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          瓶中的宇宙:你廚房里的“黑洞”
          2009-07-09  【 】【打印】【關閉

          文章來源:Nature 2008-01-17

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            物理學家們經常借鑒其他領域的技術。但是從這些技術中你能獲得些什么呢?實驗桌上的簡單實驗能為早期宇宙提供新的見解嗎? 

            信不信?你們家的廚房里就隱藏著司空見慣但卻令人著迷的物理現象!當從龍頭中流出的水打到洗碗池底部的時候,它會形成一個由水流組成的“圓盤”。水從上方緩緩地注入這個“水盤”,然后沿著徑向流出。水流甚至還會形成一個波紋環,這個環中有著比水池中其他部分更多的湍流。在這個環以外,水池中充滿了波動和漩渦;但是在這個環以內,由于水流過快使得外面的水波無法穿過,因此水池中這個環以外的其他信息無法進入這個環的內部。 

            天文學界長久以來的一個愿望就是重建黑洞周圍的“視界”——一個有去無回的面。理論物理學家已經花了幾十年的時間在計算視界周圍的物理現象上,而天文學家則花了更長的時間和幾十億的美元想一窺視界究竟是個什么樣子。然而,其他一些物理學家認為,通過研究水池中的水流,他們也許至少能提供這個問題的部分答案。 

            水池中的“水盤”和黑洞還是存在一些差異的。例如,水池中的水是從波紋環內部向外流動的,而黑洞吸積物質的情況正好相反。但是按照加拿大不列顛哥倫比亞大學的理論物理學家比爾·昂魯(Bill Unruh)的說法,這兩者要比你想象的還要接近。早在20世紀80年代早期,作為思想實驗昂魯就設想了一種類似的流體運動。他假想有一個瀑布,其中水流的速度超過了水中的聲速。在這樣的系統中,在水流達到聲速的那個面就形成是了“視界”,水中的聲波無法逃逸到“視界”之外。“如果你能恰到好處地調節水流”他說,“你確實可以模擬出一個黑洞。” 

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            調節水流 

            從那時起,有一小批科學家便投身到模擬黑洞和早期宇宙等深奧現象中去了。但是在有人開始考慮聰明地采用廚房的水池之前,有一些事情值得提醒。昂魯說的“恰到好處地調節水流”現在意味著使用溫度僅僅高于絕對零度的超流液氦或者是更復雜的系統,例如在玻色-愛因斯坦凝聚中被束縛住的超低溫原子——另一種具有量子特性接近絕對零度的流體。目前絕大多數的實驗設計還停留在圖紙的階段,僅有一小部分的實驗才成功地進行了。 

            那么下一個問題就是這些模型究竟可以告訴你些什么?如果系統B可以在某些方面模擬系統A并且呈現出了一些迄今尚未觀測到的現象,這是否就意味著系統A也是如此呢?或者是否干脆就說明了兩者確實存在差異呢?

           

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            [圖片說明]:加拿大不列顛哥倫比亞大學的理論物理學家比爾·昂魯(Bill Unruh)。 

            雖然有這些憂慮,但為數不多卻非常執著的物理學家在廚房的水池或者是桌面宇宙學中正不斷地創造出新的驚喜。這些科學家絕大多數來自歐洲,那里為這些研究提供了少量但卻穩定的資助。許多的研究要用到超流氦,這是一種研究相變——不同物態之間的轉變——和量子效應的絕佳物質,而這兩種現象在宇宙學中也極為重要。2008年1月底,這些對凝聚態物質和宇宙學感興趣的科學家在英國倫敦皇家學會聚集一堂商討他們的未來。“既然你無法去黑洞周圍或者早期宇宙現場做實驗,”美國華盛頓天主教大學的宇宙學家坦梅·梵恰斯帕蒂(Tanmay Vachaspati)說,“那么我們就在實驗室里來實現它。” 

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