彭鵬 劉慧琦 高策

宇宙有浩如煙海的星海和近乎無限長(zhǎng)的壽命。相比宇宙的尺度和壽命，人類生存的地球僅是滄海一粟，其文明也只有短短幾千年。但是，人類從誕生那一刻起，從未停止通過各種可能的方式去探尋宇宙的奧秘，并且取得了一個(gè)又一個(gè)矚目的成就。然而，在宇宙數(shù)不勝數(shù)的奧秘中，這些只是冰山一角，還有太多令人著迷的研究領(lǐng)域亟待探尋，如大統(tǒng)一理論、宇宙起源、黑洞、規(guī)范理論、霍金輻射等。

實(shí)驗(yàn)室中探索“宇宙”的三種方案

早期，人類探尋宇宙的方式只有天文觀察和理論計(jì)算，想進(jìn)一步研究更深入的問題，僅靠觀察、記錄和理論計(jì)算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，目前已可以在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)宇宙進(jìn)行研究，并且逐漸發(fā)展出三種方案：大型對(duì)撞機(jī)方案、量子計(jì)算機(jī)的數(shù)字模擬方案以及類比量子模擬方案。

大型對(duì)撞機(jī)方案 從牛頓時(shí)代開始，一代代物理學(xué)家為尋找到能夠完美描述自然世界大統(tǒng)一理論，付出了巨大努力。物理學(xué)家發(fā)明了大型對(duì)撞機(jī)，期望利用加速器將粒子加速到接近光速再進(jìn)行直接碰撞，創(chuàng)造出一個(gè)早期的宇宙環(huán)境。然而，這樣一個(gè)直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄐ枰獓?yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件才能完成，所投入的人力物力也是非常高昂的。比如，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider， LHC），雖然觀測(cè)到了上帝粒子——希格斯玻色子，但其背后代價(jià)是數(shù)千位科學(xué)家經(jīng)年累月的研究以及數(shù)百億美元的投資。若要進(jìn)一步探究量子場(chǎng)理論所預(yù)言的宇宙現(xiàn)象，需要投入更多的人力物力來建造更龐大、更高能的加速器才有可能實(shí)現(xiàn)。

量子計(jì)算機(jī)的數(shù)字模擬方案 1981年，費(fèi)曼（R. P. Feynman）在計(jì)算物理第一次會(huì)議上，發(fā)表了以“用計(jì)算機(jī)模擬物理學(xué)”為題的演講，提出了一個(gè)令人印象深刻而又富有遠(yuǎn)見的觀點(diǎn)——“自然界不是經(jīng)典的，如果你想模擬自然，那么我們最好將它量子化，天哪，這是一個(gè)多么奇妙的問題，因?yàn)樗雌饋聿⒉蝗菀住?。[1]至此，量子模擬研究開始真正步入正軌，這就是量子計(jì)算的開端。此后，量子計(jì)算的發(fā)展勁頭勢(shì)不可擋，取得了矚目成就，表現(xiàn)在兩方面：理論上，基于量子計(jì)算的并行性，發(fā)展了“通用量子計(jì)算機(jī)模型”“量子丘奇—圖靈論題”以及多個(gè)普遍被認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)加速的量子算法，如“肖爾算法”“格羅夫算法”“量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法”等；實(shí)驗(yàn)上，能夠分離單個(gè)微觀粒子，操縱和控制其內(nèi)部量子態(tài)，且檢測(cè)保真度近乎完美。近年來，谷歌和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)相繼在超導(dǎo)線路和光量子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)里程碑式的進(jìn)步——“量子霸權(quán)”（又稱為“量子優(yōu)越性”）。但是，就目前技術(shù)而言，量子計(jì)算機(jī)只能完成一些特定的計(jì)算任務(wù)，無法取代或超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，真正實(shí)用的通用量子計(jì)算機(jī)仍是一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，需要能完全控制多體系統(tǒng)，且實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的錯(cuò)誤糾正機(jī)制。量子計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子模擬，仍需要等待成熟的通用量子計(jì)算處理器問世。

類比量子模擬方案 現(xiàn)有的科技可以構(gòu)建出一種類比量子模擬器，即非數(shù)字形式的量子模擬器，其復(fù)雜度遠(yuǎn)低于量子計(jì)算機(jī)，能解決標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字技術(shù)不能完成的一些檢驗(yàn)問題，并且無需考慮糾錯(cuò)問題。其處理過程不是數(shù)字計(jì)算過程，而更像是測(cè)量過程，在費(fèi)曼看來，測(cè)量本身就是一種計(jì)算。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)計(jì)算需要龐大的計(jì)算資源時(shí)，最佳方式就是讓這個(gè)系統(tǒng)自由演化，并在適當(dāng)時(shí)候進(jìn)行測(cè)量，這樣可以更加快捷精確地獲得結(jié)果。比如，要計(jì)算籃球脫手后的飛行速度，與其費(fèi)時(shí)費(fèi)力收集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，倒不如直接測(cè)量籃球的速度。費(fèi)曼版本的通用數(shù)字量子模擬器可以構(gòu)建出非常寬泛的哈密頓量，理論上可以模擬任意的物理世界，應(yīng)用更廣泛，而類比量子模擬器只能構(gòu)建出特定的一些哈密頓量，實(shí)現(xiàn)專門用途，但后者在技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)。這樣的模擬實(shí)驗(yàn)并不為大眾所熟知，其實(shí)從1980年代起，就有科學(xué)家開始考慮并嘗試在實(shí)驗(yàn)室中通過桌面級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)M黑洞，如今，通過這種方式，已經(jīng)開展了很多有關(guān)宇宙學(xué)問題的前沿研究。

以上三種方案中尤以第三種最容易實(shí)現(xiàn)。得益于材料科學(xué)、工程技術(shù)以及單量子系統(tǒng)的隔離、操控、測(cè)量等方面取得的巨大進(jìn)步，人類已經(jīng)可以利用超冷原子、離子阱等高度可控的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)類比量子模擬實(shí)驗(yàn)，且這樣的實(shí)驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、量子化學(xué)、高能物理、天體物理等領(lǐng)域，利用“量子模擬器”來探索未知宇宙正在成為現(xiàn)實(shí)。

乍一看，桌面級(jí)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和宇宙系統(tǒng)無論是在能量尺度，還是在長(zhǎng)度和時(shí)間尺度都存在很大差別，那么如何才能實(shí)現(xiàn)模擬？核心要義就是要求模擬系統(tǒng)和被模擬系統(tǒng)具有極其相似的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，用容易實(shí)現(xiàn)且高度可控的量子系統(tǒng)模擬另個(gè)難以直接研究的復(fù)雜量子系統(tǒng)。

模擬黑洞

黑洞作為一種神秘而特別的天體，由于特殊的性質(zhì)，一直以來就是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。特別是一些重大成果的誕生，不斷為黑洞研究注入新動(dòng)力。2015年，科學(xué)家首次成功觀察到黑洞合并產(chǎn)生的引力波；2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡首次拍攝到黑洞照片；2020年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)首次授予對(duì)黑洞研究做出杰出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家。盡管研究成果頗豐，但是目前對(duì)黑洞的了解仍然只是冰山一角。在研究黑洞的過程中，科學(xué)家遇到了有史以來最為棘手的問題：如何統(tǒng)一量子力學(xué)和相對(duì)論。量子力學(xué)和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)中久經(jīng)考驗(yàn)的兩大支柱理論，然而想要統(tǒng)一它們卻遇到了極大困難，這是當(dāng)代物理學(xué)研究面臨的最大挑戰(zhàn)之一，包括霍金輻射、規(guī)范引力對(duì)偶以及黑洞信息悖論等在內(nèi)的相關(guān)理論至今都無法得到驗(yàn)證。而全面正確認(rèn)識(shí)這些內(nèi)容將極大提升人類對(duì)于彎曲時(shí)空中量子理論的理解，對(duì)建立統(tǒng)一量子力學(xué)和相對(duì)論的大統(tǒng)一理論至關(guān)重要。因此，對(duì)黑洞的研究意義重大，是人類探索宇宙終極奧秘的必經(jīng)之路。

“啞洞”

1974年，霍金提出黑洞蒸發(fā)即霍金輻射理論。由量子力學(xué)理論可知，真空實(shí)際上并不空，真空中的量子漲落會(huì)導(dǎo)致光子對(duì)（粒子及其對(duì)應(yīng)的反粒子）不斷生成和湮滅。在黑洞的事件視界附近，由于黑洞引力足夠大，某一瞬間可能會(huì)將具有負(fù)能量的反粒子吸入黑洞，粒子則輻射出去，從而產(chǎn)生霍金輻射。然而，該理論至今都無法得到直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因?yàn)樵撦椛鋵?shí)在太微弱，甚至弱于宇宙的微波背景輻射。因此，想要直接觀測(cè)困難重重，科學(xué)家只能試圖尋找別的方式來研究。

1972年，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家昂魯（W. G. Unruh）在牛津大學(xué)的一次講座上，給在座的聽眾設(shè)想了一個(gè)有趣的場(chǎng)景：假設(shè)有條魚掉進(jìn)一個(gè)瀑布，瀑布水流的下落速度非常快，某些區(qū)域的速度甚至超過聲速。如果這條魚在超聲速區(qū)域發(fā)出一聲尖叫，由于水流下落速度超過聲速，瀑布上面的同伴將永遠(yuǎn)聽不到它的尖叫聲。昂魯進(jìn)一步闡釋：“這就像一個(gè)人如果掉入黑洞，那么處于事件視界外面的人將再看不到他。這里還可以想象另外一種情形，一條原先流速非?？斓暮恿鳎诹飨虼蠛５倪^程中，流速逐漸變慢，那么大海中的魚發(fā)出的叫聲就永遠(yuǎn)無法進(jìn)入流速高過聲速的區(qū)域，這里的河流就類似沒有東西可以進(jìn)入的白洞。”白洞與黑洞正好相反，白洞會(huì)不斷向外發(fā)射物質(zhì)和能量，但是外部的物質(zhì)和能量無法進(jìn)入其中。這一有趣的思想實(shí)驗(yàn)正是昂魯隨后提出聲學(xué)黑洞的基礎(chǔ)。1981年，他在理論上首先提出，利用聲學(xué)黑洞系統(tǒng)來模擬霍金輻射，當(dāng)流體的速度超過聲速后，流體中的聲波將被囚禁在超音速區(qū)域，無法逃離，這就類似光波在黑洞中一樣，形成“啞洞”。[2]

在“啞洞”系統(tǒng)中，流體類似黑洞時(shí)空的幾何結(jié)構(gòu)，流體的亞聲速和超聲速的交界處就是聲學(xué)視界。聲學(xué)視界可以用與真實(shí)黑洞事件視界完全相同的方程來描述，展現(xiàn)出很多類似黑洞事件視界處的效應(yīng)，如霍金輻射。昂魯表示：“如果你了解其中一個(gè)系統(tǒng)，那么你也將窺探到另一系統(tǒng)奧秘?！痹谶@一先驅(qū)性的想法提出后，科學(xué)家相繼提出了多種實(shí)驗(yàn)方案，并且進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)嘗試。這些實(shí)驗(yàn)體系包括：水中的波浪、玻色—愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensates， BEC）中的聲波、光纖中的光波等。然而，想要在實(shí)驗(yàn)室中利用模擬系統(tǒng)觀察霍金輻射效應(yīng)也絕非易事，接下來重點(diǎn)介紹兩個(gè)發(fā)展較快的黑洞模擬實(shí)驗(yàn)方案：BEC和光纖。

流體中的聲波與時(shí)空中的光波屬性極為相似。如果流體在空間或者時(shí)間維度是非均勻的，那么就能模擬彎曲的時(shí)空。更進(jìn)一步，如流體是一個(gè)相干的量子系統(tǒng)（如BEC），那么該模擬就能擴(kuò)展到模擬量子場(chǎng)理論。這為在實(shí)驗(yàn)室中研究彎曲時(shí)空中量子場(chǎng)理論，如宇宙早期粒子的產(chǎn)生、霍金輻射、昂魯效應(yīng)（Unruh effect）和偽真空衰減等提供了可能。科學(xué)家為此提出利用BEC作為流體來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，具體實(shí)驗(yàn)面臨最大的挑戰(zhàn)就是如何獲得穩(wěn)定、低溫的超聲速凝聚態(tài)流體，因?yàn)樽鳛槌黧w，BEC的流速會(huì)被限制到朗道臨界速度。2009年，以色列理工學(xué)院的斯特恩豪爾（J. Steinhauer）團(tuán)隊(duì)克服了這一速度限制，首次在實(shí)驗(yàn)上獲得穩(wěn)定的超聲速BEC，并計(jì)算出霍金溫度在0.1納開的量級(jí)。隨后，斯特恩豪爾對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改良，降低系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，進(jìn)一步觀察到一系列相關(guān)現(xiàn)象：2016年，成功觀測(cè)到“啞洞”的聲子輻射，以及聲學(xué)視界兩側(cè)成對(duì)聲子的量子糾纏度隨能量的降低而減弱，這與霍金的計(jì)算結(jié)果相吻合，證實(shí)了霍金輻射的量子屬性。2019年，更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)“啞洞”的輻射譜與熱輻射譜一致，并且通過表面重力獲得體系的有效溫度，其結(jié)果與霍金的理論預(yù)期完全吻合。[3]這是霍金輻射理論獲得的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，被新聞媒體廣泛報(bào)道，但同時(shí)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果在科學(xué)界引發(fā)了更多的爭(zhēng)論。

一方面，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果是正確的，那么將引出另一個(gè)更重大的問題。根據(jù)霍金的理論計(jì)算，霍金輻射是一種隨機(jī)的、不包含任何特征信息的行為，因此，隨著霍金蒸發(fā)的不斷進(jìn)行，黑洞最終將消失殆盡，其所包含的信息也將隨之消散，這就產(chǎn)生了黑洞信息悖論。但是，根據(jù)量子力學(xué)理論的信息不滅論，宇宙中所有粒子包含的所有可能狀態(tài)之間的變換都具有幺正性，換言之，就是可通過對(duì)現(xiàn)在宇宙狀態(tài)的反演變換，窺探宇宙歷史發(fā)展的所有信息。量子力學(xué)的幺正性也使得量子計(jì)算具備了天然可逆性，從而避免經(jīng)典計(jì)算機(jī)信息擦除帶來的發(fā)熱。如果霍金、昂魯以及斯特恩豪爾等人的一系列理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確，那么將動(dòng)搖量子力學(xué)理論的根基。

另一方面，學(xué)界對(duì)該模擬實(shí)驗(yàn)的討論和質(zhì)疑從未停息。愛因斯坦廣義相對(duì)論所描述的黑洞事件視界處的時(shí)空是平滑且連續(xù)的，這也是霍金計(jì)算過程中的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)。但物理學(xué)家普遍認(rèn)為，這只是一種近似，當(dāng)把愛因斯坦的連續(xù)時(shí)空放到足夠大時(shí)，時(shí)空的量子屬性將顯現(xiàn)。不過，霍金認(rèn)為在其描述事件視界處的量子漲落時(shí)，可以忽略微觀的物理細(xì)節(jié)。昂魯發(fā)現(xiàn)，這種近似也同樣可以應(yīng)用到流體的聲學(xué)視界，因?yàn)榱黧w雖然是由一個(gè)個(gè)分立的原子組成，但是在大尺度下，其仍然可以近似為連續(xù)體。2005年，他進(jìn)一步發(fā)文說明，無論理論上如何處理流體或者時(shí)空微觀尺度上的物理細(xì)節(jié)，都不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，他認(rèn)為霍金的近似并沒有忽略任何重要細(xì)節(jié)，[4]而斯特恩豪爾的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了聲學(xué)黑洞的近似是可行的。那么，這是否就意味著霍金輻射確實(shí)存在，并且信息也會(huì)隨之消散？現(xiàn)在下結(jié)論可能還為時(shí)過早，大部分科學(xué)家仍然認(rèn)為信息是不滅的。在他們看來，雖然聲學(xué)黑洞中流體的近似是足夠精細(xì)的，但時(shí)空可能并不能近似為平滑的，所以兩個(gè)系統(tǒng)不能相互類比，正如德國(guó)慕尼黑大學(xué)的物理哲學(xué)家哈特曼（S. Hartmann）反問道：“問題的關(guān)鍵是，這種近似到底會(huì)有多大的關(guān)聯(lián)性？”

光纖中的黑洞

斯特恩豪爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還受到了英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)倫哈特（U. Leonhardt）的質(zhì)疑，[5]這里不作進(jìn)一步介紹。倫哈特一直在主導(dǎo)另一模擬實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是光纖和激光。該方案是在靜止的光纖中導(dǎo)入一個(gè)極短的激光脈沖，這樣不需要將光纖加速到光速，實(shí)驗(yàn)設(shè)置就能達(dá)到與流動(dòng)介質(zhì)一樣的效果。2008年，倫哈特團(tuán)隊(duì)第一次在實(shí)驗(yàn)中利用光纖演示了光學(xué)的事件視界。他們將鈦寶石激光器產(chǎn)生的70飛秒激光脈沖導(dǎo)入光纖，由于克爾效應(yīng)（Kerr effect），該脈沖會(huì)改變光纖折射率，隨著激光脈沖的傳播，其所到之處光纖折射率就會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。在這樣一個(gè)共動(dòng)參考系下，盡管光纖實(shí)際上沒有移動(dòng)，但由于激光脈沖以光速在光纖中傳播，整個(gè)系統(tǒng)就變?yōu)橐粋€(gè)以光速朝反方向快速移動(dòng)的流體。隨后，在光纖中加入一個(gè)群速度稍大于激光脈沖且波長(zhǎng)連續(xù)變化的激光作為探測(cè)光，緊跟著激光脈沖。當(dāng)探測(cè)光逐步逼近激光脈沖時(shí)，光纖折射率由于克爾效應(yīng)發(fā)生變化，探測(cè)光的速度將被減速，直至與激光脈沖速度一樣，好像“停”在脈沖前端。此時(shí)，激光脈沖尾部就構(gòu)造出一個(gè)白洞視界，任何物體都無法進(jìn)入。相反，激光脈沖前端的探測(cè)光由于減速效應(yīng)，形成黑洞視界。2019年，倫哈特在光纖系統(tǒng)中還觀察到探測(cè)光所激發(fā)的受激霍金輻射，即探測(cè)光扮演了真空量子漲落的角色。雖然，實(shí)驗(yàn)沒觀測(cè)到自發(fā)的霍金輻射，但已接近這一結(jié)果，因?yàn)樵缭?916年，愛因斯坦就指出自發(fā)輻射和受激輻射存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系。不過，此次模擬實(shí)驗(yàn)的一些結(jié)果與霍金理論的預(yù)期結(jié)果并不相符，有待進(jìn)一步論證。

隨著黑洞模擬實(shí)驗(yàn)的快速發(fā)展，科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到，霍金輻射可能比最初設(shè)想的更加普遍，可以發(fā)生在任何建立了事件視界的系統(tǒng)上，除光纖、超冷原子外，甚至可以在水流中。但是，還需要在理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行更加深入的探索和研究。

昂魯效應(yīng)

1976年昂魯猜測(cè)，如果霍金的理論正確，那么一個(gè)處在極大加速度下的人將感受到一個(gè)類似于霍金輻射的熱輻射。[6]這個(gè)猜想被稱為昂魯效應(yīng)。愛因斯坦等效原理指出，重力場(chǎng)與以適當(dāng)加速度運(yùn)動(dòng)的參考系是等價(jià)的，這就導(dǎo)致霍金輻射和昂魯效應(yīng)完全等價(jià)。然而，昂魯效應(yīng)同樣難以驗(yàn)證，因?yàn)橐粋€(gè)人即使承受1018數(shù)量級(jí)的加速度，他也只能感受到1開的微弱輻射，即便是噴氣式飛機(jī)或者超跑的駕駛員，他所承受的加速度也只能達(dá)到10米/秒2左右。研究昂魯效應(yīng)，傳統(tǒng)方式是不可能完成的，還需依靠量子模擬。

2019年，美國(guó)芝加哥大學(xué)金政團(tuán)隊(duì)利用堿金屬銫原子的BEC，成功模擬了昂魯效應(yīng)，并且觀察到2微開的輻射，這一結(jié)果與昂魯?shù)牟聹y(cè)完全吻合，成功證實(shí)了輻射場(chǎng)的量子屬性。這一重要量子模擬實(shí)驗(yàn)源于該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的另一奇妙的量子現(xiàn)象——“玻色煙花”。2017年，金政團(tuán)隊(duì)對(duì)囚禁在光學(xué)偶極阱中的銫原子BEC所處環(huán)境的磁場(chǎng)進(jìn)行了精細(xì)調(diào)制，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)一個(gè)神奇現(xiàn)象：在經(jīng)過十幾毫秒的調(diào)制作用后，一些銫原子突然聚群向各個(gè)方向噴射，就像煙花一樣，這就是“玻色煙花”。[7]在這樣一個(gè)體系中，雖然銫原子BEC并沒有運(yùn)動(dòng)，但是磁場(chǎng)的調(diào)制作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似將銫原子BEC推動(dòng)到加速參考系中的效應(yīng)，這為模擬昂魯效應(yīng)提供了可能。金政團(tuán)隊(duì)對(duì)原子的熱輻射分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)原子數(shù)漲落精確符合玻爾茲曼分布（Boltzmann distribution）。他們更進(jìn)一步觀察到物質(zhì)波輻射在空間和時(shí)間上的相干性，這與昂魯?shù)牟聹y(cè)驚人一致。相干性是量子力學(xué)的特征之一，這直接反映出昂魯效應(yīng)源自量子力學(xué)效應(yīng)，并可以進(jìn)一步推廣到霍金輻射。相關(guān)研究對(duì)研究彎曲時(shí)空的量子現(xiàn)象有著重要的啟發(fā)意義，金政在接受采訪時(shí)談到：“現(xiàn)在有很多關(guān)于是否能夠兼容愛因斯坦廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的討論，有很多的提議、猜測(cè)甚至是悖論，我希望通過我們的實(shí)驗(yàn)可以幫助人類更好地理解量子力學(xué)是如何在彎曲時(shí)空中運(yùn)行的?！?h3>模擬宇宙的演化

宇宙大爆炸是人類認(rèn)識(shí)宇宙的核心理論，描述了宇宙的起源和演化進(jìn)程。隨著宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，這一理論得到學(xué)術(shù)界的廣泛支持，成為宇宙學(xué)中最有影響力的一個(gè)學(xué)說。

宇宙是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的形成可以追溯到早期宇宙的量子漲落。隨著宇宙的不斷膨脹，量子漲落在宇宙流體中以聲壓波的形式傳播，這一動(dòng)力學(xué)過程表現(xiàn)為宇宙微波背景輻射的各向異性和星系的大尺度關(guān)聯(lián)，聲波的相互干涉使得宇宙微波背景輻射的角向密度譜呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)。該理論被稱為薩哈羅夫振蕩或聲學(xué)振蕩，最早由蘇聯(lián)原子物理學(xué)家薩哈羅夫（A. Sakharov）提出，涉及宇宙密度、組成結(jié)構(gòu)以及未來演化等方面。需要注意的是，早期宇宙的演化僅依賴于流體力學(xué)和狀態(tài)方程，而對(duì)微觀細(xì)節(jié)不敏感，這就為在實(shí)驗(yàn)室中模擬薩哈羅夫振蕩提供了可能。在模擬實(shí)驗(yàn)中，宇宙流體中的引力作用和輻射壓力可以通過超流體中的玻色子聚束和原子排斥性相互作用分別得到，膨脹后的引力不穩(wěn)定性可以通過原子相互作用的突變來模擬。2012年，金政團(tuán)隊(duì)在利用銫原子的BEC超流體構(gòu)造的二維原子團(tuán)中成功觀察到原子密度譜的多峰結(jié)構(gòu)，對(duì)薩哈羅夫振蕩進(jìn)行了模擬。[8]該模擬實(shí)驗(yàn)首先構(gòu)造一個(gè)扁平的原子超流體，隨后通過費(fèi)希巴赫共振（Feshbach resonance）突然改變?cè)拥南嗷プ饔脧?qiáng)度，打破系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，緊接著通過原位成像監(jiān)視原子在時(shí)間和空間尺度的密度漲落。在幾毫秒的時(shí)間尺度內(nèi)，可以看到原子團(tuán)劇烈的密度漲落，這一現(xiàn)象正是相互作用突變產(chǎn)生的聲波繼而干涉的結(jié)果，可解釋為薩哈羅夫振蕩。

快速膨脹的超冷原子系統(tǒng)也展現(xiàn)出類似宇宙膨脹過程的一些性質(zhì)。美國(guó)馬里蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)將23Na的BEC囚禁在一個(gè)環(huán)形的勢(shì)阱中，緊接著在15毫秒內(nèi)，BEC的半徑擴(kuò)大4倍，其擴(kuò)張速度達(dá)到超音速。通過對(duì)BEC進(jìn)行成像探測(cè)，更進(jìn)一步對(duì)其參數(shù)（密度、穿越聲子的頻率和相位等）的時(shí)間演化進(jìn)行分析，該團(tuán)隊(duì)演示了三個(gè)類似宇宙膨脹的特征效應(yīng)。[9]第一，觀測(cè)到聲子的紅移現(xiàn)象，即聲子波長(zhǎng)變長(zhǎng)。在BEC中傳播的聲波與宇宙中傳播的光波遵循一樣的方程。宇宙中光的紅移現(xiàn)象，為宇宙膨脹學(xué)說提供第一個(gè)證據(jù)。第二，觀測(cè)到在BEC的動(dòng)力學(xué)過程中，存在類似哈珀摩擦的阻尼效應(yīng)，哈珀摩擦?xí)粩嘟档凸獠ǖ恼穹１挥脕砻枥L膨脹宇宙的一些性質(zhì)。第三，觀測(cè)到BEC膨脹結(jié)束后，整個(gè)環(huán)上會(huì)形成很多旋渦，旋渦進(jìn)一步耗散則會(huì)形成圍繞環(huán)傳播的聲波，這樣一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)移過程與早期宇宙的“預(yù)熱”過程非常相似，宇宙中各種粒子正是在這一過程中形成。團(tuán)隊(duì)期望在未來進(jìn)一步對(duì)BEC環(huán)膨脹中的復(fù)雜能量轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行研究，以尋求更多與宇宙的相似之處。

模擬規(guī)范場(chǎng)

2020年，潘建偉、苑震生等人在超冷原子體系中，利用規(guī)?；牧孔诱{(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)格點(diǎn)規(guī)范理論（lattice gauge theory）的模擬實(shí)驗(yàn)研究，并觀測(cè)到局域規(guī)范不變性。規(guī)范不變性是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型建立的基礎(chǔ)，而標(biāo)準(zhǔn)模型是最為基本也是最為成功的理論，其統(tǒng)一了四種基本相互作用中的三種，并且得到大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這一重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)展將進(jìn)一步延伸到非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的研究，并拓展到一些有趣的高能物理現(xiàn)象的研究，如希格斯機(jī)制。上述量子模擬實(shí)驗(yàn)使用了光學(xué)晶格技術(shù)。簡(jiǎn)單來講，該技術(shù)就是利用相互重疊的激光所產(chǎn)生的干涉效應(yīng)，將原子囚禁在激光干涉加強(qiáng)的區(qū)域，原子就會(huì)像被放在雞蛋盒中的雞蛋一樣一個(gè)個(gè)分離開來，原子間的相互作用從而降低。

晶格規(guī)范場(chǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)研究還有望推動(dòng)另一領(lǐng)域的研究。為解決量子力學(xué)和廣義相對(duì)論不相容的難題，科學(xué)家提出兩套理論，一是弦理論，二是圈量子引力理論。但是一直以來，這兩套理論都沒有得到驗(yàn)證。為解決黑洞的信息悖論，弦理論中誕生了一個(gè)不為人所熟知的理論——全息原理，它認(rèn)為整個(gè)空間的性質(zhì)可以編碼到其邊界上，所見的宇宙其實(shí)是真實(shí)宇宙的投影，這就使得量子引力的d+1維時(shí)空可以等價(jià)于d維非引力的量子多體系統(tǒng)的邊界。具體的范例就是規(guī)范引力對(duì)偶。全息原理是第二次超弦革命帶來的，弦理論科學(xué)家為量子引力建立了非常漂亮的框架，表明超弦理論（superstring theory）或者說M理論（M-theory）在本質(zhì)上等價(jià)于規(guī)范場(chǎng)理論。所以，如果全息原理是正確的，那么科學(xué)家就可以利用囚禁在光晶格中、由超冷費(fèi)米氣體構(gòu)造的非引力系統(tǒng)來創(chuàng)造一個(gè)“等價(jià)”的量子黑洞。[10]這里“等價(jià)”的意思是，量子引力系統(tǒng)和非引力系統(tǒng)在原理上是無法區(qū)分的。因此，如果在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)規(guī)范場(chǎng)論的模擬，那就意味著在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了量子引力系統(tǒng)。

量子模擬通過桌面級(jí)的實(shí)驗(yàn)方案，“再現(xiàn)”宇宙中的神奇效應(yīng)，這是探索、趨近宇宙終極奧秘的有效手段，將極大拓展科學(xué)研究的邊界。但是也需要清醒認(rèn)識(shí)到，宇宙系統(tǒng)是極其復(fù)雜的系統(tǒng)，量子模擬實(shí)驗(yàn)并不能完全重建宇宙，只能針對(duì)理論上預(yù)言的某些宇宙屬性進(jìn)行模擬。

除宇宙理論外，量子模擬的領(lǐng)域還有凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、高能物理等，模擬材料也不僅局限于超冷原子系統(tǒng)，還可以是離子阱、超導(dǎo)線路、半導(dǎo)體量子點(diǎn)等。未來，隨著量子調(diào)控技術(shù)特別是量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，量子模擬還將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮更多更大的作用，推動(dòng)科技發(fā)展。

[本文相關(guān)研究受國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目（16ZDA113）、國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（11904217）資助。]

[1]Feynman R P. Simulating physics with computers. Int J Theor Phy， 1982， 21（6-7）： 467-488.

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[4]Unruh W G， Schützhold. On the universality of the Hawking effect. Phys Rev D， 2005， 71： 024028.

[5]Ulf L. Questioning the recent observation of quantum Hawking radiation. Ann Phys （Berlin）， 2018， 530： 1700114.

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[9]Eckel S， Kumar A， Jacobson T， et al. A rapidly expanding BoseEinstein condensate： an expanding universe in the lab. Phys Rev X， 2018， 8： 021021.

[10]Danshita I， Hanada M， Tezuka M. Creating and probing the Sachdev-Ye-Kitaev model with ultracold gases： towards experimental studies of quantum gravity. Prog Theor Exp Phys， 2017： 083I01.

關(guān)鍵詞：量子模擬 超冷原子 玻色—愛因斯坦凝聚 宇宙學(xué) ■