模拟引力:实验室中的终极理论之梦
原创
2016-11-20
韩冬
科研圈
一篇被人遗忘的论文如何开启一个新的领域?一个引人注目的实验结果能否经受严格的检验?终极理论的梦想陷入困境之时,物理学家能否另辟蹊径,找到新的方向? 撰文 《环球科学》记者 韩冬 审校 张双南 中科院高能所研究员 施郁 复旦大学物理系教授
由于量子效应,真空会不断产生虚粒子对,这些虚粒子对一般很快湮灭消失。但在黑洞视界附近存在特殊情况:其中一个粒子可能落入黑洞,而另一个侥幸逃脱。对视界外的观察者来说,黑洞在发出霍金辐射。 黑洞视界附近虚粒子对 图片来源:Mihail Petev 验证霍金辐射必将大大加深物理学家对于时空本性的理解。“如果霍金辐射被观察到,我认为最直接的后果就是霍金拿到诺贝尔物理学奖。”中科院高能所研究员张双南这样告诉《环球科学》。
2016年8月,《自然-物理学》(nature physics)上的一篇论文引发了科学界的广泛关注,国内外媒体也进行了大量报道。论文的唯一作者、以色列理工学院物理教授 Jeff Steinhauer 称,他从实验室一个由玻色-爱因斯坦凝聚态创造的“声学黑洞”中观察到了霍金辐射。 然而事情很快出现转折。以色列威兹曼科学院教授 Ulf Leonhardt 在 arXiv 上发表论文质疑 Steinhauer 的结果。他向《环球科学》表示,Steinhauer 虽然曾在实验上取得过很大成就,但这次的实验不足以证明他观察到了霍金辐射。Leonhardt 已经他的将论文投至《自然-物理学》。那么 Steinhauer 到底观察到霍金辐射了吗? 类比思想开启新的领域 探索未知的道路总是充满荆棘,而一些物理学家另辟蹊径,运用物理学中最重要的方法——类比,试图从类似的现象中寻找启发。研究基础物理,除了利用超级对撞机、大型望远镜,也可以在小小的实验室中进行。 图片来源:Mihail Petev Unruh 对《环球科学》解释说,我们可以将黑洞想象成一个瀑布,瀑布的小鱼可以代表声速。当水的流速超过小鱼逆流游动的速度,小鱼最终会落入瀑布中,类似物质落入黑洞中。
表面波速等于水流速度的地方,就相当于“视界”。 图片来源:Weinfurtner et al. Germain Rousseaux 是法国国家科学研究中心(CNRS)的科学家。他和同事最早进行了水波模拟引力的实验。水中的声速大概是1500m/s,如果用这个声波模拟视界,就需要水流的速度超过水中的声速。这会大大增加实验的难度,而且可能产生激波破坏模拟过程。研究者在流动的水中设置障碍物,并对表面波进行调节,在表面波速度等于水流速度的地方,相当于黑洞视界的模拟。水波实验看似简单,但也并非易事。霍金辐射是线性过程,但水中存在诸如湍流等非线性因素,都会大大干扰实验的结果。设计水中的障碍物也是一个难点。 图片来源:Steinhauer
科学新闻常常出现诸如“科学家取得重大发现”的头条。但是大部分爆炸性新闻并不代表切实的科学突破,总是在短暂掀起舆论热潮后悄悄消失,很快被公众淡忘。像引力波这样确定的科学发现少之又少。许多媒体将 Steinhauer 的实验报道为“科学家首次观察到霍金辐射”。那么,Steinhauer 究竟在声学黑洞中观察到霍金辐射了吗?我们只能说不知道,因为结果还需要进一步验证。Rousseaux 对《环球科学》说,引力波实验有两个探测器,能够比较结果,所以给出了肯定的结论,而模拟引力领域还在发展,缺乏类似的比较或验证实验。 对于寻找霍金辐射,Leonhardt 理解人们对“大新闻”的非理性期望。但作为科学家,他说,“我会阅读原始文献,而不相信新闻头条。” 在 Leonhardt 发出质疑后,《环球科学》联系了 Steinhauer。沉寂了一段时间的 Steinhauer 在受到质疑的两周之后——也就是9月28日,在 arXiv 发表论文,逐条回应 Leonhardt 的质疑,并第一时间告知了《环球科学》。质疑并没有让 Steinhauer 止步,当《环球科学》询问他未来的研究计划时,他表示会尝试各种各样的可能性。
值得一提的是,研究霍金辐射只是模拟引力领域研究的一部分,模拟引力更大的目标是量子引力。由于引力极为微弱,直接观察量子引力的效应几乎不可能,而模拟引力就提供了探索量子引力的另一种途径。相关的理论研究也能从模拟引力中得到启发,一个有趣的例子是衍生引力(emergent gravity)。我们熟悉的水可以用流体力学描述,但到了分子的层面,水分子会遵循完全不同的物理。衍生引力的提出基于类似的思考,认为引力并不是基本的物理。 参考文献 [1] S. W. Hawking , “Black hole explosions?”, Nature, 248, 30–31, (1974). [2] W. G. Unruh, “Experimental black hole evaporation”, Phys. Rev. Lett., 46, 1351–1353, (1981). [3] T. A. Jacobson, “Black-hole evaporation and ultrashort distances”, Phys. Rev. D, 44, 1731–1739, (1991). [4] G. Rousseaux, C. Mathis, P. Maissa, T. G. Philbin, and U. Leonhardt, “Observation of negative-frequency waves in a water tank: a classical analogue to the Hawking effect?”, New J. Phys., 10, 053015, (2008). [5] R-J. Yang, S. N. Zhang, Modified clock inequalities and modified black hole lifetime Phys. Rev. D 79, 124005, (2009). [6] S. Weinfurtner, E. W. Tedford, M. C. J. Penrice, W. G. Unruh and G. A. Lawrence, “Measurement of stimulated Hawking emission in an analogue system”, Phys. Rev. Lett., 106, 021302, (2011). [7] C. Barcelo, S. Liberati, M. Visser, Analogue Gravity, Living Rev. Relativity, 14, (2011). [8] J. Steinhauer, Observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole, Nat. Phys. 12, 959 (2016). [9] U. Leonhardt, Questioning the recent observation of quantum Hawking radiation, arXiv:1609.03803v2. [10] J. Steinhauer, Response to version 2 of the note concerning the observation of quantum Hawking radiation and its entanglement in an analogue black hole, arXiv:1609.09017. 阅读更多 ▽ 故事 · 殖民外星球,解码基因组:二十一世纪两大科学狂人的不羁人生 ▽ 论文推荐 · 补牙党的福音:这种星形结构能延长牙齿填充料的使用寿命! | Phys.Rev.Lett. 论文推荐 · 即使是物理学家,也“惧怕”数学 | New Journal of Physics · 自闭症和线粒体 DNA 突变有关 | Plos Genetics 论文推荐 ▽ 论文导读 内容合作请联系 keyanquan@huanqiukexue.com 这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们:
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