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制造个声学黑洞

黑洞会蒸发吗?为什么宇宙会加速膨胀?在实验室里建个“冰冻宇宙”来寻找答案。

想象一下你躺在一个巨大的浴缸里,然后有人拔掉了塞头。水开始从浴缸流走,然而更糟糕的事情在后面。水流动的速度逐渐加快到超音速,于是没人会再次听到你的叫喊。你的声音与你一起从浴缸中消失,卷入到下水道里。

尽管这看似是一种超现实主义的噩梦,却相当客观地描述了一个粒子穿过黑洞的事件视界(黑洞的边界)的情况。

尽管我们确信黑洞是存在的,但我们从来没有直接观测到一个,更别说靠近黑洞了。这时,前面的浴缸类别就变得重要了起来。完全理解这种类别,不仅意味着我们多了一个理解黑洞的新方式,而且还可以撬开宇宙学中一些顽固的坚果——从为什么宇宙会加速膨胀,到这一切是如何开始的。

验证霍金辐射

黑洞以吞噬任何靠近它的东西而闻名于世,就连陷入其中的光也无法从中逃离出来。但是在1974年,英国物理学家斯蒂芬·霍金发现,所有的黑洞都会产生辐射,黑洞最终会因不断辐射而完全蒸发掉。物理学家们把这种辐射叫做霍金辐射。

霍金辐射其实是一种量子效应,是来自真空中的量子涨落。量子物理学认为,真空中充满了粒子-反粒子对,它们会自发地成对出现,然后几乎在瞬间彼此湮灭,这就是量子涨落。如果这种粒子对出现在黑洞事件视界附近的话,那么其中的一个会掉进黑洞,另一个可以逃离黑洞。虽然有一个粒子已经掉在黑洞里面去了,但掉进黑洞的粒子具有负能量,会减少黑洞的质量。这样时间一长,黑洞就会不停地产生粒子并向外辐射,并损失质量。

热力学原理告诉我们,有辐射就有温度。理论表明,黑洞的质量越小,温度越高,霍金辐射越强。但是,对于一个有着30个太阳质量的黑洞,其温度也只是比绝对零度高了一点点而已,你很难在这混乱的宇宙背景下找到黑洞产生的辐射。在瑞士日内瓦附近的欧洲大型强子对撞机,曾被认为可产生迷你黑洞和可测量的霍金辐射,但事实上它的能力与产生迷你黑洞的要求差得很远。霍金就曾说,“这很遗憾,因为如果他们做到了,我就会获得一个诺贝尔奖。”

那么,怎样验证霍金的研究结果呢?

超流体是一种具有奇特性质的理想流体,流体内部的摩擦系数(即粘度)为零。因为没有摩擦,在理想情况下,超流体形成的旋涡会永远地旋转下去。1981年,一些物理学家发现,描述超流体以超音速流动时的运动方程,与描述黑洞周围时空的度规(广义相对论中描述时空几何性质的数学函数)是相似的。也就是说,以超音速流动的超流体可以制造出一个声学黑洞,陷住声音的粒子,即“声子”,就像一个天文学的黑洞可陷住光子一样。那么,就像天文学的黑洞一样,量子涨落也会使得声学黑洞产生霍金辐射,只不过辐射出的是声子。因此,超流体可以用来检测霍金的想法,但要求的技术条件非常苛刻。

制造声学黑洞

1995年,一个赢得了诺贝尔奖的科研进展出现了:第一个玻色-爱因斯坦凝聚态被制造出来。这是一个与固体、液体和气体完全不同的物质状态,它是由一堆原子冷却到只比绝对零度高几毫微开尔文的温度而制造出的状态。此时,每个原子都失去了自己的特别之处,运动时如同一个超大原子。如果将一群原子以一群人来表示,那么进入玻色-爱因斯坦凝聚态则意味着这群人同时成为了训练有素的士兵,整齐划一地行动。

有许多玻色-爱因斯坦凝聚态都是超流体,而且声音在玻色-爱因斯坦凝聚态物质中的传播速度每秒只有几毫米。于是,制造一个声学黑洞突然变得可行起来。

2005年开始,来自意大利的物理学家用计算机建立了一个声学黑洞模型。他们的模拟结果显示,当玻色-爱因斯坦凝聚态开始以超音速流动时,一个声学黑洞的事件视界就会形成,而霍金辐射产生的声子也会自发地出现。

2009年,以色列理工学院的物理学家已经可以使用激光把长而薄的凝聚态加速到超音速,并最终形成了一个有着事件视界的声学黑洞。但测量产生的声子来验证霍金辐射却更为棘手,因为霍金辐射过于微弱。直到不久前,他们才宣布检测到了由一个事件视界产生的原始的未加放大的声子,相应的论文正进行着同行评审。

如果这个结果最终被证实,将是一个重大的突破,因为这将是第一个检测到霍金辐射的实验证据。

超流体宇宙学

声学黑洞不仅能进一步阐明天文学黑洞的神秘性质,如果让超流体以其他方式流动,你还可以制造出时空其他的几何结构,来解决其他的宇宙学问题。

例如,宇宙大爆炸发生之后不久,宇宙就发生了暴胀,即以指数形式发生了急速的膨胀。现在的宇宙学理论预测,在这一阶段,时空的量子涨落也得到了放大,最终它决定了星系团等宇宙大尺度下物质的分布。我们不能直接测试这个想法,但是一些物理学家已证明,可以使用玻色-爱因斯坦凝聚态模拟当时的情况,并分析量子涨落产生声子的细节。一种实现这种模拟的办法是,利用激光或磁场来突然压缩冷凝物,从而改变声音的传播速度。这种变化类似于光因宇宙膨胀而改变传播时间一样。

另外,超流体类比还可以为破解暗能量之谜提供一些线索。根据广义相对论,宇宙中存在着一些看不见的幽灵能量,促使宇宙加速膨胀。这就是所谓的暗能量。广义相对论可以加入一种“宇宙学常数”,来代表可加速空间膨胀的暗能量。

因为真空存在着量子涨落,所以真空本身也具有能量,称为“真空能”。暗能量可能就是真空能。但问题是,理论计算所得的数值竟然是观测值的10120多倍。那么这个巨大差距来自哪里呢?答案可能就藏在玻色-爱因斯坦凝聚态之中。

在这种凝聚态中,并不是所有的原子都冷却到了能量最低的状态,所以你永远不可能得到一个完美的玻色-爱因斯坦凝聚态。更重要的是,这些“掉队的士兵”反过来会与凝聚态本身发生作用。研究表明,这种作用会大幅度地减少宇宙学常数的数值,把这个减少的数值加上去,又就使得理论与观测相符了。

科学家相信,广义相对论可能并不是描述时空的最基本的理论,到目前为止,我们还没有找到这个更基本的理论,部分原因是我们没有办法用实验来检测关于这个理论的形形色色的假设。在这个意义上,仔细倾听超流体的声音,可能是实现物理学家的终极梦想的一种办法。也许,超流体最终会使得理论物理与实验再次联系起来。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第10期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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