□作者: 西奧多•Ａ•雅各布森 雷諾•帕倫塔尼
[1] [2] 下一頁>>
利用聲與光的神秘相似，科學家們模擬出一個“聲學黑洞”！並試圖解開宇宙之謎︰我們所生活的時空，是否根本就是一種流體?
1905年，阿爾伯特•愛因斯坦提出了他的狹義相對論，駁斥了19世紀的一種觀念︰光產生于一種假想的介質——“以太”(ether)的振動。他指出，無需任何物質的支持，光波就能在真空中傳播。這一點上，光波與聲波不同，後者是通過介質的振動而傳播的。在現代物理學的另外兩大支柱——廣義相對論和量子力學中，狹義相對論的這個特點一直未曾動搖。直到今天，所有的實驗數據——小到亞原子，大到星系尺度，都可以用這三大理論來成功解釋。
不過，物理學家面臨著一個深層概念上的問題。按照目前的理解，廣義相對論和量子力學並不相容。被廣義相對論歸因于時空連續體彎曲的引力，卻與量子理論框架格格不入。理論家僅僅在理解高度彎曲的時空結構方面不斷取得進展，因為在極短的距離上，他們必須考慮量子力學。挫折之余，一些人已經另闢蹊徑——向凝聚態物理學尋求指導。而這種物理常用于普通物質的研究，例如晶體和流體。
與時空一樣，凝聚態物質在大尺度下，看起來也是一個連續體。不同的是，它所擁有的微觀結構，是由我們已經充分了解的量子力學支配的。而且，聲波在非均勻流體中的傳播，與光波在彎曲時空中的傳播非常相似。我們和同事們正試圖利用這種相似性，用聲波來模擬一個黑洞模型，以期對時空可能存在的微觀工作方式，獲得深入認識。這項研究暗示，時空可能與物質流體一樣，由小顆粒組成，擁有一個會在精細尺度上體現出來的優先參考系——這與愛斯因坦的假設相反。
黑洞如同熱煤球
黑洞是量子引力最寵愛的實驗場之一，因為在這里，量子力學和廣義相對論都顯得非常重要——這樣的地點非常罕見。1974年，英國劍橋大學的史蒂芬•霍金將量子力學應用到黑洞的視界上，邁出了兩大理論融合的一大步。
根據廣義相對論，視界是分隔黑洞內部(其中的引力非常強大，以致所有物體都無法逃離)和外部的表面。不幸落入黑洞的旅行者，在穿越視界時，並不會有任何特殊的感覺。可一旦進入視界，他們就再也無法將光信號傳給外面的人，更別說從那里回來了。黑洞外的觀測者，只能接收到旅行者穿越視界之前發出的信號。當光波爬出黑洞的引力井時，它們被拉長、頻率降低、信號持續時間也隨之延長。因此，對觀測者而言，旅行者似乎在以慢動作運動，而且比通常的顏色偏紅。 
這種被稱為引力紅移(gravita—tional redshift)的效應並不是黑洞所特有的。比如，當信號在軌道衛星和地面基地之間傳遞時，頻率和時間也會因引力紅移而改變，GPS導航系統必須將它考慮在內才能準確工作。不過，黑洞的特殊之處在于，當旅行者靠近視界時，紅移就會變得無窮大。在外部觀測者看來，旅行者的下落過程似乎要耗費無限的時間，盡管旅行者自己覺得不過是經歷了一段有限的時間而已。
到目前為止，這種對黑洞的描述，還只是將光當作傳統電磁波看待。霍金所做的，就是在把光的量子本質考慮進來，重新研究了無限紅移的意義。根據量子理論中的海森堡測不準原理，即使完美的真空，也並非真的空無一物，其間充滿了量子漲落，這些漲落以虛光子對(pairs of virtual photons)的形式表現出來。這些光子之所以被稱為“虛”光子，是因為在一個離任何引力影響的未彎曲時空中，它們總是不停地出現和消失，如果缺乏外界的干擾，就無法觀測到。
但在黑洞周圍的彎曲時空中，虛光子對中的一顆，可能會陷入視界內部，而另一個則滯留在視界之外。于是，這對光子就會由虛變實，產生出向外輻射的可觀測光線，此時，黑洞的質量也會相應下降。黑洞輻射的整體模式是熱輻射，就像一個熾熱的煤球發出的光線一樣，它的溫度與黑洞的質量成反比。這種現象被稱為霍金效應(Hawking effect)。除非黑洞吞噬物質或能量來彌補損失，否則霍金輻射將會耗盡它所有的質量。
重要的是在非常靠近黑洞視界的空間，還保持著近乎完美的量子真空——當我們把流體和黑洞進行類比時，這將變得至關重要。事實上，這個條件是霍金理論的基本前提。虛光子是最低能量的量子狀態，即“基態”(ground state)的一種特征。只有在虛光子與同伴分離、並逃離視界的過程中，它們才會變成實光子。
終極顯微鏡
在建立完整量子引力理論的各種嘗試中，霍金的分析扮演了重要角色。對于量子引力的候選理論(比如弦論)來說[參見胡安•馬爾達塞納所著的《引力幻象》；《科學美國人》2005年第11期]，再現和解釋這種效應的能力是一個至關重要的檢驗。然而，盡管大部分物理學家都接受了霍金的觀點，卻一直苦于無法用試驗來證明。理論預言的恆星級和星系級黑洞所發出的輻射，都因太過微弱，而無法觀測。觀測霍金輻射的唯一希望，就是找到早期宇宙所遺留下來的，或者在粒子加速器中被創造出來的微型黑洞，不過，這也許不可能。[參見伯納德•卡爾和史蒂文•吉丁斯著的《量子黑洞》，《科學美國人》2005年第5期]。
缺乏實驗驗證的霍金效應，不得不為一個問題而傷透腦筋︰霍金效應存在著一個潛在的瑕疵，就是理論所預言的光子將要經歷無限紅移。設想一下，把時間顛倒過來，觀察輻射效應，會是怎樣呢?隨著霍金光子越來越靠近黑洞，它藍移到一個更高的頻率和相對較短的波長。它沿著時間回溯得越久，就越接近視界，它的波長也變得越短。一旦它的波長變得比黑洞還小得多，這個粒子就會與它的同伴相結合，變成此前討論過的虛光子對。
藍移會毫不減弱地持續下去，波長也縮減到任意短的距離。但到了短于10-35米的距離——即所謂的普朗克長度(Planck length)，不論是相對論還是經典量子理論，都無法預言粒子會有什麼行為。或者，我們需要一種量子引力論才行。因此，黑洞的視界如同一台奇幻的顯微鏡，使觀測者接觸到未知的物理。對于理論家來說，這種放大效應卻令人不安。如果霍金的預言依賴于已知的物理學，那麼我們就不應該懷疑它的正確性嗎?霍金輻射的性質，甚至它的存在本身，有沒有可能依賴于時空的微觀性質，就好像物質的熱容和聲速依賴于它的微觀結構和動力學一樣呢?要不然就像霍金最初聲稱的那樣，這種效應只是由黑洞的宏觀性質，也就是它的質量和自旋完全決定的呢?
轉載文章請首先閱讀有關轉載說明
文章作者:西奧多•Ａ•雅各布森 雷諾•帕倫塔尼
責任編輯:skylook
|
收藏到網摘:
相關信息:
