第一个声学黑洞：霍金的希望之声

缥缈外星人

上个月，以色列海法大学的物理学家Jeff Steinhauer领衔的一个研究团队声称他们制造出了第一例真正意义上的“声学黑洞”，这一成果重大意义所在就是能够用来探测“霍金辐射”。在声学黑洞中，“霍金辐射”将以类似粒子的振动能量包形态存在，也就是“声子”。


霍金辐射

如果说霍金是当代最有影响力的物理学家，这观点应该没有太多人反对，不过肯定有人质疑，理由是：能不能告诉我霍金为什么还没有获得诺贝尔物理学奖？回答这个问题会牵涉到一个长长的价值评判体系，加上若干例前辈或当世科学家的境况比较，比如一定会有人说“那正等着LHC或者费米加速器撞出希格斯粒子的希格斯老人家不也苦苦捱着嘛”。然而归根到底，一应争论讨论还是会回到基本的认知上，那就是，倘若有天“霍金辐射”得到了充分漂亮的来自实验或现实世界的观察证明，那么一切就都好说了。

这攸关其荣誉的“霍金辐射”是什么？其实就是关于黑洞有没有热辐射的假设。该理论模型的从无到有，本身也是件小有曲折的趣事。

1971 年，年轻有为的霍金发表了“面积定理”，认为黑洞表面即“视界”的面积随着时间发展只能增加不能减少。当然定理本身已经是一个很厉害的论断了，只不过可惜的是他没有在此基础上更进一步，看到这个表述和热力学第二定律中关于熵的表述之间惊人的相似与关联，于是拱手把另一牛比发现让给了其他人。有一个叫做Jacob D. Bekenstein 的犹太人看到“面积定理”的论断以后，联想到早年从自己老师的一番闲聊中得到的灵感，萌生了一个大胆假设：黑洞具有热力学性质，有温度，有熵——熵就是黑洞的表面积。

Bekenstein的老师就是著名物理学家、黑洞命名者John Wheeler，Wheeler曾在自传中写了当年和学生的那次伟大聊天：有一天我在办公室里和Bekenstein半开玩笑说，当我把一杯热茶摆在一杯冰茶旁边，并让两杯茶的温度都变成常温时，我都会感到罪恶感，因为这个举动增加了世界的熵。我告诉他，我的罪过会持续到时间的尽头，没有办法可以消灭或是补偿。不过如果有一颗黑洞漂流经过，就可以将热茶及冰茶抛到黑洞之中了。这样一来是不是会将我的犯罪证据完全洗刷干净呢？这番论述对Bekenstein产生了关键性影响，促使他有一天对老师说出了一番话：“黑洞视界的面积不只是接近黑洞的熵——实际上就是黑洞的熵。”Bekenstein1973年在《黑洞热力学》一文中正式发表了以上观点。

一开始，霍金对比自己还要年轻的Bekenstein嗤之以鼻，说对方曲解了自己的“面积定理”，黑洞不可能有温度和熵。理由是，如果有温度，黑洞就会有热辐射，但是众所周知黑洞以只进不出、犹如铁公鸡一般的品格著称，怎么可能有辐射向外释放？所以立即回应了一篇《黑洞力学中的四个原则》进行反驳。但数年之后，霍金突然来了个 180 度的大转弯，不仅承认了黑洞具有温度和熵，还基于量子场论证明了黑洞的确有热辐射。

量子理论认为，真空不空，真空会发生涨落，不断有虚的正反粒子对产生，其一具有正能, 另一具有负能，它们产生后很快湮灭。霍金指出，如果真空涨落发生在黑洞表面附近，在“视界”附近产生的虚正反粒子对可能像通常一样湮灭，也可一起掉进黑洞，这两种情况都不导致明显的物理效应，然而第三种情况就有所不同了——负能子掉进黑洞，顺着时间前进落向奇点，使那里的能量减少，与此同时，正能子飞向远方。这一过程相当于奇点发射一个正能子，逆着时间前进到达视界，然后被视界散射，沿着时间飞向远方。这就是黑洞辐射的方式，这一论述很大程度地改变了人们对于黑洞的认知，同时更重要的是揭示了揭示了万有引力与热力学效应之间可能存在本质的联系。

模拟“视界”

理论物理学家提出理论以后，剩下的重要任务就交给实验物理学家了，看他们如何加以证实。如前所述，一旦有办法观察到“霍金辐射”，那么霍金就当之无愧“当代最伟大科学家”之头衔。然而物理实在界的事情往往是知易行难，想要做到这一点，最大麻烦在于观察中存在一个恼人的噪声——宇宙微波背景辐射，一种作为大爆炸留下的痕迹并充满整个宇宙的电磁辐射。由于宇宙背景探测器(COBE，Cosmic Background Explorer)测量出它非常精确地符合温度为2.726±0.010K的黑体辐射谱，所以又称3K背景辐射。根据理论预言，黑洞的温度与质量成反比，一个质量巨大、有着“霍金辐射”的黑洞，其温度将低于宇宙微波背景辐射，所以要想在宇宙空间中直接去测量“霍金辐射”基本上是痴人妄想。此路不通以后，一些研究团队转而设想在实验室中制造出一个类黑体——也是就和黑洞相似的系统或物体，如此就可以自行营造很低的背景温度来检验霍金的理论。这帮人中最起劲的是加拿大不列颠哥伦比亚大学的William Unruh，他在1981年提出，声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似。一个人距离黑洞越近，就感觉空间的流动速度越快。在非常接近视界的地方，空间流动速度看上去近乎达到了光速，所以，包括光在内的任何事物都会在进入视界后被卷进去无法逃脱，就如同水中的漩涡可以卷走一条游得不快的鱼一样。同样的，倘使某种办法能让流体的速度超过声速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞，唯一的区别是卷走了声音而非光线。
当然，在模拟黑洞的探索过程中，其他流体系统也曾进入过科学家的视野，2008年英国圣安德鲁斯大学的Ulf Leonhardt教授和尼斯大学的Germain Rousseaux博士就在格尼玛尔实验室利用水槽做了一个“黑洞模型”，模拟出类似于“视界”的情形，并报告说录像中发现其附近有“反波”的踪迹，不过他们承认“要想准确理解水波在‘视界’究竟发生了什么情况，还需进行更多研究。”

而海法大学最近的工作则获得了更大突破，巴黎第十一大学的类黑体研究专家Renaud Parentani评价说，计算显示这种量子流系统受散射（会限制粒子-反粒子在视界的产生）的影响很小，比其他系统都管用。他们的成功关键在于巧妙利用了玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）系统，即一群处于同一量子态中的超冷带电铷原子，从而同时得到了观察“霍金辐射”所需的低温以及流体系统。之前，科学家已经能够做到让这种冷凝物作超音速移动。

玻-爱凝聚

关于玻-爱聚体的故事，是另外一个物理学发展史上的经典。1924年夏天，印度物理学家玻色（Satyendra Bose）给爱因斯坦写了一封信，里面提出一种全新的解释黑体辐射的方法。他把光视为无质量的气体粒子，但这些粒子并不遵循古典物理中的玻尔兹曼分布规律，而是遵循根据粒子不可区分性推导出的统计分布规律。爱因斯坦立刻把这个推导结果应用于具有质量的气体分子上，并得到了玻色-爱因斯坦分布律。定律可用于描述超低温下气态粒子能量分布的情形，处于该状态下的玻色子物质波波长大于原子之间的平均距离，因此单个原子几乎丧失了粒子性，而是以原子群的形式表现出某种波动行为。换而言之，所有原子组合成了一个超级大原子。1995年，美国天体物理联合研究室的Eric Cornell和Carl Wieman带领的研究团队首次实现了铷原子气的玻—爱凝聚，同年12月，麻省理工物理系的Wolfgang Ketterle也在钠原子蒸气中得到了玻—爱凝聚，他们三人因此共同获得了2001年诺贝尔物理学奖。

此次，Steinhauer和同事们在磁力阱中制造了一个长条状的玻—爱凝聚体，其中大约10万个带电铷原子发生着量子叠加，因此能从整体上看到量子效应。然后，利用磁场的作用让铷原子产生运动形成流体，同时向里面释放持续了8毫秒之久的声波，并拍下快照，分析显示流体的速度确实大于声波。这是第一个在形式上接近William Unruh二十多年前所设想的声学黑洞，闻听此消息后Unruh表示了祝贺，但提醒说，一切还只是开始。

据研究团队自己的估计，欲观察到具有“霍金辐射”性质的“声子”，流体的速度至少得提高十倍以上，而且为了能够探测到其中的声波运动，它还必须于高速流动下保持平稳。所以，艰苦的工作还在后头，霍金和全世界都尚需耐心等候。