如何在實驗室里造一個黑洞

為了揭開量子宇宙之謎，科學家造了許多黑洞。

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黑洞是物理學家的寶：我們可以在它身上，看到許多奇特的物理現象，驗證許多物理學概念。但是目前，我們還沒有辦法對黑洞進行直接觀測。黑洞不產生任何輻射。它們既不發光，其本身也不釋放X射線。沒有這些媒介，望遠鏡無法工作。幸運的是，物理學家辦法很多，他們在實驗室里造出了形形色色的模擬黑洞，試圖通過間接的方法，揭開許多謎團。

Jeff Steinhauer是一位來自以色列理工學院物理系的學者。他宣稱用一個模擬的黑洞，確認了霍金輻射的存在。在霍金的預言中，黑洞能夠緩慢地產生輻射。而這種輻射，是由黑洞視界處正負粒子對的自發產生引起的。視界是一切——包括光線在內——都無法逃離的黑洞邊界。視界處自發產生的粒子對中，如果有一個被黑洞俘獲，那麼另一個就會被拋入太空。Steinhauer的實驗，首次向人們展示了視界處可能確實存在著某種符合霍金計算結果的自發性波動。

但該實驗的結果，是否足以證明宇宙中的黑洞會產生霍金輻射還是有疑問的。原因就在於，Steinhauer的黑洞並不是嚴格意義上的黑洞。我們無法製造出足以形成黑洞的強大引力場。在這個實驗中，Steinhauer用聲波替代了光。

「這些聲波，就像是在河中逆流而上的人，河水的流速遠高於人游泳的速度，」Steinhauer說。他的研究團隊把一團原子氣體雲冷卻到了接近絕對零度，製造出了一種所謂的「玻色-愛因斯坦」凝聚態物質。在把氣流加速到超音速後，人們便得到了一個聲波無法逃逸的系統。

Steinhauer的觀測結果，以論文的形式發表在了八月出版的《自然-物理學》雜誌上。他不但在實驗中對霍金輻射進行了研究，還觀測了墜入黑洞和未墜入黑洞的粒子間存在的「糾纏」特性。

模擬黑洞的概念，其實在1980年代就已經有了。當時是由William Unruh提出來的。但是直到2009年，人們才在實驗室中造出實體。科學家的目的，大多是想用這種方法來觀測霍金輻射。Steinhauer也是如此，他有幸成為第一位成功者。而事實上，他設計的這個模擬黑洞，在科研中有廣泛的使用價值。許多科學家相信，通過這種方式，人們或許能夠更加有信心地去面對當今物理學中的最大難題——如何將不相容的引力理論和量子力學結合起來。

要模擬一個黑洞，可以有各種方法。但它們的原理是相似的：要有一個臨界點，能夠用來對應黑洞的視界；要有某種振蕩，能夠用來對應光。

玻璃

2010年，一些來自米蘭大學的物理學家，用強烈的激光脈衝照射二氧化硅玻璃，製造出了一個模擬黑洞。他們還在這個「黑洞」身上觀測到了霍金輻射。

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這些科學家先是朝著二氧化硅玻璃內部發射了一個激光脈衝，該脈衝的強度足以改變玻璃的折射率。隨後他們發射第二個。由於折射率已經被改變，因此第二個脈衝在玻璃內的傳播速度會變慢，且最終停滯。通過這樣的方法，他們造出了一個光線無法穿透的「視界」。

偏振子

2015年，一個由Hai Son Nguyen領導的科研團隊，向人們展示了一種利用偏振原理製造出來的聲波黑洞。偏振子是一種名為「准粒子」物質的奇特狀態，它們由光子和被光激發的物質混合而成。該裝置的主體部分是一個用砷化鎵製成的微型空腔。空腔上有一個缺口。聚集於空腔內部的激光一旦擊中腔體，便會在缺口處產生偏振子。缺口處的激發粒子運動速度一旦超過音速，就會形成一個聲波無法逃逸的視界。

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該團隊到目前為止，還沒能在這個實驗中觀察到霍金輻射。但學者們相信，在未來的實驗中，可以通過測量粒子流密度的變化，來感知逃離粒子帶來的波動。如果把偏振子冷卻到「玻色-愛因斯坦」凝聚態，人們還可以用它來模擬蟲洞。

水

洗澡的時候，在我們的趾間流入排水口的水，竟然與黑洞有著某些相似之處。諾丁漢大學的Silke Weinfurtner博士製造了一個可被稱為「浴缸旋渦」的模擬黑洞。這是一個2000升的方形水槽，中心有一個傾斜的漏斗。水從水槽頂部和底部注入。水一旦抵達漏斗處，便會在角動量的作用下形成一個旋渦。在這個「黑洞」身上，與光線對應的，是水面的漣漪；如果我們往水流中扔一個石子，離旋渦越近的漣漪就越難擴散。因此存在著這麼一個臨界點，能夠讓漣漪無法擴散——這個臨界點，就是它的視界。該實驗對模擬自旋黑洞附近的奇特物理現象尤其擅長，而這正是Weinfurtner研究的課題。

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Weinfurtner的麻煩在於，這個黑洞不具量子特點；一切都存在於常規狀態下，因此我們只能從它身上觀察到經典力學現象。「這不是一個純凈的系統，」她說。「但我們可以隨意擺弄它，它經得起折騰。相信同樣的現象也會發生在天體物理學裡。」

本文作者為自由科學撰稿人Claudia Geib，由老孫翻譯。

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