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模拟引力:实验室中的终极理论之梦

时间: 2016年11月23日 | 作者: 韩冬 | 来源: 环球科学
终极理论的梦想陷入困境之时,物理学家能否另辟蹊径,找到新的方向?

 

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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。

 

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表面波速等于水流速度的地方,就相当于“视界”。

图片来源:Weinfurtner et al.

 

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。

 

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图片来源:Steinhauer

 

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。”

 

 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。”

 

撰文 《环球科学》记者 韩冬

审校  张双南 中科院高能所研究员

         施郁 复旦大学物理系教授

 

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.

 


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