又一個顛覆常識！粒子能完全靜止在旋轉時空中？

來自專欄博科園

當一巨大天體物理對象，如玻色星或黑洞旋轉時，它會使周圍的時空隨它旋轉，這是由於框架拖拽的影響。在一篇新的論文中，物理學家們已經證明，只要有一個具有正確性質的粒子，如果它佔據了一個「靜止軌道」，它就可以完全靜止在一個旋轉的時空中——這是一圈點，它位於旋轉時空中心的一個臨界距離。德國奧爾登堡大學(University of Oldenburg)的物理學家盧卡斯·g·卡洛德(Lucas G. Collodel)、伯克哈德·克萊豪斯(Burkhard Kleihaus)和朱達·昆茲(Jutta Kunz)發表了一篇論文，發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上提出了在旋轉空間中存在靜止軌道的理論。

當一個帶有一定角動量的粒子位於臨界距離rst時，它仍然處於靜止狀態，而時空在它周圍旋轉。一個粒子離這個臨界距離越近，它移動的越慢。圖片：Collodel et al. 2018 American Physical Society

該研究表現出極端的簡單性，這是一個長期被忽視的特徵，在某些太空時代，這是相當違反直覺的。廣義相對論已經存在了一百多年了，它從來沒有停止過，並且探索不同能量分布可以以一種非平凡的方式扭曲時空的幾何，這是加深理解的關鍵。在論文中，物理學家確定了一個粒子在旋轉時空中保持靜止的兩個標準。首先，粒子的角動量(基本上是它自己的旋轉)必須有正確的值，這樣它就能完美地抵消由於幀拖動而導致的旋轉。第二，粒子必須精確地定位在靜止軌道上，圍繞旋轉時空中心的環，粒子既不向中心移動，也不被推開。

關鍵的一點是，並非所有具有旋轉空間的天體物理對象都有靜態的軌道，這在將來可能有助於研究人員區分不同類型的天體物理對象。正如物理學家解釋的那樣，為了擁有一個靜止的軌道，一個旋轉的時空的度量(基本上是描述廣義相對論中的空間時間函數)必須有一個局部最小值，它對應於靜止軌道所在的臨界距離。從某種意義上說，一個粒子可能會被「困」在這個局部最小值中。物理學家們發現了一些有靜態軌道的天體物理物體，包括玻色子恆星(由玻色子構成的假想恆星，它們像黑洞一樣，有著巨大的引力，但不發光)、蟲洞和有毛的黑洞(有獨特性質的黑洞，比如額外的電荷)。

另一方面，Kerr黑洞(被認為是最常見的黑洞)沒有帶有局部最小值的指標，所以沒有靜態軌道。因此，靜態軌道的證據可以提供一種方法來區分克爾黑洞和一些不太常見的有靜態軌道的物體。可能是不可能指望一個粒子角動量與合適的存在在合適的地方以保持靜止在一個旋轉的時空，它可能仍然可以檢測靜態存在的軌道由於附近發生了什麼。最初在靜止軌道附近靜止的粒子被預測會比更遠的地方移動得更慢。

因此，即使研究人員從未觀察到一個靜止的粒子，他們也可以觀察到附近的緩慢移動的粒子，表明附近有一個靜止軌道。靜態環的存在有助於我們更好地了解計劃和期望從未來的觀察中得到什麼，例如可以搜索這個環，以確定可能的奇異物體，比如玻色星，甚至可以確信(觀察到環)，一個AGN（活動星系核）並不是由一個Kerr黑洞驅動的。在未來，計劃研究環的存在會如何影響吸積盤，在這個階段更容易觀察，如果它能保護一些物體不掉落物。

博科園-科學科普｜參考期刊：物理評論快報｜文：Lisa Zyga/Phys