西奧多·A　雅各布森　雷諾·帕瑞塔尼

愛因斯坦在1905年提出狹義相對(duì)論時(shí)，駁斥了一項(xiàng)19世紀(jì)的觀點(diǎn)：光波是由一種假想介質(zhì)以太的振動(dòng)而產(chǎn)生的。他認(rèn)為，光波可以在真空中行進(jìn)，并不需要任何物質(zhì)來支撐，不像在介質(zhì)中傳播的聲波只是介質(zhì)的振動(dòng)而已。在近代物理的另外兩大支柱（廣義相對(duì)論和量子力學(xué)）中，這個(gè)狹義相對(duì)論的特性并沒有再被修改。到目前為止，小至次原子核，大至星系，所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都能用這三大理論圓滿地解釋。

盡管如此，物理學(xué)家還得面對(duì)一個(gè)深刻的觀念問題。就現(xiàn)在的理解，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是不相容的。廣義相對(duì)論將引力歸因于時(shí)空連續(xù)體的曲率，而這與量子理論的框架格格不入。一般認(rèn)為，在極短的距離內(nèi)，量子效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致時(shí)空結(jié)構(gòu)的高度彎曲，但理論物理學(xué)家對(duì)此的理論闡釋，進(jìn)展極其微小。在挫折之余，有些人便轉(zhuǎn)向一條出人意表之路：凝聚態(tài)物理（研究晶體和流體等物質(zhì)的學(xué)問），以尋求指引。

凝聚態(tài)物質(zhì)在大尺度下就和時(shí)空一樣，看起來也是連續(xù)體，不同之處僅在于它們的微觀結(jié)構(gòu)是由我們透徹了解的量子力學(xué)所支配的。此外，由于聲波在不均勻流體中的傳播行為和光波在彎曲時(shí)空中的傳播十分類似，因此我們和其他同行正在研究一種聲波的黑洞模型，試圖通過這項(xiàng)模擬獲得對(duì)時(shí)空微觀行為的了解。這類研究的成果顯示，時(shí)空也許正如流體物質(zhì)一樣，具有顆粒性，而且在微觀的尺度下，會(huì)有某個(gè)特別優(yōu)越的參考坐標(biāo)──這和愛因斯坦的假設(shè)剛好相反。

黑洞其實(shí)并不黑

黑洞是驗(yàn)證量子引力論的最佳場(chǎng)所之一，因?yàn)椴还苁橇孔恿W(xué)還是廣義相對(duì)論，在黑洞附近都極為重要。1974年，霍金將量子力學(xué)套用在黑洞的“事件視界”上，自此，這兩大理論的融合向前邁進(jìn)了一大步。

根據(jù)廣義相對(duì)論，“事件視界”就是將黑洞內(nèi)部（這里的引力強(qiáng)到?jīng)]有任何東西可以逃離）與外部分隔開來的曲面，它不是一種物質(zhì)的界限。不幸掉進(jìn)黑洞中的旅人，在通過“事件視界”時(shí)，并不會(huì)有特別的感覺；可是一旦通過了視界，他們就再也無法將光波信號(hào)傳送給黑洞外的人了，更別說回到黑洞外頭去了。至于洞外的觀察者，只會(huì)收到旅人在通過視界前發(fā)送的信號(hào)。當(dāng)光波爬出黑洞的引力位井時(shí)，它們會(huì)被拉長(zhǎng)，使得頻率向下偏移，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間也變長(zhǎng)。在觀察者看來，旅人像是用慢動(dòng)作移動(dòng)，而且會(huì)比平常的顏色要紅。

這種被稱為引力紅移的效應(yīng)并不是黑洞所特有。舉例來說，當(dāng)信號(hào)在軌道衛(wèi)星和地面基地之間傳遞時(shí)，其頻率和時(shí)間也會(huì)因引力紅移而改變。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)必須把這個(gè)變量考慮進(jìn)來，才能準(zhǔn)確運(yùn)作。不過黑洞特殊的地方在于，隨著旅人向“事件視界”趨近，紅移會(huì)變成無限大。從外部觀察者的角度來看，旅人墜入黑洞得花上無限久，盡管旅人自己覺得只過了一段有限的時(shí)間。

以上對(duì)黑洞的描述，只是基于將光當(dāng)作古典的電磁波來討論?；艚鹚龅?，是把光的量子性考慮進(jìn)來，重新思考無限紅移所衍生的結(jié)果。根據(jù)量子理論中的“海森堡不確定性”原理，就算完美的真空也不是空無一物，而是充滿了量子漲落。量子漲落以虛光子對(duì)的形式出現(xiàn)。它們被稱為虛光子，是因?yàn)樵谶h(yuǎn)離一切引力影響的非彎曲時(shí)空中，它們會(huì)不停地出現(xiàn)又消失，若是沒有外力擾動(dòng)，就無法觀測(cè)得到。

可是在黑洞附近的彎曲時(shí)空中，虛光子對(duì)的其中一顆可能會(huì)陷進(jìn)“事件視界”之內(nèi)，而另一顆卻留在“事件視界”之外。這對(duì)光子就會(huì)由虛轉(zhuǎn)實(shí)，形成一股可觀察到的向外光通量，而此時(shí)黑洞的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)下降。黑洞輻射整體的形態(tài)是熱輻射，就和灼熱木炭發(fā)出來的類似，其溫度和黑洞的質(zhì)量成反比。這種現(xiàn)象就是所謂的霍金效應(yīng)。除非黑洞吞噬新物質(zhì)或新能量來彌補(bǔ)損失，否則霍金輻射會(huì)把它所有的質(zhì)量泄漏個(gè)精光。

有個(gè)重點(diǎn)在用流體模擬黑洞時(shí)非常重要，那就是非?？拷诙础笆录暯纭钡目臻g會(huì)保持近乎完美的量子真空。事實(shí)上，這在霍金的論證中是最根本的條件。虛光子是最低能量子態(tài)（亦即基態(tài)）的一項(xiàng)特征，只有在和同伴分離并爬出“事件視界”的過程中，虛光子才會(huì)變成實(shí)光子。

研究黑洞信息悖論的物理學(xué)家分為兩個(gè)陣營(yíng)。一些支持霍金，認(rèn)為“空”的空間并不空，它是在風(fēng)暴中隨著粒子與其反粒子的不斷出現(xiàn)與消失，迅速重組對(duì)，信息真正消失時(shí)黑洞消失，如果違背了量子定律，則需要發(fā)現(xiàn)新的定律。而加州理工大學(xué)帕薩迪納分校的量子物理學(xué)家則不認(rèn)同。

終極顯微鏡

在建構(gòu)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(xiàn)與闡明這項(xiàng)效應(yīng)。不過，雖然大多數(shù)物理學(xué)家都接受霍金的論證，但它的實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)確認(rèn)卻遲遲無法達(dá)成?？茖W(xué)家原以為可以觀測(cè)到星體或是星系黑洞所發(fā)出的輻射，后來發(fā)現(xiàn)其可能太過微弱，至今未能觀測(cè)到。觀測(cè)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制造出小型黑洞，但這些也許都不可能了。

缺乏驗(yàn)證的霍金效應(yīng)有一個(gè)惱人的陰影，特別讓人心煩。這個(gè)理論中有個(gè)潛在的瑕疵，就是光子有無限大的紅移。想一想，要是把時(shí)間倒轉(zhuǎn)來看，發(fā)射光子的過程會(huì)變成什么樣子呢？隨著霍金光子越來越靠近黑洞，它會(huì)藍(lán)移到一個(gè)較高的頻率與相對(duì)較短的波長(zhǎng)。它的時(shí)間回溯得越早，就越靠近“事件視界”，而波長(zhǎng)也就變得越短。一旦波長(zhǎng)變得比黑洞輻射還短得多的時(shí)候，這個(gè)粒子就和它的伙伴結(jié)合起來，變成了之前討論過的虛光子對(duì)。藍(lán)移會(huì)持續(xù)到任意短的距離?？墒堑搅吮?0-35厘米還小時(shí)，不管是相對(duì)論還是標(biāo)準(zhǔn)的量子理論，都沒辦法預(yù)測(cè)粒子會(huì)有什么行為了。這時(shí)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(gè)神奇的顯微鏡，可帶領(lǐng)觀察者去接觸未知的物理?？墒?，對(duì)理論物理學(xué)家而言，這種放大功能卻讓人憂慮。假如霍金的預(yù)測(cè)建立在未知的物理學(xué)上，我們難道不該懷疑它的效力嗎？就像物質(zhì)的熱容量和聲速會(huì)和它的微觀結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)有關(guān)一樣，霍金輻射的性質(zhì)以及存在與否，會(huì)不會(huì)和時(shí)空的微觀性質(zhì)有關(guān)？還是說，情況就和霍金原始的論證一樣，這個(gè)效應(yīng)完全是由黑洞的宏觀性質(zhì)（它的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)角動(dòng)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(xué)的威廉·昂魯開啟了一項(xiàng)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(píng)估微觀物理對(duì)霍金輻射起源的影響時(shí)，這種模式也許很有用。而且，它說不定可讓模擬霍金現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)成真。

聲波就和光波一樣，以頻率、波長(zhǎng)和傳播速度為特征。我們對(duì)聲波的觀念，只適用于波長(zhǎng)比流體分子間距大得多的時(shí)候；在更小的尺度下，聲波就不存在了。而正是這個(gè)限制，讓這項(xiàng)模擬這么有趣，因?yàn)樗梢宰屛锢韺W(xué)家研究微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀現(xiàn)象的影響。然而，真要讓這項(xiàng)模擬派上用場(chǎng)，它必須要能延伸到量子的層次。通常，分子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)會(huì)讓聲波的行為和光量子有區(qū)別。不過當(dāng)溫度接近絕對(duì)零度的時(shí)候，聲波就表現(xiàn)得和量子一樣了。物理學(xué)家稱之為“聲子”，以強(qiáng)調(diào)它對(duì)“光子”（光的粒子）的模擬。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家早就對(duì)聲子在晶體以及低溫下仍保持流體狀態(tài)的物質(zhì)（如液態(tài)氦）中的行為進(jìn)行例行觀測(cè)了。

聲子在靜止與均勻流動(dòng)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(zhǎng)、頻率與速度沿直線傳播。在游泳池或是平順流動(dòng)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(dòng)不均勻的流體中，聲子的速度會(huì)改變，而且它們的波長(zhǎng)也會(huì)被拉長(zhǎng)，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(jìn)排水孔的渦流中，聲波會(huì)變形扭曲，并且沿彎曲的路徑行進(jìn)，就像是星體附近的光一樣。事實(shí)上，這類情況可以用廣義相對(duì)論的數(shù)學(xué)幾何工具來描述。

流體對(duì)聲音的作用方式，甚至可以像黑洞對(duì)光的作用方式一樣。創(chuàng)造這種聲學(xué)黑洞的方法之一，是利用一種被流體力學(xué)家稱為“拉瓦爾噴管”的裝置，讓流體在最狹窄處達(dá)到并且超過聲速，而不會(huì)產(chǎn)生沖擊波（一種流體性質(zhì)上的突然變化）。其等效的聲學(xué)幾何與黑洞的時(shí)空幾何非常類似。超音速的區(qū)域與黑洞的內(nèi)部相對(duì)應(yīng)：傳播方向與流動(dòng)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(qū)域則對(duì)應(yīng)于黑洞之外的時(shí)空：聲波能夠往上游傳播，代價(jià)是波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，就像光會(huì)被紅移一樣。在這兩個(gè)區(qū)域的交界處，行為和黑洞的“事件視界”是一模一樣的。