好事儿娇娘|模拟引力：实验室中的终极理论之梦
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相对论和量子力学理论是现代物理的基石 。 它们均诞生于20世纪的前30年 ， 从根本上改变了人类对世界的认识 。 但遗憾的是 ， 广义相对论和量子力学仍然不能融洽相处 。 因此 ， 建立量子引力理论 ， 把广义相对论和量子力学统一在一个理论框架内 ， 是物理学家的一直以来的梦想 。
霍金辐射或许能为理解量子引力提供启发 。 一直以来人们都认为物质落入黑洞是只进不出的单向旅程 ， 甚至连光也不能逃脱 。 1974年 ， 霍金将量子力学应用到黑洞视界附近 ， 提出假说：黑洞也会释放辐射 ， 这就是著名的霍金辐射 。
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 。
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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》 。
追寻微弱的辐射 寻找霍金辐射的证据是黑洞研究长久以来的一个课题 。 然而 ， 运用天体物理的方法直接观测霍金辐射的可能性微乎其微 。
根据霍金理论 ， 霍金辐射与黑洞质量成反比 。 一个太阳质量的黑洞 ， 所释放的霍金辐射的温度低于千分之一开尔文 ， 而宇宙微波背景辐射约为3开尔文 。 所以霍金辐射会湮没在宇宙微波背景辐射的“光辉”之中 。 实现观测比在白天看星星还要困难 。
不过 ， 宇宙形成之初可能留下了微型黑洞 ， 它们的霍金辐射温度高于宇宙微波背景辐射 。 如果这些微型黑洞的质量在1015克量级以上 ， 它们今天仍有可能存在于银河系附近 。 这些黑洞通过霍金辐射在最后一刻可能产生伽玛射线爆发 ， 或许能被伽玛射线探测器观测到 。 但这些黑洞非常小 ， 只能产生极少的霍金辐射 ， 同样难以观测 。
目前 ， 探测黑洞霍金辐射的所有尝试都没有给出肯定的结果 。 对于能否观察到霍金辐射 ， 一些物理学家持悲观态度 。 或许宇宙大爆炸时没有产生这么多的微型黑洞 ， 霍金的理论也可能存在问题 。 比如张双南和他的学生杨荣佳曾经发表修改霍金辐射的理论 ， 提出黑洞的霍金辐射进行到最后也许不会产生伽玛射线爆发 ， 而是形成稳定的粒子 ， 而这种粒子则可能就是暗物质 。 如果真的是这样 ， 就无法观测到天体物理黑洞的霍金辐射了 。
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 。
William Unruh 是加拿大英属哥伦比亚大学物理教授 ， 曾提出“Unruh 效应” 。 他对《环球科学》回忆起“声学黑洞”思想的形成 。 1972年 ， 现代宇宙学之父、霍金的导师 Denis Sciama 邀请 Unruh 到牛津大学做了关于黑洞的学术讨论会 ， Unruh 使用了更加直观的方法描述黑洞 ， 利用声音的类比描述黑洞 。 后来在教授流体力学课程时 ， 他再一次想到这个类比 ， 于是进行了详细的计算 ， 发现结果远比他想象的更好 。
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