将水推向塞孔,大大改变了排水速度,从而改变了模拟黑洞的有效引力。”

当波浪被送入系统并被推入排水管时,它们将多余的水推入系统,从而极大地加速了“吸积”过程,以至于即使用泵保持相同的水位,浴缸中的水位也会明显下降。

研究人员说,水位的这种变化对应于黑洞性质的变化。

这可能是非常有用的信息,部分原因是质量的增加会改变黑洞的重力强度——改变黑洞扭曲时空的方式以及黑洞对吸积盘的影响。此外,它提供了一种研究引力波如何影响黑洞动力学的新方法。

帕特里克说:“真正令我们感到震惊的是,反馈效应如此之大,足以使整个系统的水位明显下降!这真是出乎意料。我们的研究为未来的实验性探测铺平了道路。”

他们的研究已发表在《物理评论快报》上。

原文:https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-backreaction-has-been-seen-in-a-bathtub-analogue-of-a-black-hole

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