在家模拟黑洞，只需要一个浴缸

图片来源：The University of Nottingham

编译丨周郅璨

编辑丨杨心舟

与别的天体相比，黑洞显得十分特别，因为光或者其他任何物质都不能从其视界内逃离而被远处的观察者接收，这使得人们无法直接观察它，科学家们也只能对它的内部结构提出各种猜想，或是间接地获取其位置和质量等信息，比如通过观测恒星或者星际云气团的轨迹，观测物质被吸入前由于摩擦而放出的x射线和γ射线等。

你可能会认为，这些关于黑洞的研究都是那么的高大上，需要精密又复杂的仪器设备，但其实脑洞大开的科学家们有着许多的妙方，他们甚至可以在家里的浴缸里造出一个黑洞。而诺丁汉大学的研究团队就利用特制的水箱成功模拟了黑洞，并对其进行了深入的研究。

众所周知，物质之间的作用是相互的，这个规律对神秘莫测的黑洞同样适用。然而，目前的科技仍旧难以直接探测黑洞本身的性质，因此在关于黑洞的研究中，科学家们更倾向于关注黑洞对进入其中的物质的影响，而不是物质对黑洞的影响。

他们认为黑洞在吸入物质后会出现一种特有的微弱反馈反应，这被称为反反应（backreaction），但由于其相对较微弱，不易被观察，长期以来，这一反应都是被忽略的。而通过诺丁汉大学的科学家们精心打造的模拟黑洞，这种反反应终于能够首次被深入探索，相关的研究成果发表在《物理评论快报》（Physics Review Letter）上。

在过去的十几年里，利用模拟系统对黑洞进行实验分析越来越受欢迎。其中，重力模拟模型，特别是流体力学模型，此前已经多次被用于模拟黑洞周围场的变化。利用这种模拟的方法，能够仅使用较普通的仪器设备就完成与黑洞相关的一些复杂研究与探测。比如，在关于量子光学的模拟黑洞实验中观察到类似霍金辐射的效应，又或是近期的关于模拟白矮星核心压力的实验。

为了研究黑洞的反反应，诺丁汉大学的团队使用了一种全新的模拟方案。在之前的研究中所使用的流体动力学模拟模型是外部驱动的系统，其有效质量和角动量是由实验参数设定的，因此不会发生明显的内部反作用。

而诺丁汉大学的团队使用的是一个由排水涡流组成的水箱模拟器，像是同时打开了水龙头和排水口的浴缸，在水位相对不变的情况下，形成了一个稳定的旋涡。这就得到了一个黑洞的模型，离排水口近的水波将被卷入旋涡内，无法逃逸。

在实验中，研究人员将水泵入一个矩形的水箱中，并将水箱中心开孔，以排出液体，形成旋涡。水箱内液体高度的变化是通过激光束和高速照相机追踪确定的，控制泵入的水的流量和排水孔的大小，可以将水位保持恒定，并使涡流达到平衡。

之后他们使用一系列的电控活塞产生平面单色波，逐渐改变频率和振幅等参数，并监测水位的变化，来评估水波对旋涡的扰动作用。研究人员希望通过该模拟实验，来探究黑洞吸入物质时对自身造成的影响，也就是被预测存在的黑洞的反反应。

令他们惊讶的是，这次研究成功观察到了这种反反应，当水波被送入模拟黑洞时，黑洞本身的性质会发生显著变化。而且这种反应足够强，水箱中的水位甚至出现了肉眼可见的变化。简单来说，也就是当水波接近排水口时，它们会有效地将更多的水推向旋涡内，导致水箱中的水总量的减少，进而使水的高度发生变化。

诺丁汉大学数学科学学院博士后研究员山姆·帕特里克（Sam Patrick）博士解释说：“很长一段时间以来，人们都不清楚反反应是否会导致驱动流体流动的模拟系统发生可测量的变化。经过我们的实验，已经能够肯定这一变化的存在，模拟系统中的水波会将水推向排水口，从而显著改变排水速度和水位，这说明模拟黑洞的有效引力发生了变化。”

这一研究让科学家们能够更简单地探测波与时空之间的相互作用，例如，在实验室中观察黑洞蒸发。除此之外，这种方法也能够启迪更多的研究者。毕竟，用如此简单的设备就能完成黑洞的探索，那我们是不是也能赶紧去和自己家浴缸里的黑洞“聊聊天”？

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