[论文解读] Scattering of surface waves on an analogue black hole

Léo-Paul Euvé, Scott Robertson+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 14, 2018

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用 4

一句话总结

本研究通过在水槽中模拟跨临界流以实现类黑洞视界，实验展示了表面波的散射，观测到三种出射波——包括一种反常的反向传播波——其行为与非色散有效时空理论预测一致。两点相关函数揭示了视界诱导的峰，表明在经典流体动力学中可能存在霍金效应的类比。

ABSTRACT

We have realized a stationary transcritical flow of water in a flume that possesses the analogue of a black hole horizon for long-wavelength surface waves. The horizon has been probed via the scattering of an incident co-current wave, which partially scatters into counter-current waves on either side of the horizon, yielding three outgoing waves (of which one is anomalous) rather than two in the absence of transcriticality. The measured scattering coefficients are in good agreement with the predictions of the non-dispersive theory, where the kinematical description in terms of an effective spacetime metric is exact. We also show the emergence of characteristic peaks in the two-point correlation function of free surface deformations, one of which indicates the presence of a horizon and in quantum settings would be used to demonstrate the presence of the thermal analogue Hawking effect.

研究动机与目标

• 实现一种稳定的跨临界水流，以模拟长波表面波的类黑洞视界。
• 通过测量入射波和出射波模式，探测视界对波散射的影响。
• 在流体动力学系统中检验非色散有效时空理论的预测。
• 在表面形变的两点相关函数中识别视界物理的特征。

提出的方法

• 构建一个具有受控、稳定跨临界流的水槽，以产生具有视界的有效时空度规。
• 注入同向传播的表面波，并测量其在视界两侧散射为反向传播波的情况。
• 测量三种出射波模式的散射系数，其中一种为在非跨临界流中不存在的异常波。
• 计算自由表面形变的两点相关函数，以探测视界诱导的结构。
• 将实验测得的散射数据与相关峰，与非色散有效时空理论的预测进行比较。
• 基于有效度规的运动学分析，描述波在流场中的传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 与非跨临界流相比，类黑洞系统中跨临界流的波散射有何不同？
• RQ2 测量的散射系数在多大程度上符合非色散有效时空理论的预测？
• RQ3 是否能在表面形变的两点相关函数中检测到视界诱导的特征？
• RQ4 反常反向传播波在散射过程中起什么作用？
• RQ5 经典流体动力学相关性如何反映类霍金效应中视界的存在的影响？

主要发现

• 在散射过程中观测到三种出射波——两种同向传播，一种反常反向传播——表明存在跨临界性。
• 测量的散射系数与非色散有效时空理论的预测高度一致。
• 表面形变的两点相关函数中出现了特征峰，其中一个与视界相关。
• 相关函数中与视界相关的峰，类似于量子霍金效应中预期的热谱。
• 基于有效时空度规的运动学描述能准确描述该系统中波的传播。
• 异常波模式的存在证实了由于视界的存在，标准两波散射机制被破坏。