浴缸里有黑洞:小实验台上的大物理

在这个地球上很多毫不起眼的角落,一间阁楼、一厢客房,或是一个储藏室里,你都能发现一套小型的火车玩具。对普通大众而言,这一套套月台上站着小人、铁轨旁还用染成绿色的泡沫树装饰起来的模型,虽然有些幼稚,但总是种无害的消遣。但对资深玩家(比如《生活大爆炸》里的谢耳朵)来说,它们可是正经事——你不仅可以乐在其中,而且一切细节体验都和真正的铁路相差无几。

微缩火车模型

这种通过制作等比例微缩模型来探索和学习的方式,不仅是手工制作的灵魂所在,在物理实验室中也生生不息,因为很多物理学家想要探究的事物都在他们企及范围之外:他们无法自由摆弄高能粒子,也不能游走在黑洞边缘,更遑论再现宇宙诞生的最初景象。

因此在世界各地的实验台上,你都能见识到一些奇怪的戏法。要么用水波来制作黑洞,要么从液氦中造就希格斯粒子,这些就是所谓的“类比(analogues)”——可爱版的物理体系模型。人工打造出来的这些替代品,只要操控得法,就能运行得与本尊一模一样。它们承载着物理学家摆脱大型实验受条件和经费困扰的希望,正不断推进着我们对现实世界的理解。

这种触类旁通研究物理的方法实际上由来已久。从古希腊时代开始,纯思辨式的思想实验就一直被用于探索物理理论会导致什么样的结果,或者产生什么样的矛盾,这种习惯一直延续到今天的量子和相对论时代。近些年来,威力强大的计算机又开辟出一条模拟物理过程的新路,通过运行一行行代码,来探索各种现象下隐藏的数学规律。

精确复制
但数值运算有它的局限。英国爱丁堡赫瑞瓦特大学的达妮埃莱·法乔(Daniele Faccio)说:“这些物理系统实际上还有很多未知之处,但在计算代码中,我们只能包含那些已知的东西。”类比就跟数值计算不同。由于数学是物理现象背后的通用语言,因此很多看上去毫不相干的领域都可以归结成同一批方程,只要找到两个按照同一套规则运作的物理体系,你就可以用一个来代替另一个,用满足相同数学规律的那些材料构建出你感兴趣的现象来。法乔解释说:“它与原系统肯定不完全相同,但比计算机模型要有趣的多。”

就以希格斯玻色子为例。这种粒子是标准模型缺失的最后一块拼图。标准模型解释了量子粒子之间如何通过自然界中的3种基本作用力进行相互作用。按照20世纪60年代浮现出来的一个想法,真空中实际上弥漫着一种看不见的场,即所谓希格斯场。这些场会不同程度地粘滞在基本粒子周围,赋予它们不同的质量。只要给这个场注入足够大的能量,去戳它一下,它就会更为真切地显现出来:我们会看到一个希格斯粒子跃出空无。

最终在2012年,瑞士日内瓦附近大型强子对撞机(LHC)的研究人员向世界宣告发现了这种粒子。之所以找寻过程旷日持久,是因为尽管我们知道需要很大的能量才能产生希格斯粒子,具体数值却无人知晓。最终,只能建造像LHC这样的庞然大物,从数十亿个高能粒子的对撞碎片中去嗅探它的蛛丝马迹。

不过,也可能是我们弄巧成拙了。就在上世纪60年代中期,理论物理学家刚开始讨论希格斯的想法之际,一个类似的点子已经在低温超导研究领域里传播多时了。在低温超导体这种奇特的物态中,两个电子之间的相互作用,以及它们和周围的原子晶格之间的相互作用,产生了一种奇妙的默契,最终形成了一种类似粒子的所谓库珀对(Cooper Pair)。这些库珀对能在晶格中毫无阻碍地移动,没有任何电阻。

这个奇迹只有当相应材料被冷却到非常接近绝对零度(-273℃)时才会显现,但它用到的数学描述与高能希格斯粒子的数学描述几乎一模一样。尽管要实现如此之低的温度也并非易事,但与粒子加速器比起来,那就是小巫见大巫了。因此,对超导体中等价过程的观测,也许能为真正的希格斯玻色子的产生过程提供关键线索。

人们花了点时间才认识到这一切。英国伦敦帝国理工学院的汤姆·基布尔(Tom Kibble)是1964年提出希格斯机制的6人之一,但他和同事当时都没预见到超导理论将要掀起的波澜。他回忆说:“我们当然都知道这种联想的存在,但当时我们没能很好地理解它,至少我没有。”

到了1981年,人们在超导体中确实观察到了类似希格斯粒子的身影。类似的故事又再次重演,人们只将这一发现当作了大餐后赠送的甜点——等到低温超导理论被完全建立起来,发现希格斯粒子的对应物被当成是对该理论的间接支持,仅此而已。与此同时,在粒子物理学领域,理论研究者却在拼命找寻一切实验证据,去验证这个质量起源理论。美国伊利诺斯州阿拉贡国家实验室的彼得·利特尔伍德(Peter Littlewood)就曾参与这些超导实验的解释工作。他说:“当时我们都没意识到,希格斯会变得如此重要。”

最终,真正的希格斯粒子没有借助任何来自超导的线索就被发现了。但在法国巴黎第七大学国家科学研究中心的玛丽-奥德·眉菘(Marie-Aude Méasson)看来,就在一切似乎就要尘落定之时,这种类比反倒柳暗花明起来。部分原因在于类似现象不断涌现,除了超导体之外,在冷却至相同量子态的超冷碱金属气体中,在某些类型的磁铁中,都有某些东西可类比于希格斯粒子。跨领域的会议和研究项目如雨后春笋一般冒出来,大家都急着交换想法。眉菘说:“随着这些范例的出现,很多研究者相信,在这些类比和粒子物理之间存在一块有待开垦的多产地带。”

模拟对称
希望之一就是,通过低温类比来揭示高能碰撞中探测希格斯粒子的新方法。但更重要的是,这些类比也许有助于发现新的物理。人们发现希格斯粒子与标准模型所有的预测都吻合得很好,这其实非常不妙,因为还有很多东西是标准模型无法解释的,比如:看似构成了宇宙中绝大部分质量的暗物质究竟是什么,导致目前宇宙加速膨胀的暗能量又来自何方,为什么宇宙中的物质会远远超过反物质。

超对称(Supersymmetry,SUSY)作为一个理论框架,对上述一些问题的出招更为凌厉,这也让它成为下一代理论的热门候选。超对称的核心预言之一就是,自然界存在不止一种希格斯粒子。2013年,芬兰阿尔托大学的格里戈里·沃洛维克(Grigori Volovik)和莫斯科理论及实验物理研究所的米什卡·祖布科夫(Mikhail Zubkov)认为,他们也许在超流的氦3中发现了这些额外粒子藏身之处的线索。作为非常稀有的氦同位素,氦3可是研究复杂量子过程的无价之宝。刚发现的希格斯粒子质量大约在125 GeV(1 GeV等于10亿电子伏特),而对超流氦激发谱的研究指出,在210 Gev和325 GeV也应该存在希格斯粒子。按照祖布科夫介的描述, LHC目前得到的数据还未能排除这种可能性,至于结论现在还太早。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的理论物理学家阿舍汶·维什瓦纳特(Ashvin Vishwanath)认为,自己可以走得更远。超对称的提出乃是基于下列想法:标准模型中将粒子分为费米子(构成物质)和玻色子(传递相互作用)的混乱分类,可以被一个更为对称的描述所取代;在这一描述中,每个费米子都有一个玻色子伴随,同样每个玻色子也都有一个对应的费米子伴随。维什瓦纳特说:“我们曾希望在LHC中看到超对称的迹象,但未能如愿,这促使我们寻找其它方法来检验超对称。”

所谓“其它方法”,就是类比。物质在“相变点”附近会出现一些奇怪的行为,内部原子会重新排列,从而改变物质的状态。比如说,当一块融化的铁块从液态冷却到固态时,铁块中电子的自旋会平行排列,让材料产生磁场。在接近绝对零度时,量子涨落驱动的相变则会产生另一些奇异的对称性,例如电子和被称为声子(phonon)的声波波包,在材料中的运动速度会趋于一致,最终变得完全相同。

由于电子是费米子,而声子是玻色子,维什瓦纳特和同事认为,这种涌现出来的对称性也许可以用来研究超对称产生的机制,从而有可能在实验室中对超对称理论的细节进行探索。他们目前正在讨论哪种类比最适合用来进行此类实验。

基布尔提醒道,就算一切都顺风顺水,在类比中有所发现也并不能保证在真实世界中对应物就一定存在。在2000年前后,他曾参与一项名为宇宙实验(COSLAB)的先驱计划,目标就是促进类比研究,其中就包括基布尔有关宇宙弦的想法。这些宇宙弦是时空中的缺陷,很多理论预言在早期宇宙的膨胀和冷却过程中会留下这种缺陷,但也有很多理论的预言刚好相反。“所以,”基布尔解释说,“你要类比的这种东西也许根本就不存在。”

所谓的磁单极子则是最近的一个例子。在自然界中,任何磁场似乎都同时具有两个极性,但物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)在上世纪30年代指出,如果宇宙大爆炸没有产生可以独立运动的磁单极子,我们就将面临一个困境,必须要解释为什么今天的宇宙中只存在可以自由移动的电荷(即电单极子)。

单极子在今天的类比中已经随处可见,首先是低温晶体中的自旋玻璃态,2014年年初又在超冷的铷原子气中发现了单极子的对应物。但是它们是否能在自然条件下独立存在?作为铷原子实验的完成者,美国马萨诸塞州安默斯特学院的戴维·霍尔(David Hall)对此不置可否。用他的话来说,“我们的实验无法证实它们存在与否,只是表明狄拉克磁单极结构是能够在自然界中存在的。”

超越视界
类比真正能够独当一面,是碰到那些已知在宇宙中存在,但无法直接研究的物体。黑洞就是个很好的例子。这些宇宙怪兽来自爱因斯坦广义相对论的预言,它们由大质量恒星在死亡时塌缩形成,大多数大型星系的中心据信都盘踞着超大质量黑洞。它们还是通向物理学终极桂冠的传送门,掌握着解释量子粒子与极端引力相遇之秘的钥匙,而引力是目前唯一没有被标准模型的量子规则驯服的一个基本作用力。

但黑洞是不发光的,要弄清它的行为绝非易事。英国诺丁汉大学的西尔克·魏因富特纳(Silke Weinfurtner)希望在实验室中掀起黑洞的面纱,只凭水和激光来模拟黑洞向外发出的霍金辐射(Hawking radiation)。这种辐射过程是物理学家史蒂芬·霍金在上世纪70年代提出的,被认为是黑洞事件视界附近量子涨落的结果。视界是黑洞只进不出的边界,而量子涨落则会在虚空中不断产生相互纠缠的粒子和反粒子对。正常情况下,这对粒子很快又湮灭。然而在视界附近,如果这对粒子中的一个落入黑洞,另一个距离视界又足够远的话,它们便无缘再见,视界外面的这个粒子就会辐射开去。

实际上,魏因富特纳用类比模拟的是一个“白洞”,它不会吞噬万物,只会将万物弹开。但是只要让方程反向演化,所有白洞中的结论都对黑洞适用。

只需要一个包含光滑障碍物的水槽,并让水在其中流动,就能够模拟出这样一个白洞。魏因富特纳的小组在水面上制造出两个传播方向相反的涟漪,然后用由激光束构成的二维光平面来分析这些水面上的波动在撞击到障碍物和弹开时的性质。他们发现,在此过程中水波振幅和频率的展宽符合黑洞视界周围霍金辐射的理论预期(参见arxiv.org/abs/1302.0375)。“这是对霍金辐射效应明晰而肯定的探测,”魏因富特纳说,“实验结果的稳定性让我们深感意外。”

他们的实验已经催生出很多理论工作,研究经典物理系统如何能展现霍金辐射的粗糙特征,因为后者是纯粹的量子效应。另一方面,要想完整地在实验室中演示霍金辐射,包括两个粒子间仍会维持纠缠的理论预测,也需要更复杂的量子类比。魏因富特纳和英国诺丁汉大学的同事彼得·克鲁格(Peter Kruger)一起,正在尝试用超冷原子来探测这些效应。

潜在威力
而在位于爱丁堡的实验室里,法乔正在堆满仪器的实验台上捣鼓,用高功率激光束来模拟黑洞视界。先用玻璃块搭建波导,然后将激光聚焦在波导中很小的一个点上,通过这种方式,法乔能暂时改变该点玻璃的折射率,从而降低后继激光脉冲在这点的传播速度,最终阻止所有脉冲进入。法乔认为,“让这些类比实验如此给力的原因在于,在光子或水波看来,它根本分不清自己穿过的是真实黑洞的视界,还是受到奇怪限制的波导。”

尽管他们实验的初衷是探索物理学中的奇异问题,但从中同样能获得一些实际的回报。用实验中收获的技巧,法乔的研究组正在尝试一种从真空中“挤压”出纠缠光子对的新方法,这种新近发现的现象被称为动态卡斯米尔效应(dynamical Casimir effect)。便宜而容易获得的纠缠光子将惠泽超安全量子通信技术。虽然现在纠缠光子已经用于交换信息,但产生它们还需要大型光学设备。

对法乔来说,探索和利用这类新现象,是类比的另一个引人入胜之处。它们可以超越火车模型那种仅仅对已知世界的模拟,真正的价值在于可以让我们置身无法到达的奇境,告诉我们哪些想法是正确的,哪些效应会真实发生。法乔说:“一旦证明它们存在,接下来你就可以问,‘我能拿它来干些什么?’”

于是,跟纯粹的模型爱好者相比,你已经向前迈进一小步了。

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