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圖片來(lái)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?yàn)楣饣蛘咂渌魏挝镔|(zhì)都不能從其視界內(nèi)逃離而被遠(yuǎn)處的觀察者接收，這使得人們無(wú)法直接觀察它，科學(xué)家們也只能對(duì)它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guò)觀測(cè)恒星或者星際云氣團(tuán)的軌跡，觀測(cè)物質(zhì)被吸入前由于摩擦而放出的x射線(xiàn)和γ射線(xiàn)等。

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你可能會(huì)認(rèn)為，這些關(guān)于黑洞的研究都是那么的高大上，需要精密又復(fù)雜的儀器設(shè)備，但其實(shí)腦洞大開(kāi)的科學(xué)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(gè)黑洞。而諾丁漢大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就利用特制的水箱成功模擬了黑洞，并對(duì)其進(jìn)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(gè)規(guī)律對(duì)神秘莫測(cè)的黑洞同樣適用。然而，目前的科技仍舊難以直接探測(cè)黑洞本身的性質(zhì)，因此在關(guān)于黑洞的研究中，科學(xué)家們更傾向于關(guān)注黑洞對(duì)進(jìn)入其中的物質(zhì)的影響，而不是物質(zhì)對(duì)黑洞的影響。

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他們認(rèn)為黑洞在吸入物質(zhì)后會(huì)出現(xiàn)一種特有的微弱反饋反應(yīng)，這被稱(chēng)為反反應(yīng)（backreaction），但由于其相對(duì)較微弱，不易被觀察，長(zhǎng)期以來(lái)，這一反應(yīng)都是被忽略的。而通過(guò)諾丁漢大學(xué)的科學(xué)家們精心打造的模擬黑洞，這種反反應(yīng)終于能夠首次被深入探索，相關(guān)的研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physics Review Letter）上。

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在過(guò)去的十幾年里，利用模擬系統(tǒng)對(duì)黑洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析越來(lái)越受歡迎。其中，重力模擬模型，特別是流體力學(xué)模型，此前已經(jīng)多次被用于模擬黑洞周?chē)鷪?chǎng)的變化。利用這種模擬的方法，能夠僅使用較普通的儀器設(shè)備就完成與黑洞相關(guān)的一些復(fù)雜研究與探測(cè)。比如，在關(guān)于量子光學(xué)的模擬黑洞實(shí)驗(yàn)中觀察到類(lèi)似霍金輻射的效應(yīng)，又或是近期的關(guān)于模擬白矮星核心壓力的實(shí)驗(yàn)。

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為了研究黑洞的反反應(yīng)，諾丁漢大學(xué)的團(tuán)隊(duì)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(dòng)力學(xué)模擬模型是外部驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，其有效質(zhì)量和角動(dòng)量是由實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定的，因此不會(huì)發(fā)生明顯的內(nèi)部反作用。

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而諾丁漢大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用的是一個(gè)由排水渦流組成的水箱模擬器，像是同時(shí)打開(kāi)了水龍頭和排水口的浴缸，在水位相對(duì)不變的情況下，形成了一個(gè)穩(wěn)定的旋渦。這就得到了一個(gè)黑洞的模型，離排水口近的水波將被卷入旋渦內(nèi)，無(wú)法逃逸。

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在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將水泵入一個(gè)矩形的水箱中，并將水箱中心開(kāi)孔，以排出液體，形成旋渦。水箱內(nèi)液體高度的變化是通過(guò)激光束和高速照相機(jī)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(dá)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(cè)水位的變化，來(lái)評(píng)估水波對(duì)旋渦的擾動(dòng)作用。研究人員希望通過(guò)該模擬實(shí)驗(yàn)，來(lái)探究黑洞吸入物質(zhì)時(shí)對(duì)自身造成的影響，也就是被預(yù)測(cè)存在的黑洞的反反應(yīng)。

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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(yīng)，當(dāng)水波被送入模擬黑洞時(shí)，黑洞本身的性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。而且這種反應(yīng)足夠強(qiáng)，水箱中的水位甚至出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的變化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，也就是當(dāng)水波接近排水口時(shí)，它們會(huì)有效地將更多的水推向旋渦內(nèi)，導(dǎo)致水箱中的水總量的減少，進(jìn)而使水的高度發(fā)生變化。

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諾丁漢大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院博士后研究員山姆·帕特里克（Sam Patrick）博士解釋說(shuō)：“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人們都不清楚反反應(yīng)是否會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的模擬系統(tǒng)發(fā)生可測(cè)量的變化。經(jīng)過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)能夠肯定這一變化的存在，模擬系統(tǒng)中的水波會(huì)將水推向排水口，從而顯著改變排水速度和水位，這說(shuō)明模擬黑洞的有效引力發(fā)生了變化。”

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這一研究讓科學(xué)家們能夠更簡(jiǎn)單地探測(cè)波與時(shí)空之間的相互作用，例如，在實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單的設(shè)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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