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爱因斯坦方程新解:引力场也会像太阳磁场一样断裂重连?

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你可能也好奇过,太阳为什么会突然"发脾气"——耀斑爆发、日冕物质抛射,能量从哪来?答案之一是磁重联:磁力线在等离子体里被拉伸、扭曲,到了某个临界点突然断开、重新接上,把积攒的能量一次性放出来。


现在,有研究人员把目光投向了另一个基本力:引力会不会也玩这一套?

一项新的理论研究给出的推测是:会。而且这件事完全建立在爱因斯坦的广义相对论之上,不需要引入任何新物理。

先说说磁重联是怎么回事

在等离子体物理里,磁力线通常被"冻结"在等离子体中,随流体一起走。你可以把它们想象成一根根被拉长的橡皮筋:可以拉伸、可以拧成麻花,但正常情况下不会断。一旦这个"冻结"规则失效,磁力线就能断开、以新的方式重新连接,这个过程就是磁重联,太阳最剧烈的爆发活动背后就有它。

哥伦比亚大学天体物理学家卢卡·科米索(Luca Comisso)是这项新研究的第一作者。他在给媒体的邮件里说,在等离子体物理中,重联已经成为理解磁场如何重组、如何与物质交换能量的核心部分,于是他问了自己一个问题:引力会不会也有类似的事?

他自己也承认,这个想法乍看没什么道理。"引力和磁性描述的是自然界非常不同的方面,没有明显理由期待它们行为相似。"但他说,当把爱因斯坦方程写成一种特定的数学形式时,支配磁场的一些原理也会在引力中出现。他们想弄清楚的是:这种相似性能不能延伸到重联本身。

引力场也有"薄片"

科米索和智利阿道夫·伊瓦涅斯大学的物理学家费利佩·阿森霍(Felipe Asenjo)用了一套叫"四元标架表述"(tetrad formulation)的数学框架。按科米索的解释,爱因斯坦理论用时空几何描述引力,而在四元标架表述下,引力的某些方面可以用类似电场、磁场的量来表达。

在今年早些时候发表于《物理评论快报》的一项研究中,两人已经用这套框架处理过引力,并提出引力场可以形成二维结构,称为引力场薄片。薄片的两个维度,一个延展于空间,一个延展于时间——所以每一片其实是"一条线随时间走过留下的轨迹"。在任意时刻截一张快照,看到的就是一条线,类似画在磁铁周围的磁力线。而且就像冻结在等离子体里的磁力线一样,科米索说,在某些条件下这些薄片演化时不会断裂,连接方式也不改变。

但冻结规则不是铁律

新研究发表于10月28日的《物理评论D》,结论是:上面那种情况并非总是成立。科米索说,引力场薄片可以断裂,并以不同的排列重新连接,很像等离子体中的磁力线。

不过这里有个容易被跳过的细节:冻结规则被打破,本身并不等于重联。有时候薄片只是相对于携带它的流动发生了滑移,仍然完整,因为它冻结在另一套流动里。只有当不存在这样的替代流动时,才算真正的重联。

研究还推导出了描述重联发生快慢的方程,以及它如何影响能量和动量的转移。在广义相对论里,引力与物质可以交换能量和动量,守恒的只是两者的总和;这项研究显示,重联会改变这种交换的局部速率。重联还会改变"引力螺旋度"——它是磁力线扭曲、缠绕程度那个量在引力中的对应物。冻结的薄片螺旋度保持不变,而重联可以创造或销毁它。

科米索强调,这一切都从爱因斯坦的广义相对论推出。他的说法是:爱因斯坦一个多世纪前提出这套理论,它通过了数量惊人的实验检验,但即便过了一百多年,同样的方程里仍有新见解可以挖。

自然界里谁在触发它?还没有答案

什么能触发真实的引力重联,目前仍是开放问题。研究人员提出的候选场景包括:黑洞中心被认为存在的奇点、无数小到无法单独追踪的引力波涟漪的叠加效应,以及与霍金辐射相关的量子效应。

科米索说,他们还在起步阶段,但最有趣的可能性之一是,引力重联或许在极端事件中起作用,比如两个黑洞并合、中子星碰撞——那是引力极强、时空几何剧烈变化的环境。这类碰撞会发出引力波,LIGO(激光干涉引力波天文台)自2015年起就在记录它们。他说,他们想弄明白引力重联是否参与能量转移,是否会在引力波中留下可识别的印记。"我们还不知道答案,但这些问题现在可以开始研究了。"

所以,眼下能确定的是方程里多了一种可能性,不能确定的是宇宙有没有真的用它。太阳的磁重联我们看得见,引力的这一版,还等着被看见。

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