黑洞惊喜新发现

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研究人员利用流体动力学和引力相关理论进行模拟后得出结论——“喂养”正在成长过程中的黑洞,将会使其形成分形表面。

麻省理工学院研究人员艾伦•亚当斯表示:“我们发现,如果向黑洞内部填充物质,黑洞表面会变得像液体。某些特定情况下,还会形成湍流。准确来讲,其实是视野本身变成了分形。”

所谓分形,是具备自相似图案的数学集合:放大分形的一个局部,看起来会和原来的图像基本一致,比如曼德勃罗特集合。自然界中,具备分形几何特征的物体比比皆是,从云朵到英格兰海岸,都是实例。

亚当斯和其同事在一个令人意想不到的地方发现分形行为,即前文提到的黑洞。黑洞依靠吞噬落入其中物质“成长”;位于我们星系中心的黑洞将在今年年底“享用”一个气体云。但填充物质后的黑洞成长的具体细节和可能对宿主星系产生的影响,仍是不解之谜。

为了研究黑洞在“用餐”时的外观形态,亚当斯利用了爱因斯坦广义相对论方程和流体动力学的数学对偶性。2007年,物理学家证实,爱因斯坦的方程描述了液体和黑洞间的相互转化关系。研究这类数学“游戏”使学界对液体和黑洞系统都有了更为深入的认识——如果特定行为在一个制度系统下更简单,那么它将在另一个体系下事物如何运转的研究方面给物理学家以启示。

湍流现象在流体动力学中十分常见,从牛奶在咖啡中的运动到空气在飞机机翼周围的运动,这都是液体流动的一种。亚当斯表示:“我们比较了液体和黑洞之间的相似之处,了解到如果液体满足了一些条件,就会出现湍流。但我们并不清楚黑洞产生湍流的条件。”

哈佛大学博士后Paul Chesler带领的团队使用超级计算机建立了湍流液体系统模型。他们模拟黑洞体系,并令其自主发展。经过一段时间后,黑洞的外观似乎已经形成了无限区域。

亚当斯表示:“这具备了分形的特征。”黑洞的无限有点像英格兰海岸线表现出的无限长度特征——尽管不断放大,所看到的细节还是和之前一样,即局部和整体具有相似性。

哈佛研究团队简化了模型的部分方面,使得模拟过程更加容易进行,但对真实黑洞的还原度如何仍是未知数。如果真实黑洞确实像模拟中一样表现出分形特征,应该可以从它们发射的引力波中分析出来。

加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的路易斯•莱纳表示:“从很多方面来评价,这一工作都具备非凡的意义。第一次有研究团体揭示了黑洞存在湍流现象。它打开了许多有意思的大门,我们将了解事物发展的真正机理。”

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