黑洞

模擬黑洞

李淼

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無論對物理學家來說還是對公眾，黑洞一直是引人入勝的話題。記得我開始讀研究生時，看到一本專業書，上面畫了很多黑洞塌縮的圖以及霍金蒸發的圖，上面畫了很多光錐，以及蒸發出來的粒子。

在引力理論中，光錐幾乎就是一切。在每一個時空點上，光錐就是光在各個方向走出來的錐面。想像一個只有一度空間的時空，空間和時間組成一個平面， 在平面的任一點上，光可以走兩個方向，所以光錐就是一個十字，向上的楔形叫未來光錐，因為光順著楔形走向未來，向下的楔形是過去光錐，光從過去走向楔形頂 點。再想像一下，如果有兩度空間，加上時間我們有三維的時空圖，光錐此時就真的是錐面了。在真實世界裡，空間是三維的，時空是四維的，所以光錐其實是三維 的。有了光錐的概念，我們就能定義黑洞了，一個黑洞，其實是時空中的一個區域，在這個區域的邊界上，所有光錐都指向這個區域，說明光只能進入，不能出來， 黑洞的名字就是這麼來的。區域的邊界叫做視界。

還有一個更加形象的比喻。假想一個水域，其中有一個洞，水流向這個洞，在洞的邊上，水流的速度達到一個臨界值，這個速度超過水中任何物體所能達到 的速度。這樣，不論你如何使勁，當你到達這個邊界時，你的速度總被水流的速度抵消，你只好無能為力地被吸入洞中。這個洞就是水中的黑洞，而水流速度達到臨 界的邊界很類似黑洞的視界。

很多年前，加拿大物理學家WG Unruh就設想了這麼一個類似黑洞的東西，他設想了一個流體，其中任何一處水流都有一個速度，在某個區域的邊界上，流體的速度達到了流體的聲速。此時， 任何流體的振動都無法傳出這個邊界，這樣，在外面的人看來，那個區域不能發出任何聲音，所以這個區域可以叫做啞洞。啞洞也很類似黑洞，光波被聲波取代。啞 洞看上去比黑洞容易理解，因為這裡只是流體的一個流速分佈，沒有難以想像的時空彎曲。

黑洞的一個令人驚奇的性質是霍金蒸發，也就是說，黑洞並不黑。霍金證明，量子力學使得黑洞發光，其實黑洞可以輻射任何粒子。量子論使得黑洞的視界 看上去像一個帶有溫度的殼，這個殼可以激發出能量大約等於殼上溫度的任何粒子。霍金蒸發也有一個形象的理解，在視界上，產生一個粒子對，向外跑的粒子帶有 能量，而向黑洞裡面跑的粒子帶有負能量。當帶有正能量的粒子跑出來時，帶有負能量的粒子使得黑洞的質量變小，所以整個過程還是滿足能量守恆律的。

Unruh在設想啞洞時其實希望將來可以在實驗室中實現啞洞並利用它來研究黑洞蒸發，此時，被蒸發出來的粒子叫聲子，就是聲的的單個量子。每個聲子的能量 很類似光子，與聲速成正比。當聲子落入啞洞時，由於啞洞中流體的速度超過聲速，聲子的能量是負的，而跑出來的那個聲子的速度大於流體的速度，能量是正的。 這是霍金蒸發的一個形象理解。

Unruh的啞洞的概念是1981年提出來的，直到今年，啞洞才真的在實驗室中實現。原因很簡單，讓流體的速度在某個區域大於聲速並不容易。做出這個實驗 的是以色列海法的一個小組，領頭人是J. Steinhauer。他們利用玻色-愛因斯坦凝聚才實現了啞洞。在流體中，玻色-愛因斯坦凝聚是非常特殊的一類，其中所有組分原子都處在同一個狀態中， 這樣的流體叫做量子流體，因為它利用了量子性質。要使得原子都處於同一個量子狀態需要兩個條件，第一是所有原子的自旋是整數的，第二需要將所有原子冷卻從 而它們都趨向同一個低能狀態。 Steinhauer等人的實驗的用了銣原子，實驗的關鍵處是讓量子流體產生一個速度分佈，並且讓某個區域的速度大於流體的聲速。為了達到這個目的，他們 為原子們設計了一個陷阱。這個陷阱很像一個噴嘴。離開噴嘴的地方，陷阱的坡度比較平緩，在噴嘴區域，陷阱的坡度變得很陡。

啞洞是實現了，但似乎還沒有關於霍金蒸發的結果，我們期待進一步的實驗。霍金蒸發的研究也許能夠幫助我們理解黑洞最為神秘的一面，就是彎曲時空中的量子力學甚至引力的量子漲落，這是理論家們困惑了很多年而不得其解的問題。

最近關於隱形電磁斗篷的研究導致可能在實驗室實現真正意義上的“黑洞”，我用引號是因為這不是引力中時空的效應，但卻是光學意義上的黑洞。隱形電 磁斗篷是利用電介質的特殊電磁性質使得一個物體看上去基本不反射也不折射光（廣義地說就是電磁波）。既然我們可以在技術上操縱物質的介電性質，我們就可能 設計出一個物體，使得這個物體的某個區域的邊界上的光速變成零，這個邊界就是視界了。美國伯克利國立實驗室的Xiang Zhang領導的小組在去年實現了一種人工光學物質，可以將光折回頭，技術上說，這種光學物質的折射率是負的！最近，他們用納米結構的矽實現了隱形電磁斗 篷。在此基礎上，他們將來可能在實驗室研究黑洞以及引力透鏡等天體物理學對象，由於是實驗室製備的物體，我們無需花很長時間無需投資很多就可以研究這些奇 特的引力現象了。