黑洞會(huì)蒸發(fā)嗎？為什么宇宙會(huì)加速膨脹？在實(shí)驗(yàn)室里建個(gè)“冰凍宇宙”來(lái)尋找答案。
想象一下你躺在一個(gè)巨大的浴缸里，然后有人拔掉了塞頭。水開(kāi)始從浴缸流走，然而更糟糕的事情在后面。水流動(dòng)的速度逐漸加快到超音速，于是沒(méi)人會(huì)再次聽(tīng)到你的叫喊。你的聲音與你一起從浴缸中消失，卷入到下水道里。
盡管這看似是一種超現(xiàn)實(shí)主義的噩夢(mèng)，卻相當(dāng)客觀(guān)地描述了一個(gè)粒子穿過(guò)黑洞的事件視界（黑洞的邊界）的情況。
盡管我們確信黑洞是存在的，但我們從來(lái)沒(méi)有直接觀(guān)測(cè)到一個(gè)，更別說(shuō)靠近黑洞了。這時(shí)，前面的浴缸類(lèi)別就變得重要了起來(lái)。完全理解這種類(lèi)別，不僅意味著我們多了一個(gè)理解黑洞的新方式，而且還可以撬開(kāi)宇宙學(xué)中一些頑固的堅(jiān)果——從為什么宇宙會(huì)加速膨脹，到這一切是如何開(kāi)始的。
驗(yàn)證霍金輻射
黑洞以吞噬任何靠近它的東西而聞名于世，就連陷入其中的光也無(wú)法從中逃離出來(lái)。但是在1974年，英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬·霍金發(fā)現(xiàn)，所有的黑洞都會(huì)產(chǎn)生輻射，黑洞最終會(huì)因不斷輻射而完全蒸發(fā)掉。物理學(xué)家們把這種輻射叫做霍金輻射。
霍金輻射其實(shí)是一種量子效應(yīng)，是來(lái)自真空中的量子漲落。量子物理學(xué)認(rèn)為，真空中充滿(mǎn)了粒子-反粒子對(duì)，它們會(huì)自發(fā)地成對(duì)出現(xiàn)，然后幾乎在瞬間彼此湮滅，這就是量子漲落。如果這種粒子對(duì)出現(xiàn)在黑洞事件視界附近的話(huà)，那么其中的一個(gè)會(huì)掉進(jìn)黑洞，另一個(gè)可以逃離黑洞。雖然有一個(gè)粒子已經(jīng)掉在黑洞里面去了，但掉進(jìn)黑洞的粒子具有負(fù)能量，會(huì)減少黑洞的質(zhì)量。這樣時(shí)間一長(zhǎng)，黑洞就會(huì)不停地產(chǎn)生粒子并向外輻射，并損失質(zhì)量。
熱力學(xué)原理告訴我們，有輻射就有溫度。理論表明，黑洞的質(zhì)量越小，溫度越高，霍金輻射越強(qiáng)。但是，對(duì)于一個(gè)有著30個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其溫度也只是比絕對(duì)零度高了一點(diǎn)點(diǎn)而已，你很難在這混亂的宇宙背景下找到黑洞產(chǎn)生的輻射。在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，曾被認(rèn)為可產(chǎn)生迷你黑洞和可測(cè)量的霍金輻射，但事實(shí)上它的能力與產(chǎn)生迷你黑洞的要求差得很遠(yuǎn)?；艚鹁驮f(shuō)，“這很遺憾，因?yàn)槿绻麄冏龅搅耍揖蜁?huì)獲得一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)?！?/p>
那么，怎樣驗(yàn)證霍金的研究結(jié)果呢？
超流體是一種具有奇特性質(zhì)的理想流體，流體內(nèi)部的摩擦系數(shù)（即粘度）為零。因?yàn)闆](méi)有摩擦，在理想情況下，超流體形成的旋渦會(huì)永遠(yuǎn)地旋轉(zhuǎn)下去。1981年，一些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，描述超流體以超音速流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程，與描述黑洞周?chē)鷷r(shí)空的度規(guī)（廣義相對(duì)論中描述時(shí)空幾何性質(zhì)的數(shù)學(xué)函數(shù)）是相似的。也就是說(shuō)，以超音速流動(dòng)的超流體可以制造出一個(gè)聲學(xué)黑洞，陷住聲音的粒子，即“聲子”，就像一個(gè)天文學(xué)的黑洞可陷住光子一樣。那么，就像天文學(xué)的黑洞一樣，量子漲落也會(huì)使得聲學(xué)黑洞產(chǎn)生霍金輻射，只不過(guò)輻射出的是聲子。因此，超流體可以用來(lái)檢測(cè)霍金的想法，但要求的技術(shù)條件非?？量?。
制造聲學(xué)黑洞
1995年，一個(gè)贏得了諾貝爾獎(jiǎng)的科研進(jìn)展出現(xiàn)了：第一個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)被制造出來(lái)。這是一個(gè)與固體、液體和氣體完全不同的物質(zhì)狀態(tài)，它是由一堆原子冷卻到只比絕對(duì)零度高幾毫微開(kāi)爾文的溫度而制造出的狀態(tài)。此時(shí)，每個(gè)原子都失去了自己的特別之處，運(yùn)動(dòng)時(shí)如同一個(gè)超大原子。如果將一群原子以一群人來(lái)表示，那么進(jìn)入玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)則意味著這群人同時(shí)成為了訓(xùn)練有素的士兵，整齊劃一地行動(dòng)。
有許多玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)都是超流體，而且聲音在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)中的傳播速度每秒只有幾毫米。于是，制造一個(gè)聲學(xué)黑洞突然變得可行起來(lái)。
2005年開(kāi)始，來(lái)自意大利的物理學(xué)家用計(jì)算機(jī)建立了一個(gè)聲學(xué)黑洞模型。他們的模擬結(jié)果顯示，當(dāng)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)開(kāi)始以超音速流動(dòng)時(shí)，一個(gè)聲學(xué)黑洞的事件視界就會(huì)形成，而霍金輻射產(chǎn)生的聲子也會(huì)自發(fā)地出現(xiàn)。
2009年，以色列理工學(xué)院的物理學(xué)家已經(jīng)可以使用激光把長(zhǎng)而薄的凝聚態(tài)加速到超音速，并最終形成了一個(gè)有著事件視界的聲學(xué)黑洞。但測(cè)量產(chǎn)生的聲子來(lái)驗(yàn)證霍金輻射卻更為棘手，因?yàn)榛艚疠椛溥^(guò)于微弱。直到不久前，他們才宣布檢測(cè)到了由一個(gè)事件視界產(chǎn)生的原始的未加放大的聲子，相應(yīng)的論文正進(jìn)行著同行評(píng)審。
如果這個(gè)結(jié)果最終被證實(shí)，將是一個(gè)重大的突破，因?yàn)檫@將是第一個(gè)檢測(cè)到霍金輻射的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。
超流體宇宙學(xué)
聲學(xué)黑洞不僅能進(jìn)一步闡明天文學(xué)黑洞的神秘性質(zhì)，如果讓超流體以其他方式流動(dòng)，你還可以制造出時(shí)空其他的幾何結(jié)構(gòu)，來(lái)解決其他的宇宙學(xué)問(wèn)題。
例如，宇宙大爆炸發(fā)生之后不久，宇宙就發(fā)生了暴脹，即以指數(shù)形式發(fā)生了急速的膨脹?，F(xiàn)在的宇宙學(xué)理論預(yù)測(cè)，在這一階段，時(shí)空的量子漲落也得到了放大，最終它決定了星系團(tuán)等宇宙大尺度下物質(zhì)的分布。我們不能直接測(cè)試這個(gè)想法，但是一些物理學(xué)家已證明，可以使用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)模擬當(dāng)時(shí)的情況，并分析量子漲落產(chǎn)生聲子的細(xì)節(jié)。一種實(shí)現(xiàn)這種模擬的辦法是，利用激光或磁場(chǎng)來(lái)突然壓縮冷凝物，從而改變聲音的傳播速度。這種變化類(lèi)似于光因宇宙膨脹而改變傳播時(shí)間一樣。
另外，超流體類(lèi)比還可以為破解暗能量之謎提供一些線(xiàn)索。根據(jù)廣義相對(duì)論，宇宙中存在著一些看不見(jiàn)的幽靈能量，促使宇宙加速膨脹。這就是所謂的暗能量。廣義相對(duì)論可以加入一種“宇宙學(xué)常數(shù)”，來(lái)代表可加速空間膨脹的暗能量。
因?yàn)檎婵沾嬖谥孔訚q落，所以真空本身也具有能量，稱(chēng)為“真空能”。暗能量可能就是真空能。但問(wèn)題是，理論計(jì)算所得的數(shù)值竟然是觀(guān)測(cè)值的10120多倍。那么這個(gè)巨大差距來(lái)自哪里呢？答案可能就藏在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)之中。
在這種凝聚態(tài)中，并不是所有的原子都冷卻到了能量最低的狀態(tài)，所以你永遠(yuǎn)不可能得到一個(gè)完美的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。更重要的是，這些“掉隊(duì)的士兵”反過(guò)來(lái)會(huì)與凝聚態(tài)本身發(fā)生作用。研究表明，這種作用會(huì)大幅度地減少宇宙學(xué)常數(shù)的數(shù)值，把這個(gè)減少的數(shù)值加上去，又就使得理論與觀(guān)測(cè)相符了。
科學(xué)家相信，廣義相對(duì)論可能并不是描述時(shí)空的最基本的理論，到目前為止，我們還沒(méi)有找到這個(gè)更基本的理論，部分原因是我們沒(méi)有辦法用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)關(guān)于這個(gè)理論的形形色色的假設(shè)。在這個(gè)意義上，仔細(xì)傾聽(tīng)超流體的聲音，可能是實(shí)現(xiàn)物理學(xué)家的終極夢(mèng)想的一種辦法。也許，超流體最終會(huì)使得理論物理與實(shí)驗(yàn)再次聯(lián)系起來(lái)。
本文源自大科技<科學(xué)之謎> 2017年第10期雜志文章 歡迎您關(guān)注大科技公眾號(hào)：hdkj1997
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