一篇被人遺忘的論文如何開(kāi)啟一個(gè)新的領(lǐng)域？一個(gè)引人注目的實(shí)驗結果能否經(jīng)受?chē)栏竦臋z驗？終極理論的夢(mèng)想陷入困境之時(shí)，物理學(xué)家能否另辟蹊徑，找到新的方向？
撰文 《環(huán)球科學(xué)》記者 韓冬
審校 張雙南 中科院高能所研究員
施郁 復旦大學(xué)物理系教授
由于量子效應，真空會(huì )不斷產(chǎn)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(gè)粒子可能落入黑洞，而另一個(gè)僥幸逃脫。對視界外的觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，黑洞在發(fā)出霍金輻射。
黑洞視界附近虛粒子對
圖片來(lái)源：Mihail Petev
驗證霍金輻射必將大大加深物理學(xué)家對于時(shí)空本性的理解?！叭绻艚疠椛浔挥^(guān)察到，我認為最直接的后果就是霍金拿到諾貝爾物理學(xué)獎?！敝锌圃焊吣芩芯繂T張雙南這樣告訴《環(huán)球科學(xué)》。
追尋微弱的輻射
尋找霍金輻射的證據是黑洞研究長(cháng)久以來(lái)的一個(gè)課題。然而，運用天體物理的方法直接觀(guān)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(zhì)量成反比。一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，所釋放的霍金輻射的溫度低于千分之一開(kāi)爾文，而宇宙微波背景輻射約為3開(kāi)爾文。所以霍金輻射會(huì )湮沒(méi)在宇宙微波背景輻射的“光輝”之中。實(shí)現觀(guān)測比在白天看星星還要困難。
不過(guò)，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于宇宙微波背景輻射。如果這些微型黑洞的質(zhì)量在1015克量級以上，它們今天仍有可能存在于銀河系附近。這些黑洞通過(guò)霍金輻射在最后一刻可能產(chǎn)生伽瑪射線(xiàn)爆發(fā)，或許能被伽瑪射線(xiàn)探測器觀(guān)測到。但這些黑洞非常小，只能產(chǎn)生極少的霍金輻射，同樣難以觀(guān)測。
目前，探測黑洞霍金輻射的所有嘗試都沒(méi)有給出肯定的結果。對于能否觀(guān)察到霍金輻射，一些物理學(xué)家持悲觀(guān)態(tài)度?；蛟S宇宙大爆炸時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生這么多的微型黑洞，霍金的理論也可能存在問(wèn)題。比如張雙南和他的學(xué)生楊榮佳曾經(jīng)發(fā)表修改霍金輻射的理論，提出黑洞的霍金輻射進(jìn)行到最后也許不會(huì )產(chǎn)生伽瑪射線(xiàn)爆發(fā)，而是形成穩定的粒子，而這種粒子則可能就是暗物質(zhì)。如果真的是這樣，就無(wú)法觀(guān)測到天體物理黑洞的霍金輻射了。
2016年8月，《自然-物理學(xué)》（nature physics）上的一篇論文引發(fā)了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，國內外媒體也進(jìn)行了大量報道。論文的唯一作者、以色列理工學(xué)院物理教授 Jeff Steinhauer 稱(chēng)，他從實(shí)驗室一個(gè)由玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)創(chuàng )造的“聲學(xué)黑洞”中觀(guān)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(xué)院教授 Ulf Leonhardt 在 arXiv 上發(fā)表論文質(zhì)疑 Steinhauer 的結果。他向《環(huán)球科學(xué)》表示，Steinhauer 雖然曾在實(shí)驗上取得過(guò)很大成就，但這次的實(shí)驗不足以證明他觀(guān)察到了霍金輻射。Leonhardt 已經(jīng)他的將論文投至《自然-物理學(xué)》。那么 Steinhauer 到底觀(guān)察到霍金輻射了嗎？
類(lèi)比思想開(kāi)啟新的領(lǐng)域
探索未知的道路總是充滿(mǎn)荊棘，而一些物理學(xué)家另辟蹊徑，運用物理學(xué)中最重要的方法——類(lèi)比，試圖從類(lèi)似的現象中尋找啟發(fā)。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(shí)驗室中進(jìn)行。
William Unruh 是加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)物理教授，曾提出“Unruh 效應”。他對《環(huán)球科學(xué)》回憶起“聲學(xué)黑洞”思想的形成。1972年，現代宇宙學(xué)之父、霍金的導師 Denis Sciama 邀請 Unruh 到牛津大學(xué)做了關(guān)于黑洞的學(xué)術(shù)討論會(huì )，Unruh 使用了更加直觀(guān)的方法描述黑洞，利用聲音的類(lèi)比描述黑洞。后來(lái)在教授流體力學(xué)課程時(shí)，他再一次想到這個(gè)類(lèi)比，于是進(jìn)行了詳細的計算，發(fā)現結果遠比他想象的更好。
圖片來(lái)源：Mihail Petev
Unruh 對《環(huán)球科學(xué)》解釋說(shuō)，我們可以將黑洞想象成一個(gè)瀑布，瀑布的小魚(yú)可以代表聲速。當水的流速超過(guò)小魚(yú)逆流游動(dòng)的速度，小魚(yú)最終會(huì )落入瀑布中，類(lèi)似物質(zhì)落入黑洞中。
1981年，Unruh 發(fā)表論文，進(jìn)一步提出運動(dòng)流體中的聲波可以類(lèi)比彎曲時(shí)空中的光子。這個(gè)“聲音視界”在很多方面都類(lèi)似黑洞對光的視界，而且描述這兩種現象的數學(xué)幾乎是一樣的，只不過(guò)描述對象一個(gè)是聲一個(gè)是光（或者其他量子場(chǎng)）。
在天體物理的黑洞中，光線(xiàn)無(wú)法逃脫；而在聲學(xué)黑洞中，聲音無(wú)法逃脫。掉進(jìn)聲學(xué)黑洞會(huì )發(fā)生什么？那就是無(wú)論你怎么大聲呼救，外邊的人都聽(tīng)不到你。聲學(xué)黑洞就像個(gè)不會(huì )說(shuō)話(huà)的“啞巴”，所以也被稱(chēng)作“啞洞”（dumb hole）。
Unruh 的論文在許多年內都沒(méi)有引起人們的注意。然而大約十年后，馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校的Ted Jacobson 根據 Unruh 的類(lèi)比思想發(fā)表了一篇關(guān)于跨普朗克尺度物理（trans-Planckian）文章，Unruh 的開(kāi)創(chuàng )性論文由此收獲大量引用，使得一個(gè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展起來(lái)，這個(gè)領(lǐng)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(shí)空背景（主要在凝聚態(tài)系統）中研究廣義相對論以及量子引力的方法。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，物理學(xué)家已經(jīng)嘗試在各種各樣的系統中模擬引力，包括水波、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)、光學(xué)系統、極化激元（polariton）等。而 Steinhauer 也并不是第一個(gè)聲稱(chēng)利用模擬系統觀(guān)察到霍金輻射的人。Silke Weinfurtner、Daniele Faccio 等人也曾報告觀(guān)察到霍金輻射。
表面波速等于水流速度的地方，就相當于“視界”。
圖片來(lái)源：Weinfurtner et al.
Germain Rousseaux 是法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）的科學(xué)家。他和同事最早進(jìn)行了水波模擬引力的實(shí)驗。水中的聲速大概是1500m/s，如果用這個(gè)聲波模擬視界，就需要水流的速度超過(guò)水中的聲速。這會(huì )大大增加實(shí)驗的難度，而且可能產(chǎn)生激波破壞模擬過(guò)程。研究者在流動(dòng)的水中設置障礙物，并對表面波進(jìn)行調節，在表面波速度等于水流速度的地方，相當于黑洞視界的模擬。水波實(shí)驗看似簡(jiǎn)單，但也并非易事?；艚疠椛涫蔷€(xiàn)性過(guò)程，但水中存在諸如湍流等非線(xiàn)性因素，都會(huì )大大干擾實(shí)驗的結果。設計水中的障礙物也是一個(gè)難點(diǎn)。
Rousseaux 告訴《環(huán)球科學(xué)》：“水波的實(shí)驗在不斷改進(jìn)。2008年的時(shí)候，我和同事在尼斯第一次嘗試用水波模擬黑洞，觀(guān)察到霍金輻射的跡象。但實(shí)驗存在缺點(diǎn)，一些現象沒(méi)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(jìn)了我們的實(shí)驗，發(fā)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(shí)驗又做了改進(jìn)，觀(guān)察到新的霍金輻射跡象，結果發(fā)表在了今年9月份的《物理評論快報》（PRL）上?！?br>
Silke Weinfurtner 是英國諾丁漢大學(xué)的物理學(xué)家，她從事引力理論和實(shí)驗工作，也曾和 Unruh 合作過(guò)文章。她仍在繼續改進(jìn)水波的實(shí)驗，希望今年能發(fā)表新的實(shí)驗結果。Weinfurtner 說(shuō)，“水波實(shí)驗不能模擬出視界的所有特征，但可以模擬黑洞周?chē)奈⑿〖ぐl(fā)。我們已經(jīng)在各種各樣的媒介中觀(guān)察到霍金輻射的跡象，這顯示出霍金輻射的普適性（universal）。描述霍金輻射并不需要完整的量子引力理論?！?
水波實(shí)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?！?strong>量子霍金輻射只能在量子系統中觀(guān)察，比如玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（超流體），” Weinfurtner 對《環(huán)球科學(xué)》解釋道，“這就是為什么 Steinhauer 的實(shí)驗非常有必要并且有趣的原因。但是他的實(shí)驗還需要更多實(shí)驗以及不同模擬系統的實(shí)驗進(jìn)一步確認?！?br>
用超流體創(chuàng )造黑洞
在有關(guān)霍金輻射的論文發(fā)表前，Steinhauer 已經(jīng)對模擬黑洞進(jìn)行了多年的探索。2009年，他和同事首次用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)在實(shí)驗室中創(chuàng )造出聲學(xué)黑洞，被認為是該領(lǐng)域的一大突破。此后，Steinhauer 獨自一人繼續從事相關(guān)的研究，并發(fā)表了一系列論文。
圖片來(lái)源：Steinhauer
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是一種溫度極低的流體——超流體。與普通的流體不同，它不會(huì )產(chǎn)生阻力。Steinhauer 讓玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)像小河一樣流動(dòng)，使其流動(dòng)速度超過(guò)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(ài)因斯坦凝聚態(tài)中，物理學(xué)家觀(guān)察的是聲子對。
對于黑洞模擬，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)具有獨特的優(yōu)點(diǎn)。首先，這一系統可以排除其他聲波對觀(guān)測霍金輻射的干擾。Steinhauer 介紹說(shuō)，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)接近絕對零度。在溫暖的物體中，熱量會(huì )自發(fā)地產(chǎn)生聲波，干擾觀(guān)測；而他制備的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)除了霍金輻射的聲波，不會(huì )產(chǎn)生其他聲波。其次，聲音在超流體中的運動(dòng)速度本就很慢，這也是這個(gè)系統的一個(gè)優(yōu)勢。另外，這個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)大約幾百微米長(cháng)，幾微米寬，它相當于一個(gè)“一維的黑洞”，一維的系統可以有效地抑制量子化漩渦的產(chǎn)生。
Steinhauer 說(shuō)，他在聲學(xué)黑洞實(shí)驗中不僅觀(guān)察到霍金輻射，也看到了黑洞內部和外部、觀(guān)察到粒子的糾纏。這對于研究諸如“信息悖論”之類(lèi)的問(wèn)題也很重要，例如，如果把信息扔到黑洞里會(huì )發(fā)生什么？信息是消失了，還是以某種方式保存下來(lái)？
頭條新聞的爭議
科學(xué)新聞常常出現諸如“科學(xué)家取得重大發(fā)現”的頭條。但是大部分爆炸性新聞并不代表切實(shí)的科學(xué)突破，總是在短暫掀起輿論熱潮后悄悄消失，很快被公眾淡忘。像引力波這樣確定的科學(xué)發(fā)現少之又少。許多媒體將 Steinhauer 的實(shí)驗報道為“科學(xué)家首次觀(guān)察到霍金輻射”。那么，Steinhauer 究竟在聲學(xué)黑洞中觀(guān)察到霍金輻射了嗎？我們只能說(shuō)不知道，因為結果還需要進(jìn)一步驗證。Rousseaux 對《環(huán)球科學(xué)》說(shuō)，引力波實(shí)驗有兩個(gè)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(lǐng)域還在發(fā)展，缺乏類(lèi)似的比較或驗證實(shí)驗。
對于尋找霍金輻射，Leonhardt 理解人們對“大新聞”的非理性期望。但作為科學(xué)家，他說(shuō)，“我會(huì )閱讀原始文獻，而不相信新聞頭條?！?/p>
在 Leonhardt 發(fā)出質(zhì)疑后，《環(huán)球科學(xué)》聯(lián)系了 Steinhauer。沉寂了一段時(shí)間的 Steinhauer 在受到質(zhì)疑的兩周之后——也就是9月28日，在 arXiv 發(fā)表論文，逐條回應 Leonhardt 的質(zhì)疑，并第一時(shí)間告知了《環(huán)球科學(xué)》。質(zhì)疑并沒(méi)有讓 Steinhauer 止步，當《環(huán)球科學(xué)》詢(xún)問(wèn)他未來(lái)的研究計劃時(shí)，他表示會(huì )嘗試各種各樣的可能性。
如果 Steinhauer 真的在聲學(xué)黑洞中觀(guān)察到霍金輻射，是否意味著(zhù)天體黑洞也存在霍金輻射？“當然不是，”Unruh 說(shuō)，“但這會(huì )讓我們對霍金的理論更有信心?！?/strong>
張雙南告訴《環(huán)球科學(xué)》，如果觀(guān)測到真正的霍金輻射，在科學(xué)上有巨大的意義，因為霍金輻射是真空的量子漲落的直接后果，觀(guān)測到霍金輻射就等于直接證明了真空漲落的存在，說(shuō)明真空并不是“空”的，也并不是寧靜的，人類(lèi)對自然的理解就前進(jìn)了一大步。
悄然興起的領(lǐng)域
值得一提的是，研究霍金輻射只是模擬引力領(lǐng)域研究的一部分，模擬引力更大的目標是量子引力。由于引力極為微弱，直接觀(guān)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(guān)的理論研究也能從模擬引力中得到啟發(fā)，一個(gè)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(xué)描述，但到了分子的層面，水分子會(huì )遵循完全不同的物理。衍生引力的提出基于類(lèi)似的思考，認為引力并不是基本的物理。
模擬引力已經(jīng)越來(lái)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(xué)術(shù)研討會(huì )，模擬引力都是作為其中的一個(gè)主題進(jìn)行討論?！?strong>在物理學(xué)日益專(zhuān)業(yè)化的今天，模擬引力就像是個(gè)‘交叉學(xué)科’，將相對論、量子力學(xué)、凝聚態(tài)物理、流體力學(xué)、光學(xué)等學(xué)科的物理學(xué)家聚在一起。實(shí)際上只要跟波相關(guān)的領(lǐng)域都可以參與其中?！?Rousseaux 告訴《環(huán)球科學(xué)》，“我相信會(huì )有越來(lái)越多的人加入到這個(gè)激動(dòng)人心的領(lǐng)域?！?/p>
參考文獻
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[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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