互动科普

利用声与光的神秘相似，科学家们模拟出一个“声学黑洞”！并试图解开宇宙之谜：我们所生活的时空，是否根本就是一种流体?

1905年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了他的狭义相对论，驳斥了19世纪的一种观念：光产生于一种假想的介质——“以太”(ether)的振动。他指出，无需任何物质的支持，光波就能在真空中传播。这一点上，光波与声波不同，后者是通过介质的振动而传播的。在现代物理学的另外两大支柱——广义相对论和量子力学中，狭义相对论的这个特点一直未曾动摇。直到今天，所有的实验数据——小到亚原子，大到星系尺度，都可以用这三大理论来成功解释。

不过，物理学家面临着一个深层概念上的问题。按照目前的理解，广义相对论和量子力学并不相容。被广义相对论归因于时空连续体弯曲的引力，却与量子理论框架格格不入。理论家仅仅在理解高度弯曲的时空结构方面不断取得进展，因为在极短的距离上，他们必须考虑量子力学。挫折之余，一些人已经另辟蹊径——向凝聚态物理学寻求指导。而这种物理常用于普通物质的研究，例如晶体和流体。

与时空一样，凝聚态物质在大尺度下，看起来也是一个连续体。不同的是，它所拥有的微观结构，是由我们已经充分了解的量子力学支配的。而且，声波在非均匀流体中的传播，与光波在弯曲时空中的传播非常相似。我们和同事们正试图利用这种相似性，用声波来模拟一个黑洞模型，以期对时空可能存在的微观工作方式，获得深入认识。这项研究暗示，时空可能与物质流体一样，由小颗粒组成，拥有一个会在精细尺度上体现出来的优先参考系——这与爱斯因坦的假设相反。

黑洞如同热煤球

黑洞是量子引力最宠爱的实验场之一，因为在这里，量子力学和广义相对论都显得非常重要——这样的地点非常罕见。1974年，英国剑桥大学的史蒂芬·霍金将量子力学应用到黑洞的视界上，迈出了两大理论融合的一大步。

根据广义相对论，视界是分隔黑洞内部(其中的引力非常强大，以致所有物体都无法逃离)和外部的表面。不幸落入黑洞的旅行者，在穿越视界时，并不会有任何特殊的感觉。可一旦进入视界，他们就再也无法将光信号传给外面的人，更别说从那里回来了。黑洞外的观测者，只能接收到旅行者穿越视界之前发出的信号。当光波爬出黑洞的引力井时，它们被拉长、频率降低、信号持续时间也随之延长。因此，对观测者而言，旅行者似乎在以慢动作运动，而且比通常的颜色偏红。

这种被称为引力红移(gravita—tional redshift)的效应并不是黑洞所特有的。比如，当信号在轨道卫星和地面基地之间传递时，频率和时间也会因引力红移而改变，GPS导航系统必须将它考虑在内才能准确工作。不过，黑洞的特殊之处在于，当旅行者靠近视界时，红移就会变得无穷大。在外部观测者看来，旅行者的下落过程似乎要耗费无限的时间，尽管旅行者自己觉得不过是经历了一段有限的时间而已。

到目前为止，这种对黑洞的描述，还只是将光当作传统电磁波看待。霍金所做的，就是在把光的量子本质考虑进来，重新研究了无限红移的意义。根据量子理论中的海森堡测不准原理，即使完美的真空，也并非真的空无一物，其间充满了量子涨落，这些涨落以虚光子对(pairs of virtual photons)的形式表现出来。这些光子之所以被称为“虚”光子，是因为在一个离任何引力影响的未弯曲时空中，它们总是不停地出现和消失，如果缺乏外界的干扰，就无法观测到。

但在黑洞周围的弯曲时空中，虚光子对中的一颗，可能会陷入视界内部，而另一个则滞留在视界之外。于是，这对光子就会由虚变实，产生出向外辐射的可观测光线，此时，黑洞的质量也会相应下降。黑洞辐射的整体模式是热辐射，就像一个炽热的煤球发出的光线一样，它的温度与黑洞的质量成反比。这种现象被称为霍金效应(Hawking effect)。除非黑洞吞噬物质或能量来弥补损失，否则霍金辐射将会耗尽它所有的质量。

重要的是在非常靠近黑洞视界的空间，还保持着近乎完美的量子真空——当我们把流体和黑洞进行类比时，这将变得至关重要。事实上，这个条件是霍金理论的基本前提。虚光子是最低能量的量子状态，即“基态”(ground state)的一种特征。只有在虚光子与同伴分离、并逃离视界的过程中，它们才会变成实光子。

终极显微镜

在建立完整量子引力理论的各种尝试中，霍金的分析扮演了重要角色。对于量子引力的候选理论(比如弦论)来说[参见胡安·马尔达塞纳所著的《引力幻象》；《科学美国人》2005年第11期]，再现和解释这种效应的能力是一个至关重要的检验。然而，尽管大部分物理学家都接受了霍金的观点，却一直苦于无法用试验来证明。理论预言的恒星级和星系级黑洞所发出的辐射，都因太过微弱，而无法观测。观测霍金辐射的唯一希望，就是找到早期宇宙所遗留下来的，或者在粒子加速器中被创造出来的微型黑洞，不过，这也许不可能。[参见伯纳德·卡尔和史蒂文·吉丁斯著的《量子黑洞》，《科学美国人》2005年第5期]。

缺乏实验验证的霍金效应，不得不为一个问题而伤透脑筋：霍金效应存在着一个潜在的瑕疵，就是理论所预言的光子将要经历无限红移。设想一下，把时间颠倒过来，观察辐射效应，会是怎样呢?随着霍金光子越来越靠近黑洞，它蓝移到一个更高的频率和相对较短的波长。它沿着时间回溯得越久，就越接近视界，它的波长也变得越短。一旦它的波长变得比黑洞还小得多，这个粒子就会与它的同伴相结合，变成此前讨论过的虚光子对。

蓝移会毫不减弱地持续下去，波长也缩减到任意短的距离。但到了短于10-35米的距离——即所谓的普朗克长度(Planck length)，不论是相对论还是经典量子理论，都无法预言粒子会有什么行为。或者，我们需要一种量子引力论才行。因此，黑洞的视界如同一台奇幻的显微镜，使观测者接触到未知的物理。对于理论家来说，这种放大效应却令人不安。如果霍金的预言依赖于已知的物理学，那么我们就不应该怀疑它的正确性吗?霍金辐射的性质，甚至它的存在本身，有没有可能依赖于时空的微观性质，就好像物质的热容和声速依赖于它的微观结构和动力学一样呢?要不然就像霍金最初声称的那样，这种效应只是由黑洞的宏观性质，也就是它的质量和自旋完全决定的呢?

声与光

为了回答这些的棘手问题，加拿大英属哥伦比亚大学的威廉·昂鲁(WilliamUnruh)开始了一项新的研究。1981年，昂鲁证明，声音在移动的流体中传播，与光在弯曲时空中的传播非常类似。他提出，在评估微观物理对霍金辐射起源的影响时，这种相似性也许会非常有帮助。此外，它甚至还能对一种与霍金辐射类似的现象进行实验性观测。

与光波一样，声波的特征也是频率、波长和传播速度。只有当波长比流体中的分子间距长得多的时候，这种声波的概念才是有效的；在更小的尺度上，声波会消失。正是这种限制，使得这种相似性非常有趣，因为它能让物理学家去研究微观结构的宏观结果。不过，为了真正发挥作用，这种相似性必须被扩展到量子级别。通常，分子的随机热运动，会阻碍声波像光量子一样运动。但是当温度接近绝对零度时，声波就可以像量子微粒一样运动了，物理学家们称之为“声子”(phonon)，以强调它与光的粒子一光子之间的相似性。在晶体以及低温下仍能保持流动性的物质(如液氦)中，实验者通常会观测到声子。

在静止或均匀流动的流体中，声子的行为方式就像平坦时空中的光子一样——那个时空里面没有引力存在。这种声子以不变的波长、频率和速度直线传播，像声音在游泳池或者一条平缓流淌的河流中流淌，从它的源头直接传入耳朵。

然而，在非均匀流动的流体中，声子的速度会改变，它们的波长也会被拉长，正如一个弯曲时空中的光子。当河流进入一条狭谷，或者水旋转着冲入下水道时，声音就会扭曲变形，沿着弯曲的途径传播，就像恒星周围的光线一样。事实上，这种情形可以用广义相对论中的几何工具来描述。

流体的流动甚至可以对声音起作用，就像黑洞对光子起作用一样。创造出这样一个声学黑洞的一种方法，就是利用一种被流体动力学家称为拉瓦尔喷管(Laval nozzle)的设备。这种喷管的设计，可以使流体在最狭窄的地方达到和超过声速，并且不会产生激波(一种液体性质的突然变化)。这种有效的声学几何与黑洞的时空几何非常类似。超声速区域对应于黑洞的内部：逆着流动方向传播的声波会被卷入下游，就像光被拖向黑洞中心一样。亚声速区域就是黑洞的外部：声波可以逆流传播，但是必须付出被拉长的代价，就像光的红移一样。介于两个区域之间的边界，刚好就像黑洞的视界。

原子论

如果流体够冷，那么这种相似性就会延伸到量子级别上。昂鲁指出，声学视界也会发射出与霍金辐射类似的热声子。视界附近的量子涨落导致声子成对出现；其中一个被卷入超声速区域，一去不返；而另一个则逆流而上，被流体的流动拉长。放置在上游的麦克风会采集到一个微弱的嘶嘶声，这个嘶嘶声的能量是从流体流动的动能中提取出来的。

噪声的主要声调取决于几何结构；观测到的声子的典型波长，与流动速度发生微微变化的距离相当。这个距离比分子的间距大得多，因此在最初的分析中，昂鲁假设流体是平滑和连续的。不过起源于视界附近的声子波长如此之短，因此它们对于流体的颗粒性构成会变得敏感。这会影响到最后结果吗?真正的流体会发射出像霍金辐射—样的声子吗，还是昂鲁的预言只是连续流体的一种理想化的错误推论呢?如果声学黑洞的这个问题能够得到解答，那么物理学家在引力黑洞的问题中也许就可以进行类推。

除了超声速流动的流体之外，物理学家还提出了许多与黑洞相类似的情况。其中一种与声波无关，而与液体表面或者沿着超流态液氦分界面传播的波纹有关。所谓超流态是指它的温度如此之低，因此而失去了所有能够抵抗运动的摩擦力。昂鲁和德国德累斯顿技术大学的拉尔夫·舒兹霍尔德(Rall Schutzhold)最近打算研究电磁波在一个巧妙设计的细微电子管中的传播，用一束激光沿着电子管扫描，以改变局部的波速，物理学家或许能创造出一个视界。而另一种观念是模拟宇宙的加速膨胀，它也能产生类似霍金的辐射。玻色一爱因斯坦凝聚态物质(Bose-Einstein condensate)——一种温度低到连原子都丧失其各自独立属性的气体——可以对声音起作用，就像膨胀的宇宙对光起作用一样，不管是真正的向外飞散，还是用一个磁场进行人为操控，都可以达到同样效果。

至今，实验者还没有在实验室中建造出任何类似的装置。这些过程是复杂的，实验者还有许多其他的低温现象需要努力研究。因此理论家已经在研究，看看是否能针对这个问题，在数学上取得进展。

理解流体分子结构对声子产生影响的过程是极其复杂的。幸运的是，在昂鲁提出他的声学相似性10年之后，我们中的一位(雅各布森)找到了一种非常有用的简化形式。详细的分子结构被概括成声波的频率依赖于声波波长的改变方式。这种依赖关系被称为色散关系(dispersion relation)，它决定了传播的速度。对于较长的波长，速度是恒定的。对于接近分子间距的较短波长，速度就会随着波长的变化而不同。

这就会出现三种不同的行为方式。第一种没有色散——短波的行为方式与长波完全一样。第二种，速度会随着波长的缩短而降低，第三种，速度会增加。第一种描述了相对论中的光子；第二种描述了超流态比如液氦中的声子；第三种描述了稀薄的玻色一爱因斯坦凝聚态物质中的声子。这三种类型的区分，为解决分子结构在宏观水平上如何影响声音的这个问题，提供了一个基本原理。从1995年开始，昂鲁和随后的其他研究者已经在第二种和第三种色散关系下研究了霍金效应。

考虑一下类似霍金的声子在时间反转时的情况。开始时，色散类型并不重要。声子朝下游的视界游去，它们的波长一直在缩短。一旦波长接近分子间距，特殊的色散关系就变得重要了。对于第二种来说，声子会减慢，然后调转方向，开始再次逆流而上。对于第三种来说，它们会加速，突破长波的声速，然后穿越视界。

以太归来

对霍金效应的严格分析，必须满足一个重要的条件：虚声子对必须在它们的基态出现，就像黑洞周围的虚光子对一样。在真实的流体中，这个条件很容易满足。只要宏观的流体流动状态在时间和空间中缓慢变化(与分子级别的步调相比而言)，分子状态就会不断调整，总体上使系统的能量状态最小化。流体是由哪些分子组成并不重要。

当这个条件得到满足时，不论采用三种色散关系中的哪一种，流体都会发射出类似霍金的辐射。流体的微观细节不会产生任何效果。它们会在声子离开视界的过程中被淘汰掉。另外，最初的霍金理论所产生的任意短的波长，不论在第二种还是第三种色散关系中都不会出现，相反，波长会在分子间距处达到底线。无限红移只是无限小的原子这种非物理假设的具体表现。

应用到真实的黑洞上，尽管霍金进行了简化，流体相似性仍然为人们对霍金的正确结论增添了信心。此外，它还向一些研究者暗示，引力黑洞视界的无限红移也许同样可以通过短波长光子的色散而消除。但是这就存在着一个问题：相对论断言，光在真空中不会发生色散。光子的波长在不同的观测者眼中似乎是不同的；从一个运动速度非常接近光速的参考系中来看，它可以变得任意长。因此，物理规律无法限定出一个固定的短波波长临界点，在这里，色散关系从第一种变到第二种或者第三种。每个观测者都会感觉到不同的临界点。

物理学家因此进退维谷。他们要么保留爱因斯坦发出的反对优先参考系的指令，忍受无限红移；要么他们假设光子没有经历无限红移，不得不引入一个优先参考系。这个参考系会违背相对论吗?现在还不得而知。也许这个优先参考系只是在黑洞视界附近出现的局域效应——在这种情况下，相对论通常还是继续适用的。另一方面，也许这个优先参考系无处不在，并不只是出现在黑洞附近一在这种情况下，相对论就只是一种更深层自然理论的近似了。实验者还没有发现这样的参考系，但这寥寥无几的结果也许仅仅是因为缺少足够的精度。

长期以来，物理学家怀疑，要调和广义相对论与量子力学，将会涉及短距离上的临界点，也许与普朗克尺度有关。声学相似性支持了这种猜疑。要制服不确定的无限红移，时空在一定程度上必须由颗粒构成。

如果是这样，声和光之间的传播就会比昂鲁最初认为的更好。广义相对论和量子力学的统一，也许会使我们抛弃理想化的空间与时间连续性，发现时空的“原子”。1954年，即爱因斯坦去世的前一年，他也许已经有了类似的想法，在写给他的密友米谢勒·贝索(MicheleBesso)的信中，他提到：“我认为物理学很有可能无法基于‘场’的概念，也就是说，无法基于连续性的结构。”但是这恰好会破坏物理学的基础，目前，科学家也还没有找到明确的候选理论来替代。事实上，爱因斯坦接着说：“那么我的整个空中城堡，包括引力理论在内，还有其余的现代物理学，都将荡然无存。”50年后，尽管这座城堡的未来尚不明朗，但它依旧岿然不动。也许，黑洞及其声学对应体已经开始照亮未来之路，正在探索前进。