实验室中的黑洞

黑洞是宇宙中最糟糕的直接研究对象。首先，在事件视界外我们永远无法看到其内部。还有另一个事实是，真正的黑洞离我们非常遥远，在宇宙尺度上显得非常小。我们需要一个行星大小的望远镜，才能拍摄离我们较近的超大质量黑洞的图像。因此，研究真实黑洞的物理学是非常困难的。

我们可以尝试自己制造一个黑洞，但这远远超出了我们目前的技术水平，而且还可能对人类造成破坏。然而我们不需要制造一个真正的黑洞，我们可以研究模拟黑洞，模拟的是与黑洞行为方式相似的物理系统，并且可能揭示真实黑洞的真实行为。

模拟黑洞

模拟黑洞的整个想法是由比尔·安鲁于1972年提出，他提出过著名的安鲁效应，我们在之前的文章也介绍过。模拟黑洞的第一个类比是一个纯粹的思想实验：想象一条生活在河流中的盲鱼，如果河流几乎没有移动，声音会均匀地向所有方向传播 。通常，鱼可以通过聆听上游和下游的声音来探索世界，因为河流的速度比声音在水中传播的速度慢得多。但是在河流的某个地方，流水的速度超过了水中的声速，那么声音将被介质水拖着，下游发出的声音将永远到达不了上游。

如果我们把光看作声音，把时空看作水，我们就有了一个模拟黑洞。水流速度等于水中声速的地方是我们的事件视界。安鲁认为，这只是事件视界的一个说明性的例子。到1982年，他意识到这两种情况在数学上有更多的共同点，事实证明流体动力学方程可以用一种类似于控制时空流动的方程——广义相对论方程的形式来表达，并且在这些流体流动方程中表达的涡旋类似于黑洞。

多年来，物理学家利用这些数学上类似的情况，发现了许多具有事件视界的系统，并且都能很好地模拟理论黑洞。但它们的真正价值在于它们告诉我们，我们可能能够在实验室建造模拟黑洞。即使是现在，一些最具启发性的尝试使用与安鲁的原始思想实验相同的介质：由水制成的黑洞。

实验室中的黑洞

其中一种设置使用一个水箱，里面放置了一个倾斜的障碍物。当水流流过倾斜的障碍物时水深会减小，根据伯努利定律水流会加速，而表面波的速度会减小。某些时候，水流比表面波更快，如果水流方向与表面波相反，那就可以模拟事件视界。还有一些其他实验在水箱中使用精心设计的孔来制造经典涡流。当向下的水流达到水箱表面波的速度时，再次模拟了事件视界。

在这些模拟的事件视界中，物理学家可以寻找类似黑洞的行为，例如霍金辐射，让我们快速回顾一下。1974 年斯蒂芬·霍金预测，真正的黑洞会将它们的质量作为一种辐射泄漏出去。流行的描述是成对的虚拟粒子出现在事件视界附近并且被分开，一个落入黑洞而另一个逃逸出去。更技术性的描述涉及黑洞散射、量子场的振动模式。

所以在用水模拟黑洞的情况下，我们只需用水表面上的波纹代替量子场中的振动。事实上，在这些模拟黑洞中已经观察到了类似霍金的辐射，或者至少表面波纹的频率具有与霍金辐射非常相似的特性。现在研究人员认为他们已经准确地检测到了涡旋黑洞模拟中引力场的预期衰减。事实上，能量和角动量的模拟似乎都被这种类似霍金的辐射所削弱。

涡流是梦幻般的实验室，特别是旋转的黑洞。我们看到的一件事是，旋转的黑洞可以将它们的一些旋转能量提供给经过的粒子，这就是彭罗斯过程。当被增强的粒子是光子时，我们称之为超辐射。事实证明，水漩涡也有表面波纹被拖成圆圈的能层区域，靠近漩涡的地方，这些波类似于传入的粒子。使用波浪发生器制造的波只有一毫米高，但超辐射可以将它们的高度增加多达10%。

更深入的见解可能需要一个模拟的量子黑洞。当气体冷却到几乎绝对零时，就会出现玻色-爱因斯坦凝聚体。在这些温度下，通常是微观的量子效应可以变成宏观的。物理学家在这种状态下对超冷铷原子进行了实验，使用激光可以有效地在气体中产生流动。当激光推动气体时，铷原子想要移出光束。此处激光的边缘充当事件视界，铷原子没有足够的能量跳回。和真正的黑洞一样，一些铷原子确实作为霍金辐射逃逸。在这里，不仅可以测量霍金辐射的存在，还可以测量霍金辐射的温度。从玻色-爱因斯坦凝聚物中获取蒸发粒子的温度，为黑洞地霍金辐射提供了最有力的直接实验证据。除了铷气体之外，还有其他物理系统也能进行模拟。