浴缸排水竟然和黑洞吸積遵循同一套動力學機制

我們都知道,雖然世界萬物紛繁複雜,但很多看起來風馬牛不相及——它們彼此之間往往存在著巨大的規格或質量、乃至是抽象和具象之間的差異——的現象背後,卻遵循同一套數學機制。比如說,準晶體和天文曆法的背後,可以看到擬週期的概念;熱傳導和簡易投機市場裡金錢的流動遵循同一組偏微分方程……

大自然的這一特性,讓我們有機會去研究那些本來無法被觸及乃至觀察的物件——如黑洞。

之前,我們就藉助光纖和玻色-愛因斯坦凝聚物來了解有關霍金輻射的特性。我們現在又發現,某個最常見的現象竟然也與黑洞共享一套機制:開啟浴缸塞排水時產生的渦流。

黑洞本身不可見,但是它會與周邊的物質相互作用——基本上是吞噬和被吞噬的關係……

黑洞進餐的同時,質量會因此增加,會產生一些影響(如吞噬速度變了一點)——這是以前被忽略的反饋響應。科學家剛剛意識到,這種反饋響應本質上和洗澡水打著旋流入下水道的過程是一樣的。

所以觀察洗澡水可以幫助我們研究對當前儀器還太過微妙,以至於無法探測到的黑洞現象。如上面提及的霍金輻射。

霍金輻射是一種理論上的黑體輻射,如果經過足夠漫長的時間,黑洞最終會消失——前提是它沒有得到物質補充——完全蒸發。

當然,如果我們能抓到一顆白矮星,用它來模擬黑洞——那感情好。問題是人類目前的文明等級還做不到這種事。所以洗澡水就很有用了。

黑洞的引力效果可以與排水口處的漩渦相提並論。將物質視為場中的漣漪,水本身代表時空,或者是具有量子活性的場。

當水打著漩從排水口消失時,測量到的波紋可與黑洞中能量波的逸散對應。

透過類似物對照,我們已經瞭解了黑洞對周圍空間和物質的諸多影響。但是,在使用外部水泵保持系統背景穩定的情況下,尚不清楚黑洞類似物是否具有對應黑洞行為的波動反應。

最新的實驗第一次指出,浴缸渦流真的可以揭示黑洞的效應。

英國諾丁漢大學的物理學家山姆·帕特里克(Sam Patrick)說:“我們已經證明,黑洞類似物,就像黑洞引力一樣,是本質上的後反應系統。我們發現,在排水浴缸中移動的波浪將水推向塞孔,大大改變了排水速度,從而改變了模擬黑洞的有效引力。”

當波浪被送入系統並被推入排水管時,它們將多餘的水推入系統,從而極大地加速了“吸積”過程,以至於即使用泵保持相同的水位,浴缸中的水位也會明顯下降。

研究人員說,水位的這種變化對應於黑洞性質的變化。

這可能是非常有用的資訊,部分原因是質量的增加會改變黑洞的重力強度——改變黑洞扭曲時空的方式以及黑洞對吸積盤的影響。此外,它提供了一種研究引力波如何影響黑洞動力學的新方法。

帕特里克說:“真正令我們感到震驚的是,反饋效應如此之大,足以使整個系統的水位明顯下降!這真是出乎意料。我們的研究為未來的實驗性探測鋪平了道路。”

他們的研究已發表在《物理評論快報》上。

浴缸排水竟然和黑洞吸積遵循同一套動力學機制