加拿大圓周研究所一項(xiàng)研究成果顯示，旋轉(zhuǎn)和翻滾狀態(tài)的引力場(chǎng)在黑洞周?chē)尸F(xiàn)。設(shè)想一下，在黑洞周?chē)囊?chǎng)自由飛翔，旅行者不忘系緊安全帶的交通規(guī)則，在黑洞引力場(chǎng)的奇異旅行顛簸而震蕩，前方是光明的，路徑確崎嶇不平。圓周研究所的科研人員相信，人們過(guò)去對(duì)引力場(chǎng)平坦而順滑的理解是錯(cuò)誤的，引力場(chǎng)呈現(xiàn)類(lèi)似激流的渦旋和翻滾，當(dāng)旅行者到達(dá)黑洞附近的區(qū)域時(shí)，將會(huì)遭遇越來(lái)越強(qiáng)烈的“引力漩渦”，引力行為好似涌動(dòng)的流體，而流體有一個(gè)鮮明的特征，水流在狂風(fēng)暴雨的推動(dòng)下形成波浪起伏的狀態(tài)，在惡劣的天氣條件下，流體失去了溫順而平坦的特性，水體不斷地翻涌、旋轉(zhuǎn)，黑洞附近的引力場(chǎng)好似暴風(fēng)驟雨的海洋。

圓周研究所的研究員路易斯·萊納解釋了靈感的來(lái)源，好似流體波動(dòng)的引力場(chǎng)表現(xiàn)了流體力學(xué)的特征，按照物理學(xué)全息理論的推斷，引力有場(chǎng)論的屬性，在高能物理學(xué)的領(lǐng)域，場(chǎng)論是用數(shù)學(xué)工具描述的一系列方程，使用一整套的數(shù)學(xué)工具描述流體行為，首先是將引力等同于場(chǎng)論，其次是將場(chǎng)論等同于流體，自然而然地推出引力等同于流體。引力等同于流體的特性被定義為“引力——流體二元性”或?qū)ΨQ(chēng)性，科學(xué)家確立了研究的線(xiàn)索，對(duì)引力——流體的二元性進(jìn)行了6年的研究，可以將引力渦旋視為翻轉(zhuǎn)起伏的流體，用數(shù)學(xué)方程描述引力的流體行為。一直以來(lái)，物理學(xué)界傳承了一個(gè)信條：引力場(chǎng)不會(huì)動(dòng)蕩不安，它不會(huì)成為危機(jī)四伏的發(fā)源地，引力的數(shù)學(xué)方程組也不同于流體力學(xué)的數(shù)學(xué)方程組，引力場(chǎng)在任何情形中不會(huì)出現(xiàn)瘋狂搖動(dòng)的情形。

怎樣克服引力——流體二元性和傳統(tǒng)物理信念的沖突？圓周研究所的萊納認(rèn)為，實(shí)際上用流體力學(xué)描述引力，在特定條件下會(huì)出現(xiàn)動(dòng)蕩不安的引力場(chǎng)，這是物理學(xué)領(lǐng)域新的現(xiàn)象，物理學(xué)家過(guò)去只關(guān)注平靜如水的引力場(chǎng)。路易斯·萊納和理論物理研究所、量子計(jì)算機(jī)研究所的楊歡、加拿大天體物理研究所的亞倫·齊默爾曼組成了一支科學(xué)團(tuán)隊(duì)，研討了引力——流體二元性的物理課題，他們選擇了快速旋轉(zhuǎn)的黑洞，這類(lèi)黑洞帶有流體動(dòng)力學(xué)的特征，與其它類(lèi)型的黑洞周?chē)鷷r(shí)空不同，快速旋轉(zhuǎn)黑洞的周?chē)鷷r(shí)空粘滯性較少，較低的粘度表明了更高的時(shí)空動(dòng)蕩，時(shí)空起伏性增大，好似純凈的水比糖漿更容易結(jié)成漩渦狀，沒(méi)雜質(zhì)的水流比含有粘性雜質(zhì)的水流更容易形成波浪的涌動(dòng)。

科學(xué)團(tuán)隊(duì)探討了黑洞非線(xiàn)性擾動(dòng)的情形，科學(xué)家過(guò)去很少在高度的細(xì)節(jié)上分析引力的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，而描述引力動(dòng)力學(xué)機(jī)制的數(shù)學(xué)方程極其復(fù)雜，物理學(xué)家從根本上認(rèn)定，引力場(chǎng)的顛簸動(dòng)蕩體現(xiàn)為非線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)團(tuán)隊(duì)使用了精確的非線(xiàn)性擾動(dòng)的分析方法，他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，黑洞周?chē)鷷r(shí)空的行為變得動(dòng)蕩不安。博士生研究員楊歡選擇了廣義相對(duì)論（GR）的課題，對(duì)非線(xiàn)性的計(jì)算結(jié)果感到十分驚訝，在這之前，他不相信在愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論描述的引力場(chǎng)中顯現(xiàn)波動(dòng)起伏的狀態(tài)，還沒(méi)有一位物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了波動(dòng)的引力場(chǎng)，以前的數(shù)字仿真模型沒(méi)有納入引力場(chǎng)波動(dòng)的因素，甚至在雙黑洞模型的建構(gòu)中也從未考慮到雙黑洞周?chē)?chǎng)的劇烈波動(dòng)，科學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)引力場(chǎng)的波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的精確研究。

過(guò)去幾年，萊納和科學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員一開(kāi)始也非常懷疑在黑洞周?chē)囊?chǎng)產(chǎn)生了波動(dòng)起伏的運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在有了很高的確信度，在黑洞周?chē)囊?chǎng)產(chǎn)生了波浪洶涌的變化。引力場(chǎng)的波動(dòng)性一直隱藏在科學(xué)家的視野之外，直到現(xiàn)在，引力場(chǎng)波動(dòng)才引起科學(xué)家的格外關(guān)注，原因之一是從數(shù)學(xué)上描述引力波動(dòng)非線(xiàn)性的困難性，科學(xué)家對(duì)引力波動(dòng)非線(xiàn)性的特性需要進(jìn)行深入的研究和分析?？茖W(xué)家在過(guò)去缺少足夠的動(dòng)機(jī)，未能深入研究引力波動(dòng)非線(xiàn)性的特征，現(xiàn)在，科學(xué)團(tuán)隊(duì)找到了研究引力非線(xiàn)性特征的機(jī)會(huì)和方法，經(jīng)過(guò)深入而細(xì)致的分析，在強(qiáng)烈動(dòng)機(jī)的支配下確立了研究目標(biāo)，好像發(fā)射的炮彈擊中了預(yù)定靶子。

在理論物理分析的基礎(chǔ)上建構(gòu)了引力的波動(dòng)理論，科學(xué)團(tuán)隊(duì)不會(huì)停留在理論層面的分析，他們考慮了下一代探測(cè)器的發(fā)射，在不久的將來(lái)，科學(xué)團(tuán)隊(duì)可能對(duì)理論建構(gòu)的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)?？梢詮拇蟮奈锢硎录?duì)引力場(chǎng)的“流體漣漪”進(jìn)行探測(cè)，好似探測(cè)兩個(gè)黑洞的碰撞，如果觀測(cè)到了引力波動(dòng)現(xiàn)象，那么引力波的“漣漪”可能與以前理論模型的預(yù)測(cè)有所不同?？茖W(xué)家對(duì)不同特征的探測(cè)有助于發(fā)現(xiàn)引力波，對(duì)引力波不同特征的探測(cè)有助于“順藤摸瓜”地找到了引力波動(dòng)性的直接證據(jù)。潛在的探測(cè)工具或有觀測(cè)效果的探測(cè)器包括了LIGO和LISA，科學(xué)家計(jì)劃建造未來(lái)的引力波探測(cè)儀器，未來(lái)的先進(jìn)探測(cè)器有助于檢測(cè)引力的波動(dòng)狀態(tài)。

引力波動(dòng)的檢測(cè)不會(huì)局限于黑洞天體活動(dòng)的領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用的探測(cè)活動(dòng)范圍令科學(xué)家興奮不已，引力波動(dòng)的檢測(cè)方式適用于地球的某些擾動(dòng)現(xiàn)象，在地球環(huán)境出現(xiàn)的擾動(dòng)現(xiàn)象涵蓋了很多方面，從氣候颶風(fēng)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了機(jī)翼末端。擾動(dòng)和波動(dòng)現(xiàn)象也發(fā)生在人們的日常生活之中，但到目前為止，科學(xué)家對(duì)擾動(dòng)的發(fā)生機(jī)制沒(méi)有取得徹底的認(rèn)識(shí)，經(jīng)典力學(xué)的擾動(dòng)和波動(dòng)現(xiàn)象仍然是一個(gè)懸而未決的難題。科學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究成果加強(qiáng)了一個(gè)觀點(diǎn)，即：引力有流體的特性，反過(guò)來(lái)也成立，流體有引力的波動(dòng)行為。在圓周理論物理研究所確立引力波動(dòng)的課題之前，麻省理工（MIT）的研究人員提出了引力波動(dòng)起伏的見(jiàn)解，在限定的條件下，引力的顛簸和非顛簸性依賴(lài)于在特定空間下引力的定義。

科學(xué)家在詳細(xì)研究擾動(dòng)的發(fā)生機(jī)制時(shí)遇到了“卡殼”，在過(guò)去的500年里沒(méi)能很好地認(rèn)知自然擾動(dòng)的現(xiàn)象。圓周研究所的科學(xué)團(tuán)隊(duì)有了一個(gè)良好的開(kāi)端，引力——流體一致性的概念豐富了引力物理學(xué)的內(nèi)容，在引力分析的數(shù)學(xué)工具和對(duì)引力直覺(jué)性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，科學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了創(chuàng)新的研究思路，重新調(diào)整了對(duì)擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析的視角，科學(xué)團(tuán)隊(duì)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)，在某個(gè)地方和某個(gè)階段的研究思路遇到了“卡殼”問(wèn)題，但他們應(yīng)用的方法很有意義，好似在黑暗的研究領(lǐng)域投射了一縷指引前方的燈光，他們對(duì)研究的價(jià)值感到滿(mǎn)意，研究成果只是階段性的突破，物理學(xué)界將會(huì)關(guān)注他們下一步的研究方向和研究成果。

（編譯：2014-6-11）