宇宙中有些時間和地點(diǎn)是實(shí)驗無法“觸及”的，可能永遠(yuǎn)也無法觸及。黑洞內(nèi)部究竟發(fā)生了什么，在大爆炸后的前幾分之一秒內(nèi)發(fā)生了什么，都是純理論推測的問題。

20年來，英國諾丁漢大學(xué)的物理學(xué)家西爾克·魏因富特納（Silke Weinfurtner）一直在設(shè)計“模擬引力”實(shí)驗，模擬黑洞和早期宇宙等系統(tǒng)的流體。例如，她在流體中探測到類似霍金輻射的聲波——黑洞發(fā)出的微小熱量對宇宙中信息的變化有著深遠(yuǎn)的影響。她研究的另一種流體效應(yīng)模擬了宇宙結(jié)構(gòu)的種子是如何在大爆炸后的最初時刻播下的。

魏因富特納通過研究地球上的流體，來窺視宇宙中最極端和最遙遠(yuǎn)現(xiàn)象的物理真相。對于魏因富特納來說，在某些條件下，它們之間驚人的數(shù)學(xué)相似性是值得研究的。她最近對我說，

物理學(xué)的原理令人驚嘆，這似乎是大自然在我們真正困難的時候給我們的一根骨頭。

實(shí)驗無法觸及的“硬物理”包括量子引力的性質(zhì)。在愛因斯坦的廣義相對論中，當(dāng)物質(zhì)彎曲時空結(jié)構(gòu)時，引力就產(chǎn)生了。但物理學(xué)家尋求的是更基本的量子引力理論，這是愛因斯坦理論的基礎(chǔ)；正是這種量子引力理論控制了大爆炸和黑洞這樣的極端現(xiàn)象。而向這一完整理論邁進(jìn)的一種方法是研究時空結(jié)構(gòu)中的量子漲落。量子場論將粒子描述為場中的激發(fā)，就像池塘里的漣漪。然后，這些波動在彎曲的時空背景上分層。魏因富特納說，

許多新的很酷的物理學(xué)出現(xiàn)了。

令人驚訝的是，類似的物理出現(xiàn)在更熟悉的物理系統(tǒng)中。

你如何讓一桶液體表現(xiàn)得像早期宇宙？

假設(shè)這個方形咖啡桌是超流氦氣罐。我可以創(chuàng)造一個在桌面上傳播的表面波。如果我讓波速越來越小，使它趨近于零，波就永遠(yuǎn)不會到達(dá)邊界。對于這個波，這張桌子看起來無窮大。這就像宇宙膨脹，理論家認(rèn)為宇宙誕生后不久就發(fā)生了空間的快速膨脹。在膨脹過程中，鄰近的粒子看起來會以比光速還快的速度遠(yuǎn)離彼此，因此宇宙看起來無限大。

• 當(dāng)水在水槽底部的排水管中旋轉(zhuǎn)時，就會形成類似黑洞的流體。綠色的激光反射在水面上。

最近，你模擬了能量如何從驅(qū)動宇宙膨脹的量子場擴(kuò)散到早期宇宙中的物質(zhì)粒子，這是如何工作的呢？

在膨脹期間，你會在充滿時空的量子場中得到波動，這些波動隨著宇宙的膨脹而拉伸。它們被印在時空背景上，成為我們宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的種子。然后，在膨脹之后，這些“凍結(jié)模式”需要解凍，以便粒子可以重新開始相互作用。為此，宇宙學(xué)家使用了一種稱為預(yù)熱的機(jī)制，它將這些快速膨脹但從未真正相互作用的場創(chuàng)造出一個開始相互作用的環(huán)境。

你可以在液體中重現(xiàn)這個過程。輕拍或搖動液體表面，就能產(chǎn)生一定頻率的波。如果這個波不是很高，那么這個波就不會與其他不同頻率的波相互作用——你可以在浴缸里試試這個。但如果振幅變大，不同的頻率就會相互作用。

在數(shù)學(xué)中，波動方程中有這樣的部分——“每個波都只關(guān)心自己的事情”。然后還有非常非常多的額外項告訴我們每個頻率如何與另一個頻率相互作用。原則上，幾乎有無限多的項可以考慮，所以我們必須選擇一些項來關(guān)注，否則你解不出這個方程。我們假設(shè)系統(tǒng)中沒有耗散，場之間是弱相互作用等等。

在我們的實(shí)驗中，我們測試了這些近似是否合理。我們的系統(tǒng)內(nèi)置了所有的交互項。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)所有宇宙學(xué)家使用的近似都延續(xù)了下來。所以這些假設(shè)是可靠的；它們在系統(tǒng)中經(jīng)受得住檢查。

通過研究一個大水槽里的流體運(yùn)動，你就能知道早期宇宙或黑洞中發(fā)生了什么，這仍然令人驚訝。是什么支撐了這一切？

描述浴缸中物理現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方程也描述了黑洞周圍或早期宇宙的物理現(xiàn)象。人們不能說這些是相同的系統(tǒng)。流體系統(tǒng)是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理系統(tǒng)，它們的數(shù)學(xué)也相當(dāng)復(fù)雜——用納維-斯托克斯方程來描述。但有了某些可以在實(shí)驗中復(fù)制的假設(shè)，你就可以大大降低這種復(fù)雜性，你可以得到一個方程，這個方程可以映射出量子或經(jīng)典場在黑洞周圍或早期宇宙中是如何傳播的。我找到了同樣的方程，一個很好的近似。這都是建立在數(shù)學(xué)類比上的。

我的意思是，如果方程相同，物理原理也應(yīng)該相同。我想要理解這一數(shù)學(xué)。我不在乎它是在黑洞中還是在其他系統(tǒng)中。在一個特定的系統(tǒng)之外，還有一個更深層的真相。這就是我們想要的。

這是建立在普遍性的基礎(chǔ)上的，在系統(tǒng)的微觀細(xì)節(jié)之上存在著共同的行為。

我對探究這些流體系統(tǒng)的微觀物理不感興趣，我感興趣的是宏觀的涌現(xiàn)行為。為什么兩個截然不同的系統(tǒng)——彎曲時空的場論以及流體和超流體中的激發(fā)——的宏觀行為是一樣的？我不知道。物理學(xué)有一個顯著的特點(diǎn)，那就是它會自我重復(fù)。

所以也許我們不應(yīng)該放棄。我們可以從這些更容易使用的系統(tǒng)中獲得經(jīng)驗，并積累專業(yè)知識，以超越這一點(diǎn)。

放棄什么？

彎曲時空中的量子場觀測。例如，來自黑洞的霍金輻射仍然是一個理論研究領(lǐng)域，人們對計算越來越有信心——在將整個領(lǐng)域置于更嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式上已經(jīng)取得了進(jìn)展。但它仍然無法檢測到。所以它被放在一個標(biāo)有"理論"的抽屜里?？赡苷_的。

但你想打開那個抽屜？

在我看來，這仍然是一個懸而未決的問題。由于缺乏實(shí)驗反饋，我們不能很好地理解彎曲時空中的量子場論。我們有的教科書都是純理論。只有通過實(shí)驗，我們才能達(dá)到更深的層次。

當(dāng)我們在彎曲時空中求解量子場方程時，當(dāng)我們進(jìn)行近似時，往往會有信念上的飛躍。這是一種內(nèi)在的模糊性。例如，在準(zhǔn)備量子場時，選擇哪個初始態(tài)是一個很大的問題。而模擬實(shí)驗可以填補(bǔ)這一空白。我們可以對許多近似進(jìn)行測試。

是希望這將導(dǎo)致直接實(shí)驗，還是類似物可以取代它們？

我們不知道如何測量黑洞的霍金輻射。模擬實(shí)驗正在研究類似的效應(yīng)，并開發(fā)出一種如何提取它們、測量它們、驗證它們的協(xié)議。我們正在將這些效應(yīng)嵌入到物理現(xiàn)實(shí)中，添加所有可能導(dǎo)致檢測的額外層。

我的問題是：這些類似物如何反饋到理論方面？這是否會為實(shí)驗注入一種新的思考方式，以便在5年、10年或50年后，我們實(shí)際上可以直接在實(shí)驗中看到其中的一些影響（比如霍金輻射）？讓我們把從這些美妙的理論結(jié)果中學(xué)到的所有東西，都放到這些高科技的直接實(shí)驗中。因此，類似物是將實(shí)驗置于量子場和引力中心的正確方向上的重要墊腳石。

除了測試這些理論中使用的近似之外，是否有可能使用模擬實(shí)驗來做更多的事情？

你也可以尋找新的物理效應(yīng)?，F(xiàn)在我們有了這個復(fù)雜的模擬系統(tǒng)，然后你可能會問，我在我的模擬系統(tǒng)中看到了這些額外的效果，它是否也存在于模擬物之外？

你的夢想是，你用實(shí)驗來“計算”一些東西——在我們的類似物中模擬超出你分析計算的效果。但是，你能在多大程度上相信這個模擬器的結(jié)果也適用于與之類似的目標(biāo)系統(tǒng)呢？我不知道答案，但這是一個讓我夜不能寐的問題。

這似乎是一種非常不同的接近物理學(xué)的方式，甚至是一種新的知識獲取方式——超越了直接實(shí)驗、紙筆理論和計算機(jī)模擬。

在物理學(xué)中，我們通常選擇一個特定的系統(tǒng)，并尋找該系統(tǒng)中的所有物理過程。在模擬引力中，這是不同的——你感興趣的是看到霍金輻射從其他系統(tǒng)中出現(xiàn)。介質(zhì)是靈活的。這有點(diǎn)像藝術(shù)。如果你是一個藝術(shù)家，你可以選擇畫畫，成為一個雕塑家，或做一個視頻裝置。你選擇媒介，無論如何你都要實(shí)現(xiàn)你腦海中的想法。這種自由讓我的一些同事感到不安。

我相信實(shí)驗物理學(xué)就是像藝術(shù)家一樣，把抽象的想法變成現(xiàn)實(shí)。但是我的系統(tǒng)不是固定的。這也使得它易于使用，因為我們使用的系統(tǒng)有時很普通。這讓每個人都能沉浸其中。我們剛剛在黑洞實(shí)驗室旁邊建了一個藝術(shù)實(shí)驗室，讓藝術(shù)家和好奇的人與我們合作。我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個包容性的研究社區(qū)，向通常在外面的人敞開大門。