模拟引力：实验室中的终极理论之梦

文章来源：环球科学微信公众号

相对论和量子力学理论是现代物理的基石。它们均诞生于20世纪的前30年，从根本上改变了人类对世界的认识。但遗憾的是，广义相对论和量子力学仍然不能融洽相处。因此，建立量子引力理论，把广义相对论和量子力学统一在一个理论框架内，是物理学家的一直以来的梦想。

霍金辐射或许能为理解量子引力提供启发。一直以来人们都认为物质落入黑洞是只进不出的单向旅程，甚至连光也不能逃脱。1974年，霍金将量子力学应用到黑洞视界附近，提出假说：黑洞也会释放辐射，这就是著名的霍金辐射。

由于量子效应，真空会不断产生虚粒子对，这些虚粒子对一般很快湮灭消失。但在黑洞视界附近存在特殊情况：其中一个粒子可能落入黑洞，而另一个侥幸逃脱。对视界外的观察者来说，黑洞在发出霍金辐射。

验证霍金辐射必将大大加深物理学家对于时空本性的理解。“如果霍金辐射被观察到，我认为最直接的后果就是霍金拿到诺贝尔物理学奖。”中科院高能所研究员张双南这样告诉《环球科学》。

追寻微弱的辐射

寻找霍金辐射的证据是黑洞研究长久以来的一个课题。然而，运用天体物理的方法直接观测霍金辐射的可能性微乎其微。

根据霍金理论，霍金辐射与黑洞质量成反比。一个太阳质量的黑洞，所释放的霍金辐射的温度低于千分之一开尔文，而宇宙微波背景辐射约为3开尔文。所以霍金辐射会湮没在宇宙微波背景辐射的“光辉”之中。实现观测比在白天看星星还要困难。

不过，宇宙形成之初可能留下了微型黑洞，它们的霍金辐射温度高于宇宙微波背景辐射。如果这些微型黑洞的质量在1015克量级以上，它们今天仍有可能存在于银河系附近。这些黑洞通过霍金辐射在最后一刻可能产生伽玛射线爆发，或许能被伽玛射线探测器观测到。但这些黑洞非常小，只能产生极少的霍金辐射，同样难以观测。

目前，探测黑洞霍金辐射的所有尝试都没有给出肯定的结果。对于能否观察到霍金辐射，一些物理学家持悲观态度。或许宇宙大爆炸时没有产生这么多的微型黑洞，霍金的理论也可能存在问题。比如张双南和他的学生杨荣佳曾经发表修改霍金辐射的理论，提出黑洞的霍金辐射进行到最后也许不会产生伽玛射线爆发，而是形成稳定的粒子，而这种粒子则可能就是暗物质。如果真的是这样，就无法观测到天体物理黑洞的霍金辐射了。

2016年8月，《自然-物理学》（nature physics）上的一篇论文引发了科学界的广泛关注，国内外媒体也进行了大量报道。论文的唯一作者、以色列理工学院物理教授 Jeff Steinhauer 称，他从实验室一个由玻色-爱因斯坦凝聚态创造的“声学黑洞”中观察到了霍金辐射。

然而事情很快出现转折。以色列威兹曼科学院教授 Ulf Leonhardt 在 arXiv 上发表论文质疑 Steinhauer 的结果。他向《环球科学》表示，Steinhauer 虽然曾在实验上取得过很大成就，但这次的实验不足以证明他观察到了霍金辐射。Leonhardt 已经他的将论文投至《自然-物理学》。那么 Steinhauer 到底观察到霍金辐射了吗？

类比思想开启新的领域

探索未知的道路总是充满荆棘，而一些物理学家另辟蹊径，运用物理学中最重要的方法——类比，试图从类似的现象中寻找启发。研究基础物理，除了利用超级对撞机、大型望远镜，也可以在小小的实验室中进行。

William Unruh 是加拿大英属哥伦比亚大学物理教授，曾提出“Unruh 效应”。他对《环球科学》回忆起“声学黑洞”思想的形成。1972年，现代宇宙学之父、霍金的导师 Denis Sciama 邀请 Unruh 到牛津大学做了关于黑洞的学术讨论会，Unruh 使用了更加直观的方法描述黑洞，利用声音的类比描述黑洞。后来在教授流体力学课程时，他再一次想到这个类比，于是进行了详细的计算，发现结果远比他想象的更好。

Unruh 对《环球科学》解释说，我们可以将黑洞想象成一个瀑布，瀑布的小鱼可以代表声速。当水的流速超过小鱼逆流游动的速度，小鱼最终会落入瀑布中，类似物质落入黑洞中。

1981年，Unruh 发表论文，进一步提出运动流体中的声波可以类比弯曲时空中的光子。这个“声音视界”在很多方面都类似黑洞对光的视界，而且描述这两种现象的数学几乎是一样的，只不过描述对象一个是声一个是光（或者其他量子场）。

在天体物理的黑洞中，光线无法逃脱；而在声学黑洞中，声音无法逃脱。掉进声学黑洞会发生什么？那就是无论你怎么大声呼救，外边的人都听不到你。声学黑洞就像个不会说话的“哑巴”，所以也被称作“哑洞”（dumb hole）。

Unruh 的论文在许多年内都没有引起人们的注意。然而大约十年后，马里兰大学学院市分校的Ted Jacobson 根据 Unruh 的类比思想发表了一篇关于跨普朗克尺度物理（trans-Planckian）文章，Unruh 的开创性论文由此收获大量引用，使得一个领域蓬勃发展起来，这个领域就是模拟引力（analogue gravity）。

霍金辐射的普适性

模拟引力是在非时空背景（主要在凝聚态系统）中研究广义相对论以及量子引力的方法。经过二十多年的发展，物理学家已经尝试在各种各样的系统中模拟引力，包括水波、玻色-爱因斯坦凝聚态、光学系统、极化激元（polariton）等。而 Steinhauer 也并不是第一个声称利用模拟系统观察到霍金辐射的人。Silke Weinfurtner、Daniele Faccio 等人也曾报告观察到霍金辐射。

Germain Rousseaux 是法国国家科学研究中心（CNRS）的科学家。他和同事最早进行了水波模拟引力的实验。水中的声速大概是1500m/s，如果用这个声波模拟视界，就需要水流的速度超过水中的声速。这会大大增加实验的难度，而且可能产生激波破坏模拟过程。研究者在流动的水中设置障碍物，并对表面波进行调节，在表面波速度等于水流速度的地方，相当于黑洞视界的模拟。水波实验看似简单，但也并非易事。霍金辐射是线性过程，但水中存在诸如湍流等非线性因素，都会大大干扰实验的结果。设计水中的障碍物也是一个难点。

Rousseaux 告诉《环球科学》：“水波的实验在不断改进。2008年的时候，我和同事在尼斯第一次尝试用水波模拟黑洞，观察到霍金辐射的迹象。但实验存在缺点，一些现象没有得到充分理解，我们未能得出决定性的结论。2011年，Weinfurtner 和 Unruh 在温哥华改进了我们的实验，发现了新的现象，但结果存在一定争议。2016年，我们在普瓦捷对实验又做了改进，观察到新的霍金辐射迹象，结果发表在了今年9月份的《物理评论快报》（PRL）上。”

Silke Weinfurtner 是英国诺丁汉大学的物理学家，她从事引力理论和实验工作，也曾和 Unruh 合作过文章。她仍在继续改进水波的实验，希望今年能发表新的实验结果。Weinfurtner 说，“水波实验不能模拟出视界的所有特征，但可以模拟黑洞周围的微小激发。我们已经在各种各样的媒介中观察到霍金辐射的迹象，这显示出霍金辐射的普适性（universal）。描述霍金辐射并不需要完整的量子引力理论。”

水波实验在模拟引力中也存在一定局限。比如水波不能模拟粒子对的量子纠缠，因此不能探索量子霍金辐射。“量子霍金辐射只能在量子系统中观察，比如玻色-爱因斯坦凝聚态（超流体），” Weinfurtner 对《环球科学》解释道，“这就是为什么 Steinhauer 的实验非常有必要并且有趣的原因。但是他的实验还需要更多实验以及不同模拟系统的实验进一步确认。”

用超流体创造黑洞

在有关霍金辐射的论文发表前，Steinhauer 已经对模拟黑洞进行了多年的探索。2009年，他和同事首次用玻色-爱因斯坦凝聚态在实验室中创造出声学黑洞，被认为是该领域的一大突破。此后，Steinhauer 独自一人继续从事相关的研究，并发表了一系列论文。

玻色-爱因斯坦凝聚态是一种温度极低的流体——超流体。与普通的流体不同，它不会产生阻力。Steinhauer 让玻色-爱因斯坦凝聚态像小河一样流动，使其流动速度超过声速，这就在模拟黑洞的视界。天体黑洞的霍金辐射，涉及的粒子是光子对；而在玻色-爱因斯坦凝聚态中，物理学家观察的是声子对。

对于黑洞模拟，玻色-爱因斯坦凝聚态具有独特的优点。首先，这一系统可以排除其他声波对观测霍金辐射的干扰。Steinhauer 介绍说，玻色-爱因斯坦凝聚态接近绝对零度。在温暖的物体中，热量会自发地产生声波，干扰观测；而他制备的玻色-爱因斯坦凝聚态除了霍金辐射的声波，不会产生其他声波。其次，声音在超流体中的运动速度本就很慢，这也是这个系统的一个优势。另外，这个玻色-爱因斯坦凝聚态大约几百微米长，几微米宽，它相当于一个“一维的黑洞”，一维的系统可以有效地抑制量子化漩涡的产生。

Steinhauer 说，他在声学黑洞实验中不仅观察到霍金辐射，也看到了黑洞内部和外部、观察到粒子的纠缠。这对于研究诸如“信息悖论”之类的问题也很重要，例如，如果把信息扔到黑洞里会发生什么？信息是消失了，还是以某种方式保存下来？

头条新闻的争议

科学新闻常常出现诸如“科学家取得重大发现”的头条。但是大部分爆炸性新闻并不代表切实的科学突破，总是在短暂掀起舆论热潮后悄悄消失，很快被公众淡忘。像引力波这样确定的科学发现少之又少。许多媒体将 Steinhauer 的实验报道为“科学家首次观察到霍金辐射”。那么，Steinhauer 究竟在声学黑洞中观察到霍金辐射了吗？我们只能说不知道，因为结果还需要进一步验证。Rousseaux 对《环球科学》说，引力波实验有两个探测器，能够比较结果，所以给出了肯定的结论，而模拟引力领域还在发展，缺乏类似的比较或验证实验。

对于寻找霍金辐射，Leonhardt 理解人们对“大新闻”的非理性期望。但作为科学家，他说，“我会阅读原始文献，而不相信新闻头条。”

在 Leonhardt 发出质疑后，《环球科学》联系了 Steinhauer。沉寂了一段时间的 Steinhauer 在受到质疑的两周之后——也就是9月28日，在 arXiv 发表论文，逐条回应 Leonhardt 的质疑，并第一时间告知了《环球科学》。质疑并没有让 Steinhauer 止步，当《环球科学》询问他未来的研究计划时，他表示会尝试各种各样的可能性。

如果 Steinhauer 真的在声学黑洞中观察到霍金辐射，是否意味着天体黑洞也存在霍金辐射？“当然不是，”Unruh 说，“但这会让我们对霍金的理论更有信心。”

张双南告诉《环球科学》，如果观测到真正的霍金辐射，在科学上有巨大的意义，因为霍金辐射是真空的量子涨落的直接后果，观测到霍金辐射就等于直接证明了真空涨落的存在，说明真空并不是“空”的，也并不是宁静的，人类对自然的理解就前进了一大步。

悄然兴起的领域

值得一提的是，研究霍金辐射只是模拟引力领域研究的一部分，模拟引力更大的目标是量子引力。由于引力极为微弱，直接观察量子引力的效应几乎不可能，而模拟引力就提供了探索量子引力的另一种途径。相关的理论研究也能从模拟引力中得到启发，一个有趣的例子是衍生引力（emergent gravity）。我们熟悉的水可以用流体力学描述，但到了分子的层面，水分子会遵循完全不同的物理。衍生引力的提出基于类似的思考，认为引力并不是基本的物理。

模拟引力已经越来越多地得到人们的重视。今年9月在海德堡、法兰克福以及12月在巴黎举行的引力或量子引力学术研讨会，模拟引力都是作为其中的一个主题进行讨论。“在物理学日益专业化的今天，模拟引力就像是个‘交叉学科’，将相对论、量子力学、凝聚态物理、流体力学、光学等学科的物理学家聚在一起。实际上只要跟波相关的领域都可以参与其中。” Rousseaux 告诉《环球科学》，“我相信会有越来越多的人加入到这个激动人心的领域。”

参考文献

[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）。

[3] T。 A。 Jacobson， “Black-hole evaporation and ultrashort distances”， Phys。 Rev。 D， 44， 1731–1739， （1991）。

[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）。

[5] R-J。 Yang， S。 N。 Zhang， Modified clock inequalities and modified black hole lifetime Phys。 Rev。 D 79， 124005， （2009）。

[6] S。 Weinfurtner， E。 W。 Tedford， M。 C。 J。 Penrice， W。 G。 Unruh and G。 A。 Lawrence， “Measurement of stimulated Hawking emission in an analogue system”， Phys。 Rev。 Lett。， 106， 021302， （2011）。

[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。