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好事儿娇娘|模拟引力：实验室中的终极理论之梦( 二 )



好事儿娇娘|模拟引力：实验室中的终极理论之梦
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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 。
1981年 ， Unruh 发表论文 ， 进一步提出运动流体中的声波可以类比弯曲时空中的光子 。 这个“声音视界”在很多方面都类似黑洞对光的视界 ， 而且描述这两种现象的数学几乎是一样的 ， 只不过描述对象一个是声一个是光（或者其他量子场） 。
在天体物理的黑洞中 ， 光线无法逃脱；而在声学黑洞中 ， 声音无法逃脱 。 掉进声学黑洞会发生什么？那就是无论你怎么大声呼救 ， 外边的人都听不到你 。 声学黑洞就像个不会说话的“哑巴” ， 所以也被称作“哑洞”（dumb hole） 。
Unruh 的论文在许多年内都没有引起人们的注意 。 然而大约十年后 ， 马里兰大学学院市分校的Ted Jacobson 根据 Unruh 的类比思想发表了一篇关于跨普朗克尺度物理（trans-Planckian）文章 ， Unruh 的开创性论文由此收获大量引用 ， 使得一个领域蓬勃发展起来 ， 这个领域就是模拟引力（analogue gravity） 。
霍金辐射的普适性 模拟引力是在非时空背景（主要在凝聚态系统）中研究广义相对论以及量子引力的方法 。 经过二十多年的发展 ， 物理学家已经尝试在各种各样的系统中模拟引力 ， 包括水波、玻色-爱因斯坦凝聚态、光学系统、极化激元（polariton）等 。 而 Steinhauer 也并不是第一个声称利用模拟系统观察到霍金辐射的人 。 Silke Weinfurtner、Daniele Faccio 等人也曾报告观察到霍金辐射 。

好事儿娇娘|模拟引力：实验室中的终极理论之梦
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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 。
Rousseaux 告诉《环球科学》：“水波的实验在不断改进 。 2008年的时候 ， 我和同事在尼斯第一次尝试用水波模拟黑洞 ， 观察到霍金辐射的迹象 。 但实验存在缺点 ， 一些现象没有得到充分理解 ， 我们未能得出决定性的结论 。 2011年 ， Weinfurtner 和 Unruh 在温哥华改进了我们的实验 ， 发现了新的现象 ， 但结果存在一定争议 。 2016年 ， 我们在普瓦捷对实验又做了改进 ， 观察到新的霍金辐射迹象 ， 结果发表在了今年9月份的《物理评论快报》（PRL）上 。 ”
Silke Weinfurtner 是英国诺丁汉大学的物理学家 ， 她从事引力理论和实验工作 ， 也曾和 Unruh 合作过文章 。 她仍在继续改进水波的实验 ， 希望今年能发表新的实验结果 。 Weinfurtner 说 ， “水波实验不能模拟出视界的所有特征 ， 但可以模拟黑洞周围的微小激发 。 我们已经在各种各样的媒介中观察到霍金辐射的迹象 ， 这显示出霍金辐射的普适性（universal） 。 描述霍金辐射并不需要完整的量子引力理论 。 ”
水波实验在模拟引力中也存在一定局限 。 比如水波不能模拟粒子对的量子纠缠 ， 因此不能探索量子霍金辐射 。 “量子霍金辐射只能在量子系统中观察 ， 比如玻色-爱因斯坦凝聚态（超流体） ， ” Weinfurtner 对《环球科学》解释道 ， “这就是为什么 Steinhauer 的实验非常有必要并且有趣的原因 。 但是他的实验还需要更多实验以及不同模拟系统的实验进一步确认 。 ”


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