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    如今,在实验室就能模拟出引力最极端的效果

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      牛顿

      在德国城市科布伦茨的南部,莱茵河有一段超过30英里的长度,宽度极为狭窄,这使得本就湍急的水流变得异常汹涌。 这片河域底部的布满暗礁,曾是一段极为险峻的航线、许多传说与民间故事的发生地,在瓦格纳的歌剧中常扮演非常重要的角色。 这片水域是一个黑洞。

      如果你的船只想在这片河域逆流而上,却没有装备够强劲的引擎,那么狭窄的河面和凶猛的水势就会成为事件视界:一旦经过便无路可退,无论采取何种行动,你都将无法逃脱被水流吸至下游的命运。

      如今,在实验室就能模拟出引力最极端的效果

      图源:土地管理局 / 维基媒体用户 Howcheng; 美国政府

      物理学家们将引力与变速运动的流体作类比,这远不只是一个简单的比喻手法,事实上它们存在着可以用数学精准计算而出的类同关系。在研究引力与流体的关系时,物理学家没有选能自主变速的船只,而选择了水波,因为水波的速度取决于流体自身属性。如果流体的流速超过了水波的波速,水波就无法逆行。 这就好比如果你登上一架超音速飞机,它遥遥领先于第二架飞机,那你是无法听到第二架飞机的引擎声的。 回归到黑洞,光无法逃离黑洞,声音却能。

      这个类比不仅适用于表面波,也同样适用于流动气体产生的声波。 如果推压气体使其穿过一条狭窄的通道,并且给气体加速,使它的速度超过声速,就会产生声学视界。因为气体流动极快,将没有声音能够穿过这个声学视界。

      如今,在实验室就能模拟出引力最极端的效果

      图源: Sabine Hossenfelder.

      Bill Unruh将这种声音捕捉法称为“哑孔”,他于1980年率先提出利用流体模拟出引力的想法。 自那时起,“模拟引力”领域开启了蓬勃发展。 物理学家发现在许多系统中,波能如同在强引力场中一般移动,他们由此设计出可以模拟黑洞,甚至能模拟出如同初期宇宙那般迅速扩张空间的方法。 而今,只需在实验室中观测扰动在流体或气体中的传播方式,就能完成模拟。

      在视频中,水流穿过带障碍物的容器,障碍物的存在加快了水的流速。研究人员通过这个实验测量波的传播方式,以及波与流速的关联。

      如今,在实验室就能模拟出引力最极端的效果

      图释:配对波的创建。 图片展示了输入频率为0.185 Hz的配对波的转换:a,未滤波特性的傅里叶变换 b,仅包含输入频率的滤波特性。 c和d,正负滤波的波特性(颜色代表波幅,详见色条。)

      这种类型的声波,与被引力影响的光可以套用同一个公式,只需将声速代替光速即可。甚至,如果这类声波的近似值保持在一个有效范围内,它们还遵循了狭义相对论的对称性原理。如此一来,科学家们就可以通过实验探测引力作用下的物质行为,研究普通状态下无法观察到的各种情况。

      例如,物理学家想知道发生宇宙大爆炸时黑洞附近、或者大爆炸的时间线前后究竟发生了什么。如果波也具有量子特性,就会发生很有趣的事情。在这种情况下,粒子(声子),与波产生关联。然而,为了研究量子行为,仅仅用流体做实验是远远不够的。

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      图释:黑洞 图源: Jupe / Alamy.

      在模拟引力领域,理论始终遥遥领先于实验。不过近几年,实验家们渐渐赶上来了,他们现在已经能够探测量子行为。在模拟流体引力的过程中,实验者为低黏性流体选取了一个近似值,也就是说,选取黏度接近零的超流体是测试量子效应的理想状态。 物理学家将数十亿个冷凝状原子束缚在超流体中,再运用激光使它们运动。 然而,这项技术在实验过程中仍存在极大的挑战性。 直到近些年,物理学家才有能力利用超流体冷凝物研究一项超有趣的引力模拟现象:黑洞蒸发。

      黑洞蒸发应当归咎于事件视界周边弯曲时空中物质场的量子效应。 流体能够模拟那里的弯曲时空,并且,由于数学描述相同,将会产生由声子(不是光子)构成的类似辐射。 确实,科学家们在两年前就观测到了此种辐射,证实了斯蒂芬·霍金在1974年的预测——视界区域附近(黑洞视界或声视界)会产生粒子的热分布。

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      图释:霍金辐射

      然而,早期实验无法证实霍金辐射理论中最有趣的一条:视界内外的粒子共享彼此的信息。按照霍金的计算,这些粒子就像“纠缠不清的对子”,从个体来看,它们的量子数并无特值;相反,它们在各方面共享属性。

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      图源: Ulf Leonhardt.

      说粒子结对呈现纠缠态的原因之一是两个粒子的总自旋为零,它们朝相反方向运动。 向左运动的粒子自旋为+1,向右运动的粒子自旋为-1,或反之。 但这是我们目前掌握的唯一信息:个体粒子在被测量前并没有预先设定的自旋值。 视界内、外部的霍金辐射粒子呈结对纠缠态。

      黑洞辐射在视界内是否呈纠缠态是科学家们迫切想了解的问题,因为这决定了信息落入黑洞后的命运。 如果粒子结对呈纠缠态并始终保持这一状态,一方必将落入奇点继而被破坏,这将使另一方处于模糊状态:信息被删除。然而此类信息消除在量子力学中是不可能发生的,这势必构成了一个巨大难题:物理学家不知道如何用量子理论解释引力。 以色列理工学院的Jeff Steinhauer正在进行一项全新实验,在模拟黑洞中测量霍金辐射理论中的纠缠态;可以在 arxiv上查看他的实验结果。

      如今,在实验室就能模拟出引力最极端的效果

      图源:© 2014-2015 Prof. Jeff Steinhauer,物理技术系

      Steinhauer采用电磁场捕捉超流体冷凝物,利用激光使其运动以产生液流。他不改变流速,而是改变冷凝物的密度,从而影响声速。1/2流体的速度低于声速,另1/2流体的速度大于声速,从而产生了声学视界。他随即测量了视界两侧流体的波动。

      他的实验结果证实了霍金辐射由纠缠对组成。然而,Steinhauer只能证实高频状态下的纠缠对,无法证明低频状态下的纠缠对。这一初步结果究竟是因为实验的不确定性造成的,还是由于辐射的一般特性产生的,科学家尚无法定论。如果坚持实验,这种相互关联的缺乏或许能为帮助信息从视界逃逸开启一扇门,继而为黑洞信息悖论提供答案。

      如今,在实验室就能模拟出引力最极端的效果

      图释:对霍金辐射/粒子对的观测

      视界在原点,从视界射出的暗带是霍金辐射与粒子对间的相互关联。实线代表从视界出发的等次角。虚线是由傅里叶变换测量出的霍金对纠缠。

      图源:arxiv,作者Jeff Steinhauer(2015)

      毋庸置疑,将流体与引力作类比具有局限性。 尽管流波表现得和它仿佛在引力场一样,流体自身的行为却不像引力场。 在广义相对论中,时空是动态的,会根据其内部运动的粒子做出响应。 流体也会根据波的运动做反应,但=然而它们的反应并不相同,至少在迄今为止的发现中如此。 也就是说,科学家目前只能模拟出非时间依赖或已知时间依赖的引力系统。

      令人称奇的是,引力与流体动力学的关联在数学意义上是如此精准。 这似乎暗示着引力或许是由各要素的相互作用产生的。 时空也许并不像我们所想那般虚无缥缈没有实体。

      参考资料

      1.维基百科全书

      2.天文学名词

      3. Sabine Hossenfelder-凌晨2点铁道口见

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