2017-12-21 由 宇宙小百科 發表于科學

終極顯微鏡

在建構完整量子引力理論的各種嘗試中，霍金的分析扮演了重要的角色。想成為量子引力的候選理論（例如弦論），就必須先證明它能否重現與闡明這項效應。不過，雖然大多數物理學家都接受霍金的論證，但它的實驗或觀測確認卻遲遲無法達成。科學家原以為可以觀測到星體或是星系黑洞所發出的輻射，後來發現其可能太過微弱，至今未能觀測到。觀測霍金輻射的希望，只剩下找到早期宇宙殘存或是在加速器里製造出小型黑洞，但這些也許都不可能了。缺乏驗證的霍金效應有一個惱人的陰影，特別讓人心煩。這個理論中有個潛在的瑕疵，就是光子有無限大的紅移。想一想，要是把時間倒轉來看，發射光子的過程會變成什麼樣子呢？隨著霍金光子越來越靠近黑洞，它會藍移到一個較高的頻率與相對較短的波長。它的時間回溯得越早，就越靠近「事件視界」，而波長也就變得越短。一旦波長變得比黑洞輻射還短得多的時候，這個粒子就和它的夥伴結合起來，變成了之前討論過的虛光子對。藍移會持續到任意短的距離。可是到了比10-35厘米還小時，不管是相對論還是標準的量子理論，都沒辦法預測粒子會有什麼行為了。這時候你需要量子引力理論才行。因此，黑洞的「事件視界」就像是一個神奇的顯微鏡，可帶領觀察者去接觸未知的物理。可是，對理論物理學家而言，這种放大功能卻讓人憂慮。

假如霍金的預測建立在未知的物理學上，我們難道不該懷疑它的效力嗎？就像物質的熱容量和聲速會和它的微觀結構與動力學有關一樣，霍金輻射的性質以及存在與否，會不會和時空的微觀性質有關？還是說，情況就和霍金原始的論證一樣，這個效應完全是由黑洞的宏觀性質（它的質量和自轉角動量）決定的呢？

響聲與亮光

為了回答這些令人坐立難安的問題，英屬哥倫比亞大學的威廉·昂魯開啟了一項新的研究。1981年，他證明了聲波在流體中的傳播和光在彎曲空間中的傳播有極為接近的模式。他提出，在評估微觀物理對霍金輻射起源的影響時，這種模式也許很有用。而且，它說不定可讓模擬霍金現象的實驗觀測成真。聲波就和光波一樣，以頻率、波長和傳播速度為特徵。 我們對聲波的觀念，只適用於波長比流體分子間距大得多的時候；在更小的尺度下，聲波就不存在了。而正是這個限制，讓這項模擬這麼有趣，因為它可以讓物理學家研究微觀結構對宏觀現象的影響。然而，真要讓這項模擬派上用場，它必須要能延伸到量子的層次。通常，分子的隨機熱運動會讓聲波的行為和光量子有區別。不過當溫度接近絕對零度的時候，聲波就表現得和量子一樣了。物理學家稱之為「聲子」，以強調它對「光子」（光的粒子）的模擬。實驗物理學家早就對聲子在晶體以及低溫下仍保持流體狀態的物質（如液態氦）中的行為進行例行觀測了。聲子在靜止與均勻流動的流體中的行為，就和光子在沒有引力的平坦空間中一樣。這類聲子以固定波長、頻率與速度沿直線傳播。在游泳池或是平順流動的河流中，聲音就是從音源以直線形式傳遞到我們耳朵的。 然而，在流動不均勻的流體中，聲子的速度會改變，而且它們的波長也會被拉長，正如彎曲空間中的光子一般。在流入峽谷的河流中，或是在旋進排水孔的渦流中，聲波會變形扭曲，並且沿彎曲的路逕行進，就像是星體附近的光一樣。事實上，這類情況可以用廣義相對論的數學幾何工具來描述。 流體對聲音的作用方式，甚至可以像黑洞對光的作用方式一樣。創造這種聲學黑洞的方法之一，是利用一種被流體力學家稱為「拉瓦爾噴管」的裝置，讓流體在最狹窄處達到並且超過聲速，而不會產生衝擊波（一種流體性質上的突然變化）。其等效的聲學幾何與黑洞的時空幾何非常類似。

超音速的區域與黑洞的內部相對應：傳播方向與流動方向相反的聲波，只能被沖往下游，就像被黑洞中心拉住的光一樣。

次音速的區域則對應於黑洞之外的時空：聲波能夠往上游傳播，代價是波長被拉長，就像光會被紅移一樣。在這兩個區域的交界處，行為和黑洞的「事件視界」是一模一樣的。