海边拾贝

光波在空间中的行为，和声波在流体里的行为，有着神秘的相似性，连黑洞也可以在声学中找到对应。时空，会不会和爱因斯坦物理诞生之前的以太一样，根本就是一种流体呢？

爱因斯坦在1905年提出狭义相对论时，驳斥了一项19世纪的观点：光波是由一种假想介质“以太”的振动而产生的。他主张，光波可以在真空中行进，并不需要任何物质来支撑，不像在介质中传播的声波，其实只是介质的振动而已。在近代物理的另外两大支柱（广义相对论和量子力学）之中，这个狭义相对论的特性并没有再修改。而到目前为止，小至次原子核，大至星系，所有的实验数据，都能用这三大理论圆满地解释。

尽管如此，物理学家却得面对一个深刻的观念问题。就现在的理解，广义相对论和量子力学是不相容的。广义相对论将重力归因于时空连续体的曲率，而这与量子理论的框架格格不入。在极短的距离之下，一般认为量子力学将会导致时空结构的高度弯曲，但理论学家对此的理解，进展却极其微小。于是在挫折之余，有些人便转向一条出人意表之路：凝聚态物理（也就是研究如晶体或流体这些一般物质的学问），以寻求指引。

凝聚态物质在大尺度下，就和时空一样，看起来也是连续体，不同之处仅在于，它们的微观结构，是由我们透彻了解的量子力学所支配。此外，由于声波在不均匀流体中的传播行为，和光波在弯曲时空中传播十分类似，因此我们和其它同行正在研究一种声波的黑洞模型，企图通过这项模拟，获得对于时空微观行为的了解。这类的工作成果指出，时空也许正如流体物质一样，具有颗粒性，而且在微观的尺度下，会有某个特别优越的参考坐标──这和爱因斯坦的假设刚好相反。
　　
黑洞其实并不黑

黑洞是测试量子重力论的最佳场所之一，因为不管是量子力学或广义相对论，在黑洞附近都极为重要。1974年，英国剑桥大学的霍金将量子力学套用在黑洞的视界上，自此这两大理论的融合向前迈进了一大步。

根据广义相对论，所谓的视界就是将黑洞内部（这里的重力强到没有任何东西可以逃离）与外部分隔开来的曲面，它不是一种物质的界限。不幸掉进黑洞中的旅人，在通过视界时，并不会有特别的感觉；可是一旦通过了视界，他们就再也无法将光波讯号传送给黑洞外的人，更别说回到黑洞外头去了。至于洞外的观察者，只会收到旅人在通过视界前所发送的讯号。当光波爬出黑洞的重力位井时，它们会被拉长，使得频率向下偏移，讯号的持续时间也变长。结果对观察者来说，旅人看起来会像是用慢动作移动，而且会比平常的颜色要红。

这种称作重力红移的效应，并不是黑洞所特有。举例来说，当讯号在轨道卫星和地面基地之间传递时，其频率和时间也会因重力红移而改变。GPS导航系统必须把这个变量考虑进来，才能准确运作。不过黑洞特殊的地方在于，随着旅人向视界趋近，红移会变成无限大。从外部观察者的角度来看，旅人坠入黑洞得花上无限久，尽管旅人自己会觉得只过了一段有限的时间而已。

以上对于黑洞的描述，仅仅将光当做是古典的电磁波。霍金所做的，是在把光的量子性考虑进来，重新思考无限红移所衍生的结果。根据量子理论中的海森堡测不准原理，就算是完美的真空也不是空无一物，而是充满了量子涨落。量子涨落以虚光子对的形式出现。它们被叫做“虚”光子，是因为在远离任何重力影响的非弯曲时空中，它们会不停的出现又消失，如果是没有任何外力扰动，就无法观测得到。

可是在黑洞附近的弯曲时空中，虚光子对的其中一颗可能会陷进视界之内，而另一颗却留在视界之外。于是这对光子就会由虚转实，形成一股可观察到的向外光通量，而此时黑洞的质量也会相应下降。黑洞辐射整体的型态是热辐射，就和灼热木炭所发出来的类似，其温度和黑洞的质量成反比。这种现象就是所谓的霍金效应。除非黑洞吞噬新物质或新能量来弥补损失，要不然霍金辐射会把它所有的质量泄漏个精光。

有个重点，在待会儿以流体来模拟黑洞时，会变得非常重要，那就是在非常靠近黑洞视界的空间中，还会保持近乎完美的量子真空。事实上，这在霍金的论证中，是最根本的条件。虚光子是最低能量子态（也就是说“基态”）的一项特征。只有在和同伴分离并爬出视界之外的过程之中，虚光子才会变成实光子。
　　
终极显微镜

在建构完整量子重力理论的各种尝试中，霍金的分析扮演了重要的角色。想成为量子重力的候选理论（例如弦论），就必须先证明它能否重现与阐明这项效应。不过，虽然大多数的物理学家都接受霍金的论证，对它的实验确认却迟迟无法达成。原本预期会由星体或是星系黑洞所发出的辐射，因太过微弱而无法观测。要观测霍金辐射唯一的希望，是找到早期宇宙残存、或是在加速器里制造出来的小型黑洞，但这些也许都是不可能的了。

缺乏经验实证的霍金效应，有一个恼人的阴影，特别教人心烦：其实，这个理论中有个潜在的瑕疵，就是光子会有无限大的红移。想一想，要是把时间倒转来看，发射光子的过程会变成什么样子呢？随着霍金光子越来越靠近黑洞，它会蓝移到一个较高的频率与相对较短的波长。它的时间回溯得越早，就越靠近视界，而波长也就变得越短。一旦波长变得比黑洞还短得多的时候，这个粒子就和它的伙伴结合起来，而变成了之前所讨论的虚光子对。

蓝移会持续下去到任意短的距离。可是到了比10^-35厘米（即所谓的普朗克长度）还小时，不管是相对论还是标准的量子理论，就都没办法预测粒子会有什么行为了。这时候你需要量子重力理论才行。因此黑洞的视界就好像是一个神奇的显微镜，可带领观察者去接触未知的物理。然而对理论学家而言，这种放大功能却让人忧虑。假如霍金的预测是建立在未知的物理上，我们难道不该怀疑它的效力吗？就像物质的热容量和声速，会和它的微观结构与动力学有关一样，霍金辐射的性质、甚至是否存在，会不会和时空的微观性质有关？还是说，情况就和霍金原始的论证一样，这个效应完全是由黑洞的巨观性质（它的质量和自转角动量）来决定的呢？
　　
响声与亮光

为了回答这些令人坐立难安的问题，加拿大卑诗大学的安鲁开启了一门新的研究。1981年，他证明了声波在流体中的传播，和光在弯曲空间中的传播有极为接近的模拟。他提出，在评估微观物理对霍金辐射起源上的影响时，这种模拟也许会很有用。而且，它说不定可让类霍金现象的实验观测成真。

声波就和光波一样，是以频率、波长和传播速度为其特征。我们对声波的观念，只适用于波长比流体分子间距大得多的时候；在更小的尺度下，声波就不存在了。而正是这个限制，让这项模拟这么有趣，因为它可以让物理学家研究微观结构对巨观现象的影响。然而，真要让这项模拟派上用场，它必须要能延伸到量子的层次。通常，分子的随机热运动，会让声波的行为和光量子有别。不过当温度接近绝对零度的时候，声波就会表现得和量子一样了，物理学家称之为“声子”（phonon），来强调它和“光子”（光的粒子）的模拟。实验家对于声子在晶体以及低温下仍保持流体状态的物质（如液态氦）之中的行为，早就在进行例行的观测了。

声子在静止与均匀流动的流体中的行为，就和光子在没有重力的平坦空间中一样。这类声子以固定波长、频率与速度沿直线传播，像声音在游泳池或是平顺流动的河流中，就是从音源一直线传递到我们耳朵。

然而，在流动不均匀的流体中，声子的速度会改变，而且它们的波长也会拉长，正如同弯曲空间中的光子一般。在流入峡谷的河流中，或是在旋进排水孔的涡流中，声波会变形扭曲，并且沿着弯曲的路径行进，就像是星体附近的光一样。事实上，这类情况可以用广义相对论的数学几何工具来描述。

流体对声音的作用方式，甚至可以像黑洞对光的作用方式一样。创造这种声学黑洞的方法之一，是利用一种流体力学家称为“拉瓦尔喷嘴”（Laval nozzle）的装置。这种喷嘴的设计，会让流体在最狭窄处，达到并且超过声速，而不会产生冲击波（一种流体性质上的突然变化）。其等效的声学几何，与黑洞的时空几何非常类似。超音速的区域与黑洞的内部相对应：相反于流动方向传播的声波，只能被冲往下游，就像被黑洞中心拉住的光一样。次音速的区域则对应到黑洞之外的时空：声波能够往上游传播，而唯一的代价是波长被拉长，就像光会被红移一样。在这两个区域的交界，行为上和黑洞的视界是一模一样的。