Geoff Brumfiel 文 Shea 譯

物理學(xué)家們經(jīng)常借鑒其他領(lǐng)域的技術(shù)。但是從這些技術(shù)中你能獲得些什么呢？實(shí)驗(yàn)桌上的簡單實(shí)驗(yàn)?zāi)転樵缙谟钪嫣峁┬碌囊娊鈫幔?/p>

信不信？你們家的廚房里就隱藏著司空見慣但卻令人著迷的物理現(xiàn)象！當(dāng)從龍頭中流出的水打到洗碗池底部的時(shí)候，它會形成一個(gè)由水流組成的“圓盤”。水從上方緩緩地注入這個(gè)“水盤”，然后沿著徑向流出。水流甚至還會形成一個(gè)波紋環(huán)，這個(gè)環(huán)中有著比水池中其他部分更多的湍流。在這個(gè)環(huán)以外，水池中充滿了波動和漩渦；但是在這個(gè)環(huán)以內(nèi)，由于水流過快使得外面的水波無法穿過，因此水池中這個(gè)環(huán)以外的其他信息無法進(jìn)入這個(gè)環(huán)的內(nèi)部。

天文學(xué)界長久以來的一個(gè)愿望就是重建黑洞周圍的“視界”——一個(gè)有去無回的面。理論物理學(xué)家已經(jīng)花了幾十年的時(shí)間在計(jì)算視界周圍的物理現(xiàn)象上，而天文學(xué)家則花了更長的時(shí)間和幾十億的美元想一窺視界究竟是個(gè)什么樣子。然而，其他一些物理學(xué)家認(rèn)為，通過研究水池中的水流，他們也許至少能提供這個(gè)問題的部分答案。

水池中的“水盤”和黑洞還是存在一些差異的。例如，水池中的水是從波紋環(huán)內(nèi)部向外流動的，而黑洞吸積物質(zhì)的情況正好相反。但是按照加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)家比爾·昂魯（Bill Unruh）的說法，這兩者要比你想象的還要接近。早在20世紀(jì)80年代早期，作為思想實(shí)驗(yàn)昂魯就設(shè)想了一種類似的流體運(yùn)動。他假想有一個(gè)瀑布，其中水流的速度超過了水中的聲速。在這樣的系統(tǒng)中，在水流達(dá)到聲速的那個(gè)面就形成是了“視界”，水中的聲波無法逃逸到“視界”之外?！叭绻隳芮〉胶锰幍卣{(diào)節(jié)水流”他說，“你確實(shí)可以模擬出一個(gè)黑洞?！?nbsp;

調(diào)節(jié)水流

從那時(shí)起，有一小批科學(xué)家便投身到模擬黑洞和早期宇宙等深奧現(xiàn)象中去了。但是在有人開始考慮聰明地采用廚房的水池之前，有一些事情值得提醒。昂魯說的“恰到好處地調(diào)節(jié)水流”現(xiàn)在意味著使用溫度僅僅高于絕對零度的超流液氦或者是更復(fù)雜的系統(tǒng)，例如在玻色-愛因斯坦凝聚中被束縛住的超低溫原子——另一種具有量子特性接近絕對零度的流體。目前絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還停留在圖紙的階段，僅有一小部分的實(shí)驗(yàn)才成功地進(jìn)行了。

那么下一個(gè)問題就是這些模型究竟可以告訴你些什么？如果系統(tǒng)B可以在某些方面模擬系統(tǒng)A并且呈現(xiàn)出了一些迄今尚未觀測到的現(xiàn)象，這是否就意味著系統(tǒng)A也是如此呢？或者是否干脆就說明了兩者確實(shí)存在差異呢？

[圖片說明]：加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的理論物理學(xué)家比爾·昂魯（Bill Unruh）。

雖然有這些憂慮，但為數(shù)不多卻非常執(zhí)著的物理學(xué)家在廚房的水池或者是桌面宇宙學(xué)中正不斷地創(chuàng)造出新的驚喜。這些科學(xué)家絕大多數(shù)來自歐洲，那里為這些研究提供了少量但卻穩(wěn)定的資助。許多的研究要用到超流氦，這是一種研究相變——不同物態(tài)之間的轉(zhuǎn)變——和量子效應(yīng)的絕佳物質(zhì)，而這兩種現(xiàn)象在宇宙學(xué)中也極為重要。2008年1月底，這些對凝聚態(tài)物質(zhì)和宇宙學(xué)感興趣的科學(xué)家在英國倫敦皇家學(xué)會聚集一堂商討他們的未來?！凹热荒銦o法去黑洞周圍或者早期宇宙現(xiàn)場做實(shí)驗(yàn)，”美國華盛頓天主教大學(xué)的宇宙學(xué)家坦梅·梵恰斯帕蒂（Tanmay Vachaspati）說，“那么我們就在實(shí)驗(yàn)室里來實(shí)現(xiàn)它?！?/p>

宇宙暴漲

按照美國普林斯頓大學(xué)宇宙學(xué)家保爾·斯坦哈特（Paul Steinhardt）的說法，含蓋從瀑布到半導(dǎo)體的凝聚態(tài)物理學(xué)總能為宇宙學(xué)家們提供靈感。20世紀(jì)80年代中期，他從事的工作是完善暴漲宇宙學(xué)。暴漲宇宙學(xué)提出，宇宙在大爆炸之后不久經(jīng)歷了一個(gè)極端高速膨脹的時(shí)期。斯坦哈特說，當(dāng)時(shí)的問題是沒有人知道怎樣才能解釋暴漲是如何轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的慢速膨脹的。那時(shí)主流的觀點(diǎn)是現(xiàn)在的宇宙形成于暴漲宇宙的一個(gè)“時(shí)空泡”中，但是按照計(jì)算，這樣一個(gè)時(shí)空泡只能是真空的——物質(zhì)和能量無法在其中形成。

斯坦哈特自己也深陷其中很長時(shí)間，直到他看到了一篇關(guān)于混有氦同位素的奇特“相變”的報(bào)道。普通的流體會改變它們的相，例如從氣態(tài)變成液態(tài)，類似于理論物理學(xué)家相信的宇宙暴漲停止轉(zhuǎn)化的過程。但是混合的超流氦則會以完全平滑、均勻的方式來改變它們的屬性。斯坦哈特說，把這一現(xiàn)象應(yīng)用到宇宙學(xué)，超流相變就能使得整個(gè)宇宙從暴漲緩緩地“滾落”到目前的狀態(tài)。

從此，超流氦成為了這些模擬實(shí)驗(yàn)的首選材料。尤其是氦的同位素氦-3（具有2個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子），它具有極為不同尋常的特性，使得它成為了絕好的宇宙代言人。

除了奇特的相變之外，氦-3還會發(fā)生“對稱性破缺”的現(xiàn)象。通常情況下，流體中原子對的自旋和軌道角動量的指向是隨機(jī)排列的。但是隨著溫度的降低，氦原子們會一下子指向同一個(gè)方向。這個(gè)過程有點(diǎn)類似鐵屑會沿著磁場分布，但是氦原子的自發(fā)排列制造的卻是混亂。物理學(xué)家們相信宇宙早期的對稱性破缺產(chǎn)生出了除了引力之外的其他力。

芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)理論凝聚態(tài)物理學(xué)家格里沙·沃洛維克（Grisha Volovik）說，把這些都放到一起，氦-3的對稱性破缺和相變賦予了量子流體以重要的宇宙學(xué)特性。他說：“所有的成分都一應(yīng)俱全?！?/p>

那么這些相似性在多大程度上是可信賴的呢？而且如果要是宇宙學(xué)理論自身被證明是錯(cuò)誤的呢？在斯坦哈特完善暴漲理論的同時(shí)，英國倫敦帝國大學(xué)的理論物理學(xué)家湯姆·基伯（Tom Kibble）提出了另一個(gè)模型。基伯認(rèn)為，早期宇宙由于膨脹而冷卻會形成大質(zhì)量的結(jié)構(gòu)性缺陷——被稱為宇宙弦——它們是今天我們所看到大尺度結(jié)構(gòu)的種子。 
 

基伯的理論和氦-3符合得很好。氦-3的快速冷卻會導(dǎo)致“量子渦旋”的產(chǎn)生，這與他的理論一致。但是他說，不幸的是，他關(guān)于星系結(jié)構(gòu)的宇宙弦理論無法解釋大爆炸之后所殘留的宇宙背景輻射的天文觀測結(jié)果。在20世紀(jì)90年代早期用于研究宇宙背景輻射的衛(wèi)星發(fā)回觀測結(jié)果之后，基伯說：“很顯然，暴漲對觀測的預(yù)言非常精準(zhǔn)，而宇宙弦的預(yù)言則完全錯(cuò)了。”

換句話說，實(shí)驗(yàn)室模型驗(yàn)證了理論家的方程式，但是絕對沒有辦法告訴我們這些方程式在宇宙學(xué)中是不是適用。

這一早期的失敗使得許多實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家對實(shí)驗(yàn)室里的早期宇宙模型疑竇重生?！疤孤实刂v，”美國麻省理工學(xué)院凝聚態(tài)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)的主沃爾夫?qū)P特勒（Wolfgang Ketterle）說，“我不認(rèn)為未來的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芑卮鹩钪鎸W(xué)的基本問題?！?/p>

檢驗(yàn)弦理論

這些關(guān)注并沒有阻止英國蘭開斯特大學(xué)的理查德·哈雷（Richard Haley）把與基本物理理論中最難赴諸實(shí)驗(yàn)的弦理論有相似性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行下去。弦理論之所以飽受爭議就是因?yàn)樵谄浒l(fā)展的20多年中幾乎就沒有可供佐證的實(shí)驗(yàn)或者天文觀測，難怪一些批評家認(rèn)為弦理論更像是一個(gè)數(shù)學(xué)分支而不是物理。

一些弦理論認(rèn)為，我們的宇宙是一張懸吊在高維空間中的三維膜，就好像是處于三維空間中的一片二維紙張。在這些模型中，弦理論提出我們身處的膜與其他膜的碰撞終止了暴漲過程。如果真是如此，那么膜理論便解釋了暴漲為什么在那一時(shí)刻停止，這一在斯坦哈特早期工作中沒有回答的問題。

為了在實(shí)驗(yàn)中制造出兩個(gè)碰撞的膜，哈雷把兩種處于不同相的氦-3放到了一起。他的小組使用磁場做出了一個(gè)氦-3“三明治”，其中A相的超流氦位于中間而B相的氦位于兩側(cè)。然后他們通過降低磁場強(qiáng)度來使得兩層B相的氦碰撞。哈雷說，從數(shù)學(xué)上講它和宇宙膜十分相似。

在哈雷的實(shí)驗(yàn)中，兩層碰撞的氦并沒有緩緩地合并成一層均勻的B相氦，相反地留下了結(jié)構(gòu)性缺陷，其中絕大多數(shù)是與基伯預(yù)言相似的量子渦旋。如果這些渦旋在宇宙中有與之相似的對應(yīng)物的話，它們就應(yīng)該是可探測的宇宙弦。與基伯原始的想法不同，這些弦占宇宙質(zhì)量的比例要小很多，但是通過使用地面和空間觀測引力波的干涉儀應(yīng)該可以探測到它們的存在。同時(shí)，哈雷說他和他的小組正在試圖了解碰撞產(chǎn)生的不同種類的渦旋的性質(zhì)。

檢測不可測的事物

當(dāng)然，宇宙學(xué)家們在解釋這些實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果的時(shí)候需要格外謹(jǐn)慎。斯坦哈特注意到，弦理論中的膜是平直的而且會相互吸引，但是實(shí)驗(yàn)室中的氦-3“膜”卻是卷曲的而且彼此之間不具有吸引力。這個(gè)模型還遠(yuǎn)沒有達(dá)到完美的地步。但是美國卡弗利理論物理研究所的弦理論學(xué)家喬·坡欽斯基（Joe Polchinski）說，在弦理論這樣一個(gè)極端數(shù)學(xué)化的領(lǐng)域，任何一個(gè)能產(chǎn)生可檢驗(yàn)預(yù)言的實(shí)驗(yàn)都會具有重大的影響?！澳阌肋h(yuǎn)不會知道你會發(fā)現(xiàn)什么，”他說。

從實(shí)驗(yàn)者的角度來看，即使是不成功的相似性在其他領(lǐng)域也能找到新的用途。按照芬蘭赫爾辛基技術(shù)大學(xué)的馬蒂·克魯修斯（Matti Krusius）的說法，由基伯及其同事美國拉斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的量子物理學(xué)家沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）首次預(yù)言的量子渦旋已經(jīng)在其他實(shí)驗(yàn)中用于追蹤氦-3的運(yùn)動。“這是一種很漂亮的現(xiàn)象，”他說，“我們用它來研究湍流。”

德國德雷斯登技術(shù)大學(xué)的量子物理學(xué)家拉爾夫·舒茨霍德（Ralf Schützhold）說，宇宙學(xué)和凝聚態(tài)物理之間的交叉對雙方而言具有普遍而長遠(yuǎn)的好處。由于自大爆炸之后宇宙一直在膨脹，宇宙學(xué)家們手中用于描述這一膨脹的方程也能很好的用來描述那些不斷變化的系統(tǒng)。這使得它們特別適合用來研究相變和其他過程?！案鶕?jù)來自宇宙學(xué)的這些方程，我們可以很好地用它們來描述一些凝聚態(tài)物理中的現(xiàn)象，”他說。

舒茨霍德和他的小組正在致力于另一個(gè)不同的宇宙學(xué)相似物的研究，它將有助于解釋宇宙中物質(zhì)和能量的起源。在通常的環(huán)境下，原子會不停地運(yùn)動。但是當(dāng)單個(gè)原子被冷卻到絕對零度附近時(shí)，它真實(shí)的運(yùn)動就會轉(zhuǎn)化成“虛”的量子漲落，這會暫時(shí)改變小范圍空間內(nèi)的能量。根據(jù)暴漲，宇宙學(xué)家們相信宇宙經(jīng)歷了正好相反的過程，真空中的虛量子漲落轉(zhuǎn)變成了實(shí)實(shí)在在的物質(zhì)和能量。舒茨霍德說，針對單個(gè)原子的實(shí)驗(yàn)可以告訴我們熱噪音和其他真實(shí)世界的效應(yīng)是如何改變量子漲落的。

量子振動

控制單個(gè)原子并不是一件輕而易舉的事，但是舒茨霍德的合作者、德國馬普量子光學(xué)研究所的圖比亞斯·沙茲（Tobias Schatz）說，他有理由相信他們能成功。他說，即使我們最終失敗了，這一計(jì)劃也會對他在量子計(jì)算領(lǐng)域的工作頗有幫助?！安还茉鯓游覀兌紩谶@條路上走下去，”沙茲說。

為了在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子的量子振動，需要完美地控制用來冷卻原子的激光系統(tǒng)?！斑@真的需要要把目前所能達(dá)到的技術(shù)推向極至，”凱特勒說。他說，把自己的職業(yè)生涯建筑在這些“相似性”上無異于“科學(xué)上的自殺”，特別是那些和實(shí)際宇宙相聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)昂魯提出的模擬黑洞的實(shí)驗(yàn)境況不佳。使用氦-3制造一個(gè)瀑布的努力終因流體中的湍流而宣告失敗。目前正在嘗試一些其他的手段。一些小組正在使用玻色-愛因斯坦凝聚，它的流速較氦-3更小。另一些所采用的技術(shù)則是在特殊的光纜中輸入一系列的光脈沖。

不管怎么樣，最終需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芫哂蓄愃坪诙吹牧孔有袨?。它可以使得我們觀測到霍金輻射——一種理論上預(yù)言的在黑洞視界周圍所產(chǎn)生的量子力學(xué)輻射效應(yīng)。一旦實(shí)驗(yàn)成功，它的報(bào)償也是豐厚的。在這樣的系統(tǒng)中觀測到的霍金輻射有助于告訴我們黑洞是否以及是如何“蒸發(fā)”的。

因此盡管為此等待了近20年，昂魯?shù)臒崆橐廊徊粶p當(dāng)年?！斑@是一個(gè)漂亮的想法，如果它能實(shí)現(xiàn)的話就更好了，”他說，“每次實(shí)驗(yàn)家們呈現(xiàn)在我面前的結(jié)果都能讓我驚嘆不已。”