一条尖叫的鱼带来的启示
一条尖叫的鱼带来的启示From Grace Lindsay
原理
1 week ago
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撰文：Grace Lindsay（神经科学家）
黑洞是宇宙中最极端的天体，它漆黑得像是暗夜中的丛林，质量是太阳的数十亿倍，有着固定整个星系的力量。如此极端的物体需要同样极端的方法来研究。事实上，科学家竭尽所能地从这些看不见的庞然大物身上捕捉任何可能得到的信号：他们将望远镜发射到太空中，去探测那些由黑洞释放出却无法穿透大气层的X射线；将宽达数千米的中微子探测器放置在地中海的海底，去捕捉来自黑洞诞生之时的基本粒子；为了获得第一个直接观测黑洞活动的机会，他们斥资超6亿美元建造激光干涉引力波天文台（LIGO）。
但是，如果黑洞的研究可以不需要望远镜或数百万美元的设备，而能以一种更质朴的方式进行呢？如果科学家可以无需在广袤的宇宙中追逐黑洞，而是能够在实验室中创造黑洞，然后近距离地仔细研究它们的行为呢？
这就是模拟黑洞的世界。在这个世界里，科学家用玻璃、水和气体云等毫不起眼的材料，在实验室和桌面上再现了黑洞的一些神奇的物理学。这是一种将黑洞带到现实中的方法，为传统的星系观测方法提供了重要的补充，甚至还可能因此制造出一些具有黑洞的某些独特性质的重要材料。
模拟黑洞背后的逻辑很简单，它始于这样一个事实，那就是我们对真实的黑洞是如何运作具有一定的了解。例如，我们知道描述事件视界的方程，在事件视界上，引力强大到能使任何穿越它的物质都无法返回，哪怕是光；而我们也知道其他一些也同样遵循这些方程的物理系统，只不过它们更易于处理和测量。所以，如果我们想要测试当光线穿过事件视界时发生了什么，却并不想大费周章地去观测一个光年之外的黑洞，那我们就可以在地球上创造一个遵循同样物理学定律的流体系统。对于黑洞的各个部分，这个系统都将有自己相应的版本，包括一个能使波在穿过之后就永远无法返回的界线。对这个系统中所做的所有观测可以一一映射回与黑洞对应的部分。这样一来，方程就像是一出戏的剧本，由黑洞扮演一组角色，模拟系统扮演另一组。
通过模拟来研究黑洞的灵感源自于“一条尖叫的鱼”。1972年，物理学家William Unruh想到了一个可用于描述黑洞的故事，故事讲的是一条鱼坠落在了速度快得离奇的瀑布上。他解释说，如果瀑布的速度超过音速，那么就存在一个点，超越了这个点，就永远无法从瀑布外听到坠落到瀑布中的鱼的尖叫。这是因为，尖叫声向上传播的速度无法快过瀑布推动鱼下落的速度，就像光线在穿过视界之后就无法逃脱黑洞强大的引力一样。虽然这个荒谬的故事一开始仅仅是一个比方，但Unruh最终将它充实为一个正经的数学论证，并在1981年的一篇论文中阐述了如何将这样的“音波”黑洞或“失聪”黑洞从数学上映射到真实的黑洞上。从此诞生了模拟黑洞这一领域。
究竟黑洞的哪些性质可以用这些模拟黑洞来探索呢？霍金辐射（一种猜想的黑洞蒸发方式）一直是研究的主要焦点，一方面是因为霍金辐射存在与否还具有不确定性，另一方面则是因为如果它真的存在，将会带来重大的影响。1974年，霍金将广义相对论和量子力学这两个基本不相容的理论中的一些观点结合了起来，证明了黑洞事实上可能会释放出粒子，这会导致黑洞随着时间的推移收缩甚至消失。因此，观测黑洞中的霍金辐射痕迹，将非常有助于把两种对立的基本物理学理论结合起来。但要试图“实地”测量这种效应存在一个关键问题：霍金辐射非常微弱，它的任何痕迹都会被渗透在整个宇宙中的宇宙微波背景辐射完全抹去。
探测这样一个微弱却重要的信号的困难之处，恰恰是大多数科学领域使用模型的动力所在。例如，在生物学中，要从一堆数据中识别出一个基因的功能也是颇为困难的，因为生活方式差异等因素会干扰这些数据。所以生物学家转向高度受控的实验室环境，在那里，遗传修饰是已知的，而且它们的影响也可以被精确地测量。同样，出于对控制和精确度的追求，也使得天体物理学家从望远镜转向了实验室。
向实验室的迁移或许已经收获成效。经过多年的努力，实验物理学家Jeff Steinhauer在2016年发表了一个微型版本的Unruh瀑布的结果。Steinhauer在一个小瓶子中装入了一团非常冷的铷原子。这些原子进入了一种特殊的物质状态，声速在这种状态下会极大地降低，使得超音速在这个系统中很容易产生。Steinhauer观测到，在这个系统的事件视界的任何一侧，成对的“声子”会纠缠在一起。这类似于人们所说的构成了黑洞中的霍金辐射基础的光子对。因此，从某种意义上说，Steinhauer的实验是对霍金辐射量子效应的第一次观测。
模拟黑洞使用过许多不同的的材料，也探索过许多不同的奥秘。例如，为了探测光在穿过因极端引力而产生的弯曲时空时会发生什么，圣安德鲁斯大学的物理学家发明了响应式光纤，它可以复制预期到的光的减速。这个系统也为搜寻霍金辐射的痕迹提供了另一个阵地。
不同类型的黑洞有不同的性质。例如根据预测，那些旋转的黑洞会对靠近它们的波的能量产生积极影响。现在，这种效应已经在诺丁汉大学的一个简易浴缸装置中得到了证实，在这个装置中，靠近但又逃离了排水孔的水波会出现振幅的增加。
另一种在实验室中创造黑洞的方法，侧重于制造出可以尽可能吸收更多的光的复合材料。这些“超材料”可以为光在极端环境下会有怎样的行为这些基本问题提供解答。不仅如此，这些材料的影响或许能企及远远超出黑洞科学之外的领域。这种弯曲光线的设备可能有助于制造出“隐形斗篷”或者是效率极高的太阳能电池，这表明即使是最古怪的科学研究也能影响日常生活。
模拟系统是一种非常宝贵的手段，它能帮助我们了解那些通常远超我们能力范围的现象。但作为类比，它们也有局限性，我们必须小心不要将这种类比延伸得太远。正如医学科学家不能假设对动物有效的治疗方法对人类也有效一样，当物理学家在将从模拟黑洞得出的发现与自然存在的黑洞联系起来在一起时，也必须保持谨慎。事实上，无论是对科学家还是哲学家来说，在声波黑洞中观测到的与霍金辐射类似的效应，是否与真实黑洞中发生的事情有任何联系，都是一个悬而未决的问题。它们在数学上的相似性为我们带来了希望，希望这些模型可以为研究普遍真实的事物提供一条道路，尽管每个模型都有自己独特的特征和局限。根据科学哲学家Radin Dardashti的观点，研究各种各样的模拟系统可能实际上会是一件好事，因为在多种不同的模拟中发现霍金辐射的证据，应该可以加固人们相信在黑洞中也存在霍金辐射的理由。
无论是太空中的X射线望远镜还是水下的粒子探测器，都是工程界的伟大壮举，它们对宇宙的大问题提供了无与伦比的洞察，它们在黑洞研究中的作用也是毋庸置疑的。但对于科学的工具箱来说，多样性是其中的关键。模拟系统提供了一种在实验室制造黑洞的方法，从而为探索、测试和观测天空中的一种最为神秘的天体提供了全新的环境。
哈佛大学的黑洞计划（Black Hole Initiative, BHI）发起了一场以“黑洞”为主题的征文大赛，本文荣获了本次竞赛的第一名。原文首发于Nautilus，原文链接：http://nautil.us/issue/69/patterns/how-to-get-close-to-a-black-hole。本文经BHI和Nautilus授权翻译转发。
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