（文/Sophie Hebden）在這個(gè)地球上很多毫不起眼的角落，一間閣樓、一廂客房，或是一個(gè)儲藏室里，你都能發(fā)現一套小型的火車(chē)玩具。對普通大眾而言，這一套套月臺上站著(zhù)小人、鐵軌旁還用染成綠色的泡沫樹(shù)裝飾起來(lái)的模型，雖然有些幼稚，但總是種無(wú)害的消遣。但對資深玩家（比如《生活大爆炸》里的謝耳朵）來(lái)說(shuō)，它們可是正經(jīng)事——你不僅可以樂(lè )在其中，而且一切細節體驗都和真正的鐵路相差無(wú)幾。
這種通過(guò)制作等比例微縮模型來(lái)探索和學(xué)習的方式，不僅是手工制作的靈魂所在，在物理實(shí)驗室中也生生不息，因為很多物理學(xué)家想要探究的事物都在他們企及范圍之外：他們無(wú)法自由擺弄高能粒子，也不能游走在黑洞邊緣，更遑論再現宇宙誕生的最初景象。
因此在世界各地的實(shí)驗臺上，你都能見(jiàn)識到一些奇怪的戲法。要么用水波來(lái)制作黑洞，要么從液氦中造就希格斯粒子，這些就是所謂的“類(lèi)比（analogues）”——可愛(ài)版的物理體系模型。人工打造出來(lái)的這些替代品，只要操控得法，就能運行得與本尊一模一樣。它們承載著(zhù)物理學(xué)家擺脫大型實(shí)驗受條件和經(jīng)費困擾的希望，正不斷推進(jìn)著(zhù)我們對現實(shí)世界的理解。
這種觸類(lèi)旁通研究物理的方法實(shí)際上由來(lái)已久。從古希臘時(shí)代開(kāi)始，純思辨式的思想實(shí)驗就一直被用于探索物理理論會(huì )導致什么樣的結果，或者產(chǎn)生什么樣的矛盾，這種習慣一直延續到今天的量子和相對論時(shí)代。近些年來(lái)，威力強大的計算機又開(kāi)辟出一條模擬物理過(guò)程的新路，通過(guò)運行一行行代碼，來(lái)探索各種現象下隱藏的數學(xué)規律。
但數值運算有它的局限。英國愛(ài)丁堡赫瑞瓦特大學(xué)的達妮埃萊·法喬（Daniele Faccio）說(shuō)：“這些物理系統實(shí)際上還有很多未知之處，但在計算代碼中，我們只能包含那些已知的東西?！鳖?lèi)比就跟數值計算不同。由于數學(xué)是物理現象背后的通用語(yǔ)言，因此很多看上去毫不相干的領(lǐng)域都可以歸結成同一批方程，只要找到兩個(gè)按照同一套規則運作的物理體系，你就可以用一個(gè)來(lái)代替另一個(gè)，用滿(mǎn)足相同數學(xué)規律的那些材料構建出你感興趣的現象來(lái)。法喬解釋說(shuō)：“它與原系統肯定不完全相同，但比計算機模型要有趣的多?！?/p>
就以希格斯玻色子為例。這種粒子是標準模型缺失的最后一塊拼圖。標準模型解釋了量子粒子之間如何通過(guò)自然界中的3種基本作用力進(jìn)行相互作用。按照20世紀60年代浮現出來(lái)的一個(gè)想法，真空中實(shí)際上彌漫著(zhù)一種看不見(jiàn)的場(chǎng)，即所謂希格斯場(chǎng)。這些場(chǎng)會(huì )不同程度地粘滯在基本粒子周?chē)?，賦予它們不同的質(zhì)量。只要給這個(gè)場(chǎng)注入足夠大的能量，去戳它一下，它就會(huì )更為真切地顯現出來(lái)：我們會(huì )看到一個(gè)希格斯粒子躍出空無(wú)。
最終在2012年，瑞士日內瓦附近大型強子對撞機（LHC）的研究人員向世界宣告發(fā)現了這種粒子。之所以找尋過(guò)程曠日持久，是因為盡管我們知道需要很大的能量才能產(chǎn)生希格斯粒子，具體數值卻無(wú)人知曉。最終，只能建造像LHC這樣的龐然大物，從數十億個(gè)高能粒子的對撞碎片中去嗅探它的蛛絲馬跡。
不過(guò)，也可能是我們弄巧成拙了。就在上世紀60年代中期，理論物理學(xué)家剛開(kāi)始討論希格斯的想法之際，一個(gè)類(lèi)似的點(diǎn)子已經(jīng)在低溫超導研究領(lǐng)域里傳播多時(shí)了。在低溫超導體這種奇特的物態(tài)中，兩個(gè)電子之間的相互作用，以及它們和周?chē)脑泳Ц裰g的相互作用，產(chǎn)生了一種奇妙的默契，最終形成了一種類(lèi)似粒子的所謂庫珀對（Cooper Pair）。這些庫珀對能在晶格中毫無(wú)阻礙地移動(dòng)，沒(méi)有任何電阻。
這個(gè)奇跡只有當相應材料被冷卻到非常接近絕對零度（-273℃）時(shí)才會(huì )顯現，但它用到的數學(xué)描述與高能希格斯粒子的數學(xué)描述幾乎一模一樣。盡管要實(shí)現如此之低的溫度也并非易事，但與粒子加速器比起來(lái)，那就是小巫見(jiàn)大巫了。因此，對超導體中等價(jià)過(guò)程的觀(guān)測，也許能為真正的希格斯玻色子的產(chǎn)生過(guò)程提供關(guān)鍵線(xiàn)索。
人們花了點(diǎn)時(shí)間才認識到這一切。英國倫敦帝國理工學(xué)院的湯姆·基布爾（Tom Kibble）是1964年提出希格斯機制的6人之一，但他和同事當時(shí)都沒(méi)預見(jiàn)到超導理論將要掀起的波瀾。他回憶說(shuō)：“我們當然都知道這種聯(lián)想的存在，但當時(shí)我們沒(méi)能很好地理解它，至少我沒(méi)有?！?/p>
到了1981年，人們在超導體中確實(shí)觀(guān)察到了類(lèi)似希格斯粒子的身影。類(lèi)似的故事又再次重演，人們只將這一發(fā)現當作了大餐后贈送的甜點(diǎn)——等到低溫超導理論被完全建立起來(lái)，發(fā)現希格斯粒子的對應物被當成是對該理論的間接支持，僅此而已。與此同時(shí)，在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，理論研究者卻在拼命找尋一切實(shí)驗證據，去驗證這個(gè)質(zhì)量起源理論。美國伊利諾斯州阿拉貢國家實(shí)驗室的彼得·利特爾伍德（Peter Littlewood）就曾參與這些超導實(shí)驗的解釋工作。他說(shuō)：“當時(shí)我們都沒(méi)意識到，希格斯會(huì )變得如此重要?！?/p>
最終，真正的希格斯粒子沒(méi)有借助任何來(lái)自超導的線(xiàn)索就被發(fā)現了。但在法國巴黎第七大學(xué)國家科學(xué)研究中心的瑪麗－奧德·眉菘（Marie-Aude Méasson）看來(lái)，就在一切似乎就要塵落定之時(shí)，這種類(lèi)比反倒柳暗花明起來(lái)。部分原因在于類(lèi)似現象不斷涌現，除了超導體之外，在冷卻至相同量子態(tài)的超冷堿金屬氣體中，在某些類(lèi)型的磁鐵中，都有某些東西可類(lèi)比于希格斯粒子?？珙I(lǐng)域的會(huì )議和研究項目如雨后春筍一般冒出來(lái)，大家都急著(zhù)交換想法。眉菘說(shuō)：“隨著(zhù)這些范例的出現，很多研究者相信，在這些類(lèi)比和粒子物理之間存在一塊有待開(kāi)墾的多產(chǎn)地帶?！?/p>
希望之一就是，通過(guò)低溫類(lèi)比來(lái)揭示高能碰撞中探測希格斯粒子的新方法。但更重要的是，這些類(lèi)比也許有助于發(fā)現新的物理。人們發(fā)現希格斯粒子與標準模型所有的預測都吻合得很好，這其實(shí)非常不妙，因為還有很多東西是標準模型無(wú)法解釋的，比如：看似構成了宇宙中絕大部分質(zhì)量的暗物質(zhì)究竟是什么，導致目前宇宙加速膨脹的暗能量又來(lái)自何方，為什么宇宙中的物質(zhì)會(huì )遠遠超過(guò)反物質(zhì)。
超對稱(chēng)（Supersymmetry，SUSY）作為一個(gè)理論框架，對上述一些問(wèn)題的出招更為凌厲，這也讓它成為下一代理論的熱門(mén)候選。超對稱(chēng)的核心預言之一就是，自然界存在不止一種希格斯粒子。2013年，芬蘭阿爾托大學(xué)的格里戈里·沃洛維克（Grigori Volovik）和莫斯科理論及實(shí)驗物理研究所的米什卡·祖布科夫（Mikhail Zubkov）認為，他們也許在超流的氦3中發(fā)現了這些額外粒子藏身之處的線(xiàn)索。作為非常稀有的氦同位素，氦3可是研究復雜量子過(guò)程的無(wú)價(jià)之寶。剛發(fā)現的希格斯粒子質(zhì)量大約在125 GeV（1 GeV等于10億電子伏特），而對超流氦激發(fā)譜的研究指出，在210 Gev和325 GeV也應該存在希格斯粒子。按照祖布科夫介的描述， LHC目前得到的數據還未能排除這種可能性，至于結論現在還太早（參見(jiàn)《物理學(xué)評論D》，第87卷，075016頁(yè)）。
美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的理論物理學(xué)家阿舍汶·維什瓦納特（Ashvin Vishwanath）認為，自己可以走得更遠。超對稱(chēng)的提出乃是基于下列想法：標準模型中將粒子分為費米子（構成物質(zhì)）和玻色子（傳遞相互作用）的混亂分類(lèi)，可以被一個(gè)更為對稱(chēng)的描述所取代；在這一描述中，每個(gè)費米子都有一個(gè)玻色子伴隨，同樣每個(gè)玻色子也都有一個(gè)對應的費米子伴隨。維什瓦納特說(shuō)：“我們曾希望在LHC中看到超對稱(chēng)的跡象，但未能如愿，這促使我們尋找其它方法來(lái)檢驗超對稱(chēng)?！?/p>
所謂“其它方法”，就是類(lèi)比。物質(zhì)在“相變點(diǎn)”附近會(huì )出現一些奇怪的行為，內部原子會(huì )重新排列，從而改變物質(zhì)的狀態(tài)。比如說(shuō)，當一塊融化的鐵塊從液態(tài)冷卻到固態(tài)時(shí)，鐵塊中電子的自旋會(huì )平行排列，讓材料產(chǎn)生磁場(chǎng)。在接近絕對零度時(shí)，量子漲落驅動(dòng)的相變則會(huì )產(chǎn)生另一些奇異的對稱(chēng)性，例如電子和被稱(chēng)為聲子（phonon）的聲波波包，在材料中的運動(dòng)速度會(huì )趨于一致，最終變得完全相同。
由于電子是費米子，而聲子是玻色子，維什瓦納特和同事認為，這種涌現出來(lái)的對稱(chēng)性也許可以用來(lái)研究超對稱(chēng)產(chǎn)生的機制，從而有可能在實(shí)驗室中對超對稱(chēng)理論的細節進(jìn)行探索。他們目前正在討論哪種類(lèi)比最適合用來(lái)進(jìn)行此類(lèi)實(shí)驗。
基布爾提醒道，就算一切都順風(fēng)順水，在類(lèi)比中有所發(fā)現也并不能保證在真實(shí)世界中對應物就一定存在。在2000年前后，他曾參與一項名為宇宙實(shí)驗（COSLAB）的先驅計劃，目標就是促進(jìn)類(lèi)比研究，其中就包括基布爾有關(guān)宇宙弦的想法。這些宇宙弦是時(shí)空中的缺陷，很多理論預言在早期宇宙的膨脹和冷卻過(guò)程中會(huì )留下這種缺陷，但也有很多理論的預言剛好相反?！八?，”基布爾解釋說(shuō)，“你要類(lèi)比的這種東西也許根本就不存在?！?/p>
所謂的磁單極子則是最近的一個(gè)例子。在自然界中，任何磁場(chǎng)似乎都同時(shí)具有兩個(gè)極性，但物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）在上世紀30年代指出，如果宇宙大爆炸沒(méi)有產(chǎn)生可以獨立運動(dòng)的磁單極子，我們就將面臨一個(gè)困境，必須要解釋為什么今天的宇宙中只存在可以自由移動(dòng)的電荷（即電單極子）。
單極子在今天的類(lèi)比中已經(jīng)隨處可見(jiàn)，首先是低溫晶體中的自旋玻璃態(tài)，2014年年初又在超冷的銣原子氣中發(fā)現了單極子的對應物（參見(jiàn)《自然》雜志，第505卷，657頁(yè)）。但是它們是否能在自然條件下獨立存在？作為銣原子實(shí)驗的完成者，美國馬薩諸塞州安默斯特學(xué)院的戴維·霍爾（David Hall）對此不置可否。用他的話(huà)來(lái)說(shuō)，“我們的實(shí)驗無(wú)法證實(shí)它們存在與否，只是表明狄拉克磁單極結構是能夠在自然界中存在的?！?/p>
類(lèi)比真正能夠獨當一面，是碰到那些已知在宇宙中存在，但無(wú)法直接研究的物體。黑洞就是個(gè)很好的例子。這些宇宙怪獸來(lái)自愛(ài)因斯坦廣義相對論的預言，它們由大質(zhì)量恒星在死亡時(shí)塌縮形成，大多數大型星系的中心據信都盤(pán)踞著(zhù)超大質(zhì)量黑洞。它們還是通向物理學(xué)終極桂冠的傳送門(mén)，掌握著(zhù)解釋量子粒子與極端引力相遇之秘的鑰匙，而引力是目前唯一沒(méi)有被標準模型的量子規則馴服的一個(gè)基本作用力。
但黑洞是不發(fā)光的，要弄清它的行為絕非易事。英國諾丁漢大學(xué)的西爾克·魏因富特納（Silke Weinfurtner）希望在實(shí)驗室中掀起黑洞的面紗，只憑水和激光來(lái)模擬黑洞向外發(fā)出的霍金輻射（Hawking radiation）。這種輻射過(guò)程是物理學(xué)家史蒂芬·霍金在上世紀70年代提出的，被認為是黑洞事件視界附近量子漲落的結果。視界是黑洞只進(jìn)不出的邊界，而量子漲落則會(huì )在虛空中不斷產(chǎn)生相互糾纏的粒子和反粒子對。正常情況下，這對粒子很快又湮滅。然而在視界附近，如果這對粒子中的一個(gè)落入黑洞，另一個(gè)距離視界又足夠遠的話(huà)，它們便無(wú)緣再見(jiàn)，視界外面的這個(gè)粒子就會(huì )輻射開(kāi)去。
實(shí)際上，魏因富特納用類(lèi)比模擬的是一個(gè)“白洞”，它不會(huì )吞噬萬(wàn)物，只會(huì )將萬(wàn)物彈開(kāi)。但是只要讓方程反向演化，所有白洞中的結論都對黑洞適用。
只需要一個(gè)包含光滑障礙物的水槽，并讓水在其中流動(dòng)，就能夠模擬出這樣一個(gè)白洞。魏因富特納的小組在水面上制造出兩個(gè)傳播方向相反的漣漪，然后用由激光束構成的二維光平面來(lái)分析這些水面上的波動(dòng)在撞擊到障礙物和彈開(kāi)時(shí)的性質(zhì)。他們發(fā)現，在此過(guò)程中水波振幅和頻率的展寬符合黑洞視界周?chē)艚疠椛涞睦碚擃A期（參見(jiàn)arxiv.org/abs/1302.0375）?！斑@是對霍金輻射效應明晰而肯定的探測，”魏因富特納說(shuō)，“實(shí)驗結果的穩定性讓我們深感意外?！?/p>
他們的實(shí)驗已經(jīng)催生出很多理論工作，研究經(jīng)典物理系統如何能展現霍金輻射的粗糙特征，因為后者是純粹的量子效應。另一方面，要想完整地在實(shí)驗室中演示霍金輻射，包括兩個(gè)粒子間仍會(huì )維持糾纏的理論預測，也需要更復雜的量子類(lèi)比。魏因富特納和英國諾丁漢大學(xué)的同事彼得·克魯格（Peter Kruger）一起，正在嘗試用超冷原子來(lái)探測這些效應。
而在位于愛(ài)丁堡的實(shí)驗室里，法喬正在堆滿(mǎn)儀器的實(shí)驗臺上搗鼓，用高功率激光束來(lái)模擬黑洞視界。先用玻璃塊搭建波導，然后將激光聚焦在波導中很小的一個(gè)點(diǎn)上，通過(guò)這種方式，法喬能暫時(shí)改變該點(diǎn)玻璃的折射率，從而降低后繼激光脈沖在這點(diǎn)的傳播速度，最終阻止所有脈沖進(jìn)入。法喬認為，“讓這些類(lèi)比實(shí)驗如此給力的原因在于，在光子或水波看來(lái)，它根本分不清自己穿過(guò)的是真實(shí)黑洞的視界，還是受到奇怪限制的波導?！?/p>
盡管他們實(shí)驗的初衷是探索物理學(xué)中的奇異問(wèn)題，但從中同樣能獲得一些實(shí)際的回報。用實(shí)驗中收獲的技巧，法喬的研究組正在嘗試一種從真空中“擠壓”出糾纏光子對的新方法，這種新近發(fā)現的現象被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)卡斯米爾效應（dynamical Casimir effect）。便宜而容易獲得的糾纏光子將惠澤超安全量子通信技術(shù)。雖然現在糾纏光子已經(jīng)用于交換信息，但產(chǎn)生它們還需要大型光學(xué)設備。
對法喬來(lái)說(shuō)，探索和利用這類(lèi)新現象，是類(lèi)比的另一個(gè)引人入勝之處。它們可以超越火車(chē)模型那種僅僅對已知世界的模擬，真正的價(jià)值在于可以讓我們置身無(wú)法到達的奇境，告訴我們哪些想法是正確的，哪些效應會(huì )真實(shí)發(fā)生。法喬說(shuō)：“一旦證明它們存在，接下來(lái)你就可以問(wèn)，‘我能拿它來(lái)干些什么？’”
于是，跟純粹的模型愛(ài)好者相比，你已經(jīng)向前邁進(jìn)一小步了。
編譯自：《新科學(xué)家》，A black hole in a bath: Big physics on a bench-top
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