模擬引力：實驗室中的終極理論之夢

　　

　　相對論和量子力學理論是現代物理的基石。它們均誕生於20世紀的前30年，從根本上改變了人類對世界的認識。但遺憾的是，廣義相對論和量子力學仍然不能融洽相處。因此，建立量子引力理論，把廣義相對論和量子力學統一在一個理論框架內，是物理學家的一直以來的夢想。

　　霍金輻射或許能為理解量子引力提供啟發。一直以來人們都認為物質落入黑洞是只進不出的單向旅程，甚至連光也不能逃脫。1974年，霍金將量子力學應用到黑洞視界附近，提出假說：黑洞也會釋放輻射，這就是著名的霍金輻射。

　　由於量子效應，真空會不斷產生虛粒子對，這些虛粒子對一般很快湮滅消失。但在黑洞視界附近存在特殊情況：其中一個粒子可能落入黑洞，而另一個僥倖逃脫。對視界外的觀察者來說，黑洞在發出霍金輻射。

　　驗證霍金輻射必將大大加深物理學家對於時空本性的理解。「如果霍金輻射被觀察到，我認為最直接的後果就是霍金拿到諾貝爾物理學獎。」中科院高能所研究員張雙南這樣告訴《環球科學》。

　　追尋微弱的輻射

　　尋找霍金輻射的證據是黑洞研究長久以來的一個課題。然而，運用天體物理的方法直接觀測霍金輻射的可能性微乎其微。

　　根據霍金理論，霍金輻射與黑洞質量成反比。一個太陽質量的黑洞，所釋放的霍金輻射的溫度低於千分之一開爾文，而宇宙微波背景輻射約為3開爾文。所以霍金輻射會湮沒在宇宙微波背景輻射的「光輝」之中。實現觀測比在白天看星星還要困難。

　　不過，宇宙形成之初可能留下了微型黑洞，它們的霍金輻射溫度高於宇宙微波背景輻射。如果這些微型黑洞的質量在1015克量級以上，它們今天仍有可能存在於銀河系附近。這些黑洞通過霍金輻射在最後一刻可能產生伽瑪射線爆發，或許能被伽瑪射線探測器觀測到。但這些黑洞非常小，只能產生極少的霍金輻射，同樣難以觀測。

　　目前，探測黑洞霍金輻射的所有嘗試都沒有給出肯定的結果。對於能否觀察到霍金輻射，一些物理學家持悲觀態度。或許宇宙大爆炸時沒有產生這麼多的微型黑洞，霍金的理論也可能存在問題。比如張雙南和他的學生楊榮佳曾經發表修改霍金輻射的理論，提出黑洞的霍金輻射進行到最後也許不會產生伽瑪射線爆發，而是形成穩定的粒子，而這種粒子則可能就是暗物質。如果真的是這樣，就無法觀測到天體物理黑洞的霍金輻射了。

　　2016年8月，《自然-物理學》（nature physics）上的一篇論文引發了科學界的廣泛關注，國內外媒體也進行了大量報道。論文的唯一作者、以色列理工學院物理教授 Jeff Steinhauer 稱，他從實驗室一個由玻色-愛因斯坦凝聚態創造的「聲學黑洞」中觀察到了霍金輻射。

　　然而事情很快出現轉折。以色列威茲曼科學院教授 Ulf Leonhardt 在 arXiv 上發表論文質疑 Steinhauer 的結果。他向《環球科學》表示，Steinhauer 雖然曾在實驗上取得過很大成就，但這次的實驗不足以證明他觀察到了霍金輻射。Leonhardt 已經他的將論文投至《自然-物理學》。那麼 Steinhauer 到底觀察到霍金輻射了嗎？

　　類比思想開啟新的領域

　　探索未知的道路總是充滿荊棘，而一些物理學家另闢蹊徑，運用物理學中最重要的方法——類比，試圖從類似的現象中尋找啟發。研究基礎物理，除了利用超級對撞機、大型望遠鏡，也可以在小小的實驗室中進行。

　　William Unruh 是加拿大英屬哥倫比亞大學物理教授，曾提出「Unruh 效應」。他對《環球科學》回憶起「聲學黑洞」思想的形成。1972年，現代宇宙學之父、霍金的導師 Denis Sciama 邀請 Unruh 到牛津大學做了關於黑洞的學術討論會，Unruh 使用了更加直觀的方法描述黑洞，利用聲音的類比描述黑洞。後來在教授流體力學課程時，他再一次想到這個類比，於是進行了詳細的計算，發現結果遠比他想像的更好。

　　Unruh 對《環球科學》解釋說，我們可以將黑洞想像成一個瀑布，瀑布的小魚可以代表聲速。當水的流速超過小魚逆流遊動的速度，小魚最終會落入瀑布中，類似物質落入黑洞中。

　　1981年，Unruh 發表論文，進一步提出運動流體中的聲波可以類比彎曲時空中的光子。這個「聲音視界」在很多方面都類似黑洞對光的視界，而且描述這兩種現象的數學幾乎是一樣的，只不過描述對象一個是聲一個是光（或者其他量子場）。

　　在天體物理的黑洞中，光線無法逃脫；而在聲學黑洞中，聲音無法逃脫。掉進聲學黑洞會發生什麼？那就是無論你怎麼大聲呼救，外邊的人都聽不到你。聲學黑洞就像個不會說話的「啞巴」，所以也被稱作「啞洞」（dumb hole）。

　　Unruh 的論文在許多年內都沒有引起人們的注意。然而大約十年後，馬里蘭大學學院市分校的Ted Jacobson 根據 Unruh 的類比思想發表了一篇關於跨普朗克尺度物理（trans-Planckian）文章，Unruh 的開創性論文由此收穫大量引用，使得一個領域蓬勃發展起來，這個領域就是模擬引力（analogue gravity）。

　　霍金輻射的普適性

　　模擬引力是在非時空背景（主要在凝聚態系統）中研究廣義相對論以及量子引力的方法。經過二十多年的發展，物理學家已經嘗試在各種各樣的系統中模擬引力，包括水波、玻色-愛因斯坦凝聚態、光學系統、極化激元（polariton）等。而 Steinhauer 也並不是第一個聲稱利用模擬系統觀察到霍金輻射的人。Silke Weinfurtner、Daniele Faccio 等人也曾報告觀察到霍金輻射。

　　Germain Rousseaux 是法國國家科學研究中心（CNRS）的科學家。他和同事最早進行了水波模擬引力的實驗。水中的聲速大概是1500m/s，如果用這個聲波模擬視界，就需要水流的速度超過水中的聲速。這會大大增加實驗的難度，而且可能產生激波破壞模擬過程。研究者在流動的水中設置障礙物，並對錶面波進行調節，在表面波速度等於水流速度的地方，相當於黑洞視界的模擬。水波實驗看似簡單，但也並非易事。霍金輻射是線性過程，但水中存在諸如湍流等非線性因素，都會大大幹擾實驗的結果。設計水中的障礙物也是一個難點。

　　Rousseaux 告訴《環球科學》：「水波的實驗在不斷改進。2008年的時候，我和同事在尼斯第一次嘗試用水波模擬黑洞，觀察到霍金輻射的跡象。但實驗存在缺點，一些現象沒有得到充分理解，我們未能得出決定性的結論。2011年，Weinfurtner 和 Unruh 在溫哥華改進了我們的實驗，發現了新的現象，但結果存在一定爭議。2016年，我們在普瓦捷對實驗又做了改進，觀察到新的霍金輻射跡象，結果發表在了今年9月份的《物理評論快報》（PRL）上。」

　　Silke Weinfurtner 是英國諾丁漢大學的物理學家，她從事引力理論和實驗工作，也曾和 Unruh 合作過文章。她仍在繼續改進水波的實驗，希望今年能發表新的實驗結果。Weinfurtner 說，「水波實驗不能模擬出視界的所有特徵，但可以模擬黑洞周圍的微小激發。我們已經在各種各樣的媒介中觀察到霍金輻射的跡象，這顯示出霍金輻射的普適性（universal）。描述霍金輻射並不需要完整的量子引力理論。」

　　水波實驗在模擬引力中也存在一定局限。比如水波不能模擬粒子對的量子糾纏，因此不能探索量子霍金輻射。「量子霍金輻射只能在量子系統中觀察，比如玻色-愛因斯坦凝聚態（超流體），」 Weinfurtner 對《環球科學》解釋道，「這就是為什麼 Steinhauer 的實驗非常有必要並且有趣的原因。但是他的實驗還需要更多實驗以及不同模擬系統的實驗進一步確認。」

　　用超流體創造黑洞

　　在有關霍金輻射的論文發表前，Steinhauer 已經對模擬黑洞進行了多年的探索。2009年，他和同事首次用玻色-愛因斯坦凝聚態在實驗室中創造出聲學黑洞，被認為是該領域的一大突破。此後，Steinhauer 獨自一人繼續從事相關的研究，並發表了一系列論文。

　　玻色-愛因斯坦凝聚態是一種溫度極低的流體——超流體。與普通的流體不同，它不會產生阻力。Steinhauer 讓玻色-愛因斯坦凝聚態像小河一樣流動，使其流動速度超過聲速，這就在模擬黑洞的視界。天體黑洞的霍金輻射，涉及的粒子是光子對；而在玻色-愛因斯坦凝聚態中，物理學家觀察的是聲子對。

　　對於黑洞模擬，玻色-愛因斯坦凝聚態具有獨特的優點。首先，這一系統可以排除其他聲波對觀測霍金輻射的干擾。Steinhauer 介紹說，玻色-愛因斯坦凝聚態接近絕對零度。在溫暖的物體中，熱量會自發地產生聲波，干擾觀測；而他製備的玻色-愛因斯坦凝聚態除了霍金輻射的聲波，不會產生其他聲波。其次，聲音在超流體中的運動速度本就很慢，這也是這個系統的一個優勢。另外，這個玻色-愛因斯坦凝聚態大約幾百微米長，幾微米寬，它相當於一個「一維的黑洞」，一維的系統可以有效地抑制量子化漩渦的產生。

　　Steinhauer 說，他在聲學黑洞實驗中不僅觀察到霍金輻射，也看到了黑洞內部和外部、觀察到粒子的糾纏。這對於研究諸如「信息悖論」之類的問題也很重要，例如，如果把信息扔到黑洞里會發生什麼？信息是消失了，還是以某種方式保存下來？

　　頭條新聞的爭議

　　科學新聞常常出現諸如「科學家取得重大發現」的頭條。但是大部分爆炸性新聞並不代表切實的科學突破，總是在短暫掀起輿論熱潮後悄悄消失，很快被公眾淡忘。像引力波這樣確定的科學發現少之又少。許多媒體將 Steinhauer 的實驗報道為「科學家首次觀察到霍金輻射」。那麼，Steinhauer 究竟在聲學黑洞中觀察到霍金輻射了嗎？我們只能說不知道，因為結果還需要進一步驗證。Rousseaux 對《環球科學》說，引力波實驗有兩個探測器，能夠比較結果，所以給出了肯定的結論，而模擬引力領域還在發展，缺乏類似的比較或驗證實驗。

　　對於尋找霍金輻射，Leonhardt 理解人們對「大新聞」的非理性期望。但作為科學家，他說，「我會閱讀原始文獻，而不相信新聞頭條。」

　　在 Leonhardt 發出質疑後，《環球科學》聯繫了 Steinhauer。沉寂了一段時間的 Steinhauer 在受到質疑的兩周之後——也就是9月28日，在 arXiv 發表論文，逐條回應 Leonhardt 的質疑，並第一時間告知了《環球科學》。質疑並沒有讓 Steinhauer 止步，當《環球科學》詢問他未來的研究計劃時，他表示會嘗試各種各樣的可能性。

　　如果 Steinhauer 真的在聲學黑洞中觀察到霍金輻射，是否意味著天體黑洞也存在霍金輻射？「當然不是，」Unruh 說，「但這會讓我們對霍金的理論更有信心。」

　　張雙南告訴《環球科學》，如果觀測到真正的霍金輻射，在科學上有巨大的意義，因為霍金輻射是真空的量子漲落的直接後果，觀測到霍金輻射就等於直接證明了真空漲落的存在，說明真空並不是「空」的，也並不是寧靜的，人類對自然的理解就前進了一大步。

　　悄然興起的領域

　　值得一提的是，研究霍金輻射只是模擬引力領域研究的一部分，模擬引力更大的目標是量子引力。由於引力極為微弱，直接觀察量子引力的效應幾乎不可能，而模擬引力就提供了探索量子引力的另一種途徑。相關的理論研究也能從模擬引力中得到啟發，一個有趣的例子是衍生引力（emergent gravity）。我們熟悉的水可以用流體力學描述，但到了分子的層面，水分子會遵循完全不同的物理。衍生引力的提出基於類似的思考，認為引力並不是基本的物理。

　　模擬引力已經越來越多地得到人們的重視。今年9月在海德堡、法蘭克福以及12月在巴黎舉行的引力或量子引力學術研討會，模擬引力都是作為其中的一個主題進行討論。「在物理學日益專業化的今天，模擬引力就像是個『交叉學科』，將相對論、量子力學、凝聚態物理、流體力學、光學等學科的物理學家聚在一起。實際上只要跟波相關的領域都可以參與其中。」 Rousseaux 告訴《環球科學》，「我相信會有越來越多的人加入到這個激動人心的領域。」

　　參考文獻

　　[1] S。 W。 Hawking ， 「Black hole explosions？」， Nature， 248， 30–31， （1974）。

　　[2] W。 G。 Unruh， 「Experimental black hole evaporation」， Phys。 Rev。 Lett。， 46， 1351–1353， （1981）。

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　　[4] G。 Rousseaux， C。 Mathis， P。 Maissa， T。 G。 Philbin， and U。 Leonhardt， 「Observation of negative-frequency waves in a water tank： a classical analogue to the Hawking effect？」， New J。 Phys。， 10， 053015， （2008）。

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　　[7] C。 Barcelo， S。 Liberati， M。 Visser， Analogue Gravity， Living Rev。 Relativity， 14， （2011）。

　　[8] J。 Steinhauer， Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole， Nat。 Phys。 12， 959 （2016）。

　　[9] U。 Leonhardt， Questioning the recent observation of quantum Hawking radiation， arXiv：1609.03803v2。

　　[10] J。 Steinhauer， Response to version 2 of the note concerning the observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole， arXiv：1609.09017。

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