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瓶中的宇宙:你厨房里的“黑洞”
2009-07-09  【 】【打印】【关闭

文章来源:Nature 2008-01-17

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  物理学家们经常借鉴其他领域的技术。但是从这些技术中你能获得些什么呢?实验桌上的简单实验能为早期宇宙提供新的见解吗? 

  信不信?你们家的厨房里就隐藏着司空见惯但却令人着迷的物理现象!当从龙头中流出的水打到洗碗池底部的时候,它会形成一个由水流组成的“圆盘”。水从上方缓缓地注入这个“水盘”,然后沿着径向流出。水流甚至还会形成一个波纹环,这个环中有着比水池中其他部分更多的湍流。在这个环以外,水池中充满了波动和漩涡;但是在这个环以内,由于水流过快使得外面的水波无法穿过,因此水池中这个环以外的其他信息无法进入这个环的内部。 

  天文学界长久以来的一个愿望就是重建黑洞周围的“视界”——一个有去无回的面。理论物理学家已经花了几十年的时间在计算视界周围的物理现象上,而天文学家则花了更长的时间和几十亿的美元想一窥视界究竟是个什么样子。然而,其他一些物理学家认为,通过研究水池中的水流,他们也许至少能提供这个问题的部分答案。 

  水池中的“水盘”和黑洞还是存在一些差异的。例如,水池中的水是从波纹环内部向外流动的,而黑洞吸积物质的情况正好相反。但是按照加拿大不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家比尔·昂鲁(Bill Unruh)的说法,这两者要比你想象的还要接近。早在20世纪80年代早期,作为思想实验昂鲁就设想了一种类似的流体运动。他假想有一个瀑布,其中水流的速度超过了水中的声速。在这样的系统中,在水流达到声速的那个面就形成是了“视界”,水中的声波无法逃逸到“视界”之外。“如果你能恰到好处地调节水流”他说,“你确实可以模拟出一个黑洞。” 

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  调节水流 

  从那时起,有一小批科学家便投身到模拟黑洞和早期宇宙等深奥现象中去了。但是在有人开始考虑聪明地采用厨房的水池之前,有一些事情值得提醒。昂鲁说的“恰到好处地调节水流”现在意味着使用温度仅仅高于绝对零度的超流液氦或者是更复杂的系统,例如在玻色-爱因斯坦凝聚中被束缚住的超低温原子——另一种具有量子特性接近绝对零度的流体。目前绝大多数的实验设计还停留在图纸的阶段,仅有一小部分的实验才成功地进行了。 

  那么下一个问题就是这些模型究竟可以告诉你些什么?如果系统B可以在某些方面模拟系统A并且呈现出了一些迄今尚未观测到的现象,这是否就意味着系统A也是如此呢?或者是否干脆就说明了两者确实存在差异呢?

 

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  [图片说明]:加拿大不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家比尔·昂鲁(Bill Unruh)。 

  虽然有这些忧虑,但为数不多却非常执著的物理学家在厨房的水池或者是桌面宇宙学中正不断地创造出新的惊喜。这些科学家绝大多数来自欧洲,那里为这些研究提供了少量但却稳定的资助。许多的研究要用到超流氦,这是一种研究相变——不同物态之间的转变——和量子效应的绝佳物质,而这两种现象在宇宙学中也极为重要。2008年1月底,这些对凝聚态物质和宇宙学感兴趣的科学家在英国伦敦皇家学会聚集一堂商讨他们的未来。“既然你无法去黑洞周围或者早期宇宙现场做实验,”美国华盛顿天主教大学的宇宙学家坦梅·梵恰斯帕蒂(Tanmay Vachaspati)说,“那么我们就在实验室里来实现它。” 

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