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圖片來源：The University of Nottingham

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編譯丨周郅璨

編輯丨楊心舟

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與別的天體相比，黑洞顯得十分特別，因為光或者其他任何物質(zhì)都不能從其視界內(nèi)逃離而被遠處的觀察者接收，這使得人們無法直接觀察它，科學家們也只能對它的內(nèi)部結構提出各種猜想，或是間接地獲取其位置和質(zhì)量等信息，比如通過觀測恒星或者星際云氣團的軌跡，觀測物質(zhì)被吸入前由于摩擦而放出的x射線和γ射線等。

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你可能會認為，這些關于黑洞的研究都是那么的高大上，需要精密又復雜的儀器設備，但其實腦洞大開的科學家們有著許多的妙方，他們甚至可以在家里的浴缸里造出一個黑洞。而諾丁漢大學的研究團隊就利用特制的水箱成功模擬了黑洞，并對其進行了深入的研究。

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眾所周知，物質(zhì)之間的作用是相互的，這個規(guī)律對神秘莫測的黑洞同樣適用。然而，目前的科技仍舊難以直接探測黑洞本身的性質(zhì)，因此在關于黑洞的研究中，科學家們更傾向于關注黑洞對進入其中的物質(zhì)的影響，而不是物質(zhì)對黑洞的影響。

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他們認為黑洞在吸入物質(zhì)后會出現(xiàn)一種特有的微弱反饋反應，這被稱為反反應（backreaction），但由于其相對較微弱，不易被觀察，長期以來，這一反應都是被忽略的。而通過諾丁漢大學的科學家們精心打造的模擬黑洞，這種反反應終于能夠首次被深入探索，相關的研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physics Review Letter）上。

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在過去的十幾年里，利用模擬系統(tǒng)對黑洞進行實驗分析越來越受歡迎。其中，重力模擬模型，特別是流體力學模型，此前已經(jīng)多次被用于模擬黑洞周圍場的變化。利用這種模擬的方法，能夠僅使用較普通的儀器設備就完成與黑洞相關的一些復雜研究與探測。比如，在關于量子光學的模擬黑洞實驗中觀察到類似霍金輻射的效應，又或是近期的關于模擬白矮星核心壓力的實驗。

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為了研究黑洞的反反應，諾丁漢大學的團隊使用了一種全新的模擬方案。在之前的研究中所使用的流體動力學模擬模型是外部驅(qū)動的系統(tǒng)，其有效質(zhì)量和角動量是由實驗參數(shù)設定的，因此不會發(fā)生明顯的內(nèi)部反作用。

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而諾丁漢大學的團隊使用的是一個由排水渦流組成的水箱模擬器，像是同時打開了水龍頭和排水口的浴缸，在水位相對不變的情況下，形成了一個穩(wěn)定的旋渦。這就得到了一個黑洞的模型，離排水口近的水波將被卷入旋渦內(nèi)，無法逃逸。

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在實驗中，研究人員將水泵入一個矩形的水箱中，并將水箱中心開孔，以排出液體，形成旋渦。水箱內(nèi)液體高度的變化是通過激光束和高速照相機追蹤確定的，控制泵入的水的流量和排水孔的大小，可以將水位保持恒定，并使渦流達到平衡。

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之后他們使用一系列的電控活塞產(chǎn)生平面單色波，逐漸改變頻率和振幅等參數(shù)，并監(jiān)測水位的變化，來評估水波對旋渦的擾動作用。研究人員希望通過該模擬實驗，來探究黑洞吸入物質(zhì)時對自身造成的影響，也就是被預測存在的黑洞的反反應。

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令他們驚訝的是，這次研究成功觀察到了這種反反應，當水波被送入模擬黑洞時，黑洞本身的性質(zhì)會發(fā)生顯著變化。而且這種反應足夠強，水箱中的水位甚至出現(xiàn)了肉眼可見的變化。簡單來說，也就是當水波接近排水口時，它們會有效地將更多的水推向旋渦內(nèi)，導致水箱中的水總量的減少，進而使水的高度發(fā)生變化。

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諾丁漢大學數(shù)學科學學院博士后研究員山姆·帕特里克（Sam Patrick）博士解釋說：“很長一段時間以來，人們都不清楚反反應是否會導致驅(qū)動流體流動的模擬系統(tǒng)發(fā)生可測量的變化。經(jīng)過我們的實驗，已經(jīng)能夠肯定這一變化的存在，模擬系統(tǒng)中的水波會將水推向排水口，從而顯著改變排水速度和水位，這說明模擬黑洞的有效引力發(fā)生了變化?！?/p>

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這一研究讓科學家們能夠更簡單地探測波與時空之間的相互作用，例如，在實驗室中觀察黑洞蒸發(fā)。除此之外，這種方法也能夠啟迪更多的研究者。畢竟，用如此簡單的設備就能完成黑洞的探索，那我們是不是也能趕緊去和自己家浴缸里的黑洞“聊聊天”？

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原文鏈接：

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

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.041105


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