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黑洞与气泡的神奇关联

2020-09-10 06:56

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

利维坦按：

单用直觉去判断，水滴的断裂和气泡的断裂似乎就会有相似点，而科学家也从某种程度上证明了这一点，即水滴与气泡的普适性。

但科学家显然不会满足于此，他们把目光投向了天外宇宙。如果真的能在气泡的断裂与黑弦（更高维度观察下的黑洞，详见下文）的演变机制中观察到普适性，其价值是显而易见的——科学家因此或许就能避开量子引力等一系列高深的概念，通过研究日常可见的水滴来研究黑洞。

人们曾经认为，所有水滴的形成过程都是一样的。© Alpha Coders

每当水珠从水龙头上滴落时，大自然都表演了一个魔术戏法。水滴一分为二的过程需要穿过一个奇点——所谓奇点，就是物理量突然趋向无限，令人摸不着头脑的点。

随着连接两枚水滴的“颈部”逐渐变细直至消失，液体的压力和速度也一路飙升到无限，就好像它们被0除了一样。在这里，用以描述流体的方程遭遇了一次数学意义上的爆炸。只有在突如其来的断裂出现后，秩序才会归来。

多年以前，研究这个现象的物理学家意识到这个混乱、狂暴的过程带来了一种潜藏的规律：这个世界上所有水滴的颈部形状都是有限几类中的一种。像引力、水龙头款式、厨房通风性能这样的因素会影响滴水过程的开端，但最终起作用的是表面张力的压缩与颈部惯性阻力之间的直接斗争。“水滴一分为二的过程看上去都一样，”芝加哥大学物理学家西德尼·内格尔（Sidney Nagel）写道，“哪怕这枚水滴是密歇根湖湖畔卷向天空的波涛形成的。”

（www.jstor.org/stable/1344259?read-now=1&seq=5#metadata_info_tab_contents）

这幅图中下坠水滴的播放速度是每秒10000帧。宇宙中每枚水滴（普适类相同）的颈部形状都具有相同的特征型。© Ital Cohen Group at Cornell

水滴是“普适性”的一个重要例子。所谓普适性，就是指那些即便在不同物质、不同环境条件下，也会反复以相同的形式出现的事件。普适性具有可预测性，我们可以利用这点解释那些变化多端、混乱无章的系统在大尺度下的行为，比如开裂的表面——作为第一原理的数学模型并不总能把这些系统分析透彻。

（www.nature.com/articles/srep43400）

有了这种普适性，研究人员不用考虑分子层面或原子层面的重要性质也能描述此类事件了。“普适性是一个可以应用在各个方面的概念，能帮助我们简化复杂系统，”埃默里大学软物质物理学家贾斯丁·伯顿（Justin Burton）说。

最近的一项研究在一个新系统中认证了普适性：狭窄试管中的气泡。这个成果多少有些令人意外，因为从历史角度上说，物理学家能从气泡这种系统中学到的往往是普适性的诸多限制。而现在，研究人员掌握了一种“开关”普适性的方法。

（www.pnas.org/content/116/28/13780.short）

我们的最终目标是要通过在像气泡这样相对直接的系统中研究奇点和普适性，以深入理解宇宙中那些不太好观察的角落里究竟发生了什么。“水滴和气泡，都是我们在日常生活中常见的东西，”这项工作的参与者之一、普林斯顿大学机械工程师阿米尔·帕拉万（Amir Pahlavan）说，“而黑洞，观测研究起来就要困难多了。”

普适性的终结

由物理学家莱奥·卡丹诺夫（Leo Kadanoff）领衔的研究普适性的早期先驱们发现，各类差异极大的系统（比如崩塌中的沙堆和磁化中的金属）都可以在多种尺度上运作。处于临界点时，大小尺度崩溃会一起发生。“大尺度只与大尺度相伴，小尺度只与小尺度相伴”的趋势逐渐减弱，某一尺度层级上的效应也会顺畅地传递给下一层。

部分受到了卡丹诺夫工作的启发，20世纪90年代初的物理学家们先是从理论上，后又从实验上证明了水滴的形成是一种普适性现象。

多年以来，研究人员一直认为只有分子层面的理论才能全面描述水滴一分为二的过程，毕竟对平滑流体的描述，也就是我们熟知的纳维-斯托克斯方程，在压力和速度激增时就失效了。然而，因为普适性保证了水滴断裂前后的形状始终一致，布里斯托尔大学的物理学家和数学家延斯·艾格斯（Jens Eggers）找到了一个把流体数学延伸到奇点之外，并且忽视分子本身的方法。

科学家发现了一个神秘的模式，它可以通过某种方式把墨西哥公交车系统和母鸡眼睛同量子物理学与数论联系在一起。© Emily Driscoll for Quanta Magazine

这些进展催生了大量研究，物理学家开始设定不同数量、浓度的液体开展实验。不断调整设定值，他们就能研究流体力学未能解释的部分，还能通过获取不同的“普适性类”探索普适性的极限——每个普适性类都由自己的特征数字定义。

一大惊喜在内格尔和他的同事于芝加哥逆向开展水滴实验时出现了。他们把在空气中掉落的水滴换成了从液体中腾起的气泡。

阿米尔·帕拉万发现，普适性以一种研究人员此前排除了的方式适用于气泡。© Tony Pulsone, MIT

以从逐渐变细的水滴中收获的灵感为指导，这个项目的开始阶段是研究生努力从每个角度拍摄气泡的断裂过程，目的是寻找所有气泡上升事件都会产生相同结果的普适性方式。然而，气泡的每一次断裂看上去都不一样，因为最初在周围液体和中心气流中产生的涟漪会一直持续到奇点出现并且打破颈部的理想对称性。

最后，这个团队不得不做出总结：气泡的断裂过程并不是普适的。与水滴不同，最后生成的气泡的形状仍旧保有关于其诞生环境的“记忆”。扩展普适性的努力被一团空气阻挡。“如果你相信的是实验结果，而不是别人告诉你的东西，”内格尔说，“那你就会看到大自然还有别的计划。”

最新的研究则展示了一种把普适性带回气泡的方法。这项工作开始的时候，帕拉万——当时他是麻省理工学院鲁本·胡安尼斯实验室的成员——正在开展一个需要在直径不足1毫米的试管中推动空气的项目。他注意到，描述气泡的方程表明，当气泡接近断裂的时候，它的颈部应该会经历两种不同的相。一种相就和这个芝加哥团队早期工作中看到的一样，而另一种相则是全新的。

帕拉万在极低速镜头观察气泡断裂时，发现在断裂前1秒，气泡颈部的形状是自相似的：放大了部分曲线后，他发现新曲线经过拉伸看上去就和大尺度上的原曲线一模一样了。（与分形类似的自相似是普适系统的普遍特征，因为这与系统缺乏特定尺度的要求相关。）不过，在断裂前1毫秒，把近距离观察到的曲线映射到原初曲线所需的延伸类型发生了改变——这表明水滴颈部已经切换到了另一种自相似的状态了。

直径小于1毫米的试管中的气泡并没有保留导致断裂的细节“记忆”。© Amir Pahlavan

这个新的第一阶段具有普适性，消除了系统中对喷嘴大小这样的细节的“记忆”。第二阶段与芝加哥团队得到的结果吻合，也就是不具有普适性，但是等到第二阶段出现的时候，气泡已经没有任何细节的记忆了，因此，这个系统的整体表现还是具有普适性。

帕拉万对这个气泡实验做了十几个方面的调整，改变了试管的大小和液体的粘稠度，但每一次改变的每一次断裂仍旧出现了相同的结果。

这项新工作证明系统的普适性是可以开关的，并且把它们固定在容器内就是实现这种开关的一种方式。“这篇论文很好地展示了一种通过施加某些限制恢复普适性的方法，”伯顿说。

“奇点的形成很有意思，因为你在这个过程中寻找的是普适类，而讨论的是那些对初始细节不敏感的东西，”帕拉万说，“因此，它们应该会比你正在研究的问题更加一般。”

这就意味着，我们可以应用它们来更好地理解黑洞的性质。

宇宙奇点

无论你怎么努力，都不可能把我们这个宇宙中的黑洞一分为二。不过，在高维领域做研究的理论学家发现，黑洞这个天体在五维及更高维度上的表亲——因为在额外的维度中它们看上去呈圆柱形，因而叫作“黑弦”——会度过更加动荡不安的一生。

这些神秘的天体会坍缩并一分为二吗？五维条件下的广义相对论太过困难，无法精确解答，但在2010年，物理学家路易斯·雷纳（Louis Lehner）和弗兰兹·比勒托利乌斯（Franz Pretorius）利用一种计算机模型计算了黑弦的命运。

（arxiv.org/abs/1006.5960）

这个模拟产生了一个熟悉得令人惊讶的视频，比勒托利乌斯说，画面内容看上去就像一股液流断裂成滴一样：先是形成较大的液珠，液珠后的液流因此变细并鼓胀出较小的液珠，而较小的液珠后面又接着更细的液流，以此类推。液体行为表明这些黑弦最终会断裂成球形黑洞液滴。然而，由于缺乏量子引力微粒理论，这个模拟在接近断裂点的时候崩溃了。

目前尚未证明黑弦的断裂过程具备普适性（尽管比勒托利乌斯说模拟过程中的诸多迹象表明它应该具有普适性），但他推测，如果这个过程具备普适性，那么理论学家或许就能忽略引力的量子细节，就像物理学家成功地避开了液滴形成的分子细节一样。“我们也许可以纯粹从经典广义相对论的角度理解断裂前后的事件，”他说。

比勒托利乌斯还表示，当液滴颈部逐步接近断裂点的时候，这些理论天体甚至可能产生一些有关量子引力本身的有趣内容。

除了理论上的黑弦，宇宙中还充斥着会经历奇点断裂的实体。当一团自转气体星云逐渐一分为二时就可以形成双星，而核裂变过程中的原子分裂其实也可以当作液体来看待。驱动这些事件的力量各不相同，因而它们的数学描述也各种各样，并且，正如芝加哥团队告诉我们的那样，并非所有奇点都具备普适性。不过，通过研究液滴和气泡，物理学家已经建立了一套解决问题的通用策略工具包，这有助于他们处理各类奇点。

继续从这些可以在实验室中观察到的奇点中汲取灵感，我们就能不断拓展这些技巧。“从大爆炸——这可以算是最原始的奇点——到气泡的断裂，这些事件无时无刻不在宇宙各处涌现，”伯顿说，“理解它们背后的基本物理原理真的是一项很重要的挑战。”

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文/Charlie Wood

译/乔琦

校对/斩光

原文/www.quantamagazine.org/bubble-experiment-finds-universal-laws-20190731/

本文基于创作共同协议（BY-NC），由苦山在利维坦发布

文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场