在德國城市科布倫茨的南部，萊茵河有一段超過30英里的長度，寬度極為狹窄，這使得本就湍急的水流變得異常洶涌。 這片河域底部的布滿暗礁，曾是一段極為險峻的航線、許多傳說與民間故事的發(fā)生地，在瓦格納的歌劇中常扮演非常重要的角色。 這片水域是一個黑洞。

如果你的船只想在這片河域逆流而上，卻沒有裝備夠強勁的引擎，那么狹窄的河面和兇猛的水勢就會成為事件視界：一旦經(jīng)過便無路可退，無論采取何種行動，你都將無法逃脫被水流吸至下游的命運。

圖源：土地管理局 / 維基媒體用戶 Howcheng; 美國政府

物理學(xué)家們將引力與變速運動的流體作類比，這遠不只是一個簡單的比喻手法，事實上它們存在著可以用數(shù)學(xué)精準計算而出的類同關(guān)系。在研究引力與流體的關(guān)系時，物理學(xué)家沒有選能自主變速的船只，而選擇了水波，因為水波的速度取決于流體自身屬性。如果流體的流速超過了水波的波速，水波就無法逆行。 這就好比如果你登上一架超音速飛機，它遙遙領(lǐng)先于第二架飛機，那你是無法聽到第二架飛機的引擎聲的。 回歸到黑洞，光無法逃離黑洞，聲音卻能。

這個類比不僅適用于表面波，也同樣適用于流動氣體產(chǎn)生的聲波。 如果推壓氣體使其穿過一條狹窄的通道，并且給氣體加速，使它的速度超過聲速，就會產(chǎn)生聲學(xué)視界。因為氣體流動極快，將沒有聲音能夠穿過這個聲學(xué)視界。

圖源: Sabine Hossenfelder.

Bill Unruh將這種聲音捕捉法稱為“啞孔”，他于1980年率先提出利用流體模擬出引力的想法。 自那時起，“模擬引力”領(lǐng)域開啟了蓬勃發(fā)展。 物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在許多系統(tǒng)中，波能如同在強引力場中一般移動，他們由此設(shè)計出可以模擬黑洞，甚至能模擬出如同初期宇宙那般迅速擴張空間的方法。 而今，只需在實驗室中觀測擾動在流體或氣體中的傳播方式，就能完成模擬。

在視頻中，水流穿過帶障礙物的容器，障礙物的存在加快了水的流速。研究人員通過這個實驗測量波的傳播方式，以及波與流速的關(guān)聯(lián)。

圖釋：配對波的創(chuàng)建。 圖片展示了輸入頻率為0.185 Hz的配對波的轉(zhuǎn)換：a，未濾波特性的傅里葉變換 b，僅包含輸入頻率的濾波特性。 c和d，正負濾波的波特性（顏色代表波幅，詳見色條。）

這種類型的聲波，與被引力影響的光可以套用同一個公式，只需將聲速代替光速即可。甚至，如果這類聲波的近似值保持在一個有效范圍內(nèi)，它們還遵循了狹義相對論的對稱性原理。如此一來，科學(xué)家們就可以通過實驗探測引力作用下的物質(zhì)行為，研究普通狀態(tài)下無法觀察到的各種情況。

例如，物理學(xué)家想知道發(fā)生宇宙大爆炸時黑洞附近、或者大爆炸的時間線前后究竟發(fā)生了什么。如果波也具有量子特性，就會發(fā)生很有趣的事情。在這種情況下，粒子（聲子），與波產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。然而，為了研究量子行為，僅僅用流體做實驗是遠遠不夠的。

圖釋：黑洞 圖源: Jupe / Alamy.

在模擬引力領(lǐng)域，理論始終遙遙領(lǐng)先于實驗。不過近幾年，實驗家們漸漸趕上來了，他們現(xiàn)在已經(jīng)能夠探測量子行為。在模擬流體引力的過程中，實驗者為低黏性流體選取了一個近似值，也就是說，選取黏度接近零的超流體是測試量子效應(yīng)的理想狀態(tài)。 物理學(xué)家將數(shù)十億個冷凝狀原子束縛在超流體中，再運用激光使它們運動。 然而，這項技術(shù)在實驗過程中仍存在極大的挑戰(zhàn)性。 直到近些年，物理學(xué)家才有能力利用超流體冷凝物研究一項超有趣的引力模擬現(xiàn)象：黑洞蒸發(fā)。

黑洞蒸發(fā)應(yīng)當歸咎于事件視界周邊彎曲時空中物質(zhì)場的量子效應(yīng)。 流體能夠模擬那里的彎曲時空，并且，由于數(shù)學(xué)描述相同，將會產(chǎn)生由聲子（不是光子）構(gòu)成的類似輻射。 確實，科學(xué)家們在兩年前就觀測到了此種輻射，證實了斯蒂芬·霍金在1974年的預(yù)測——視界區(qū)域附近（黑洞視界或聲視界）會產(chǎn)生粒子的熱分布。

圖釋：霍金輻射

然而，早期實驗無法證實霍金輻射理論中最有趣的一條：視界內(nèi)外的粒子共享彼此的信息。按照霍金的計算，這些粒子就像“糾纏不清的對子”，從個體來看，它們的量子數(shù)并無特值；相反，它們在各方面共享屬性。

圖源: Ulf Leonhardt.

說粒子結(jié)對呈現(xiàn)糾纏態(tài)的原因之一是兩個粒子的總自旋為零，它們朝相反方向運動。 向左運動的粒子自旋為+1，向右運動的粒子自旋為-1，或反之。 但這是我們目前掌握的唯一信息：個體粒子在被測量前并沒有預(yù)先設(shè)定的自旋值。 視界內(nèi)、外部的霍金輻射粒子呈結(jié)對糾纏態(tài)。

黑洞輻射在視界內(nèi)是否呈糾纏態(tài)是科學(xué)家們迫切想了解的問題，因為這決定了信息落入黑洞后的命運。 如果粒子結(jié)對呈糾纏態(tài)并始終保持這一狀態(tài)，一方必將落入奇點繼而被破壞，這將使另一方處于模糊狀態(tài)：信息被刪除。然而此類信息消除在量子力學(xué)中是不可能發(fā)生的，這勢必構(gòu)成了一個巨大難題：物理學(xué)家不知道如何用量子理論解釋引力。 以色列理工學(xué)院的Jeff Steinhauer正在進行一項全新實驗，在模擬黑洞中測量霍金輻射理論中的糾纏態(tài)；可以在 arxiv上查看他的實驗結(jié)果。

圖源：? 2014-2015 Prof. Jeff Steinhauer，物理技術(shù)系

Steinhauer采用電磁場捕捉超流體冷凝物，利用激光使其運動以產(chǎn)生液流。他不改變流速，而是改變冷凝物的密度，從而影響聲速。1/2流體的速度低于聲速，另1/2流體的速度大于聲速，從而產(chǎn)生了聲學(xué)視界。他隨即測量了視界兩側(cè)流體的波動。

他的實驗結(jié)果證實了霍金輻射由糾纏對組成。然而，Steinhauer只能證實高頻狀態(tài)下的糾纏對，無法證明低頻狀態(tài)下的糾纏對。這一初步結(jié)果究竟是因為實驗的不確定性造成的，還是由于輻射的一般特性產(chǎn)生的，科學(xué)家尚無法定論。如果堅持實驗，這種相互關(guān)聯(lián)的缺乏或許能為幫助信息從視界逃逸開啟一扇門，繼而為黑洞信息悖論提供答案。

圖釋：對霍金輻射/粒子對的觀測

視界在原點，從視界射出的暗帶是霍金輻射與粒子對間的相互關(guān)聯(lián)。實線代表從視界出發(fā)的等次角。虛線是由傅里葉變換測量出的霍金對糾纏。

圖源：arxiv，作者Jeff Steinhauer（2015）

毋庸置疑，將流體與引力作類比具有局限性。 盡管流波表現(xiàn)得和它仿佛在引力場一樣，流體自身的行為卻不像引力場。 在廣義相對論中，時空是動態(tài)的，會根據(jù)其內(nèi)部運動的粒子做出響應(yīng)。 流體也會根據(jù)波的運動做反應(yīng)，但=然而它們的反應(yīng)并不相同，至少在迄今為止的發(fā)現(xiàn)中如此。 也就是說，科學(xué)家目前只能模擬出非時間依賴或已知時間依賴的引力系統(tǒng)。

令人稱奇的是，引力與流體動力學(xué)的關(guān)聯(lián)在數(shù)學(xué)意義上是如此精準。 這似乎暗示著引力或許是由各要素的相互作用產(chǎn)生的。 時空也許并不像我們所想那般虛無縹緲沒有實體。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. Sabine Hossenfelder-凌晨2點鐵道口見

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