瓶中的宇宙

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?

瓶中的宇宙

  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。”

瓶中的宇宙

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。

瓶中的宇宙   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?

[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。”

宇宙暴涨

  按照美国普林斯顿大学宇宙学家保尔・斯坦哈特(Paul Steinhardt)的说法,含盖从瀑布到半导体的凝聚态物理学总能为宇宙学家们提供灵感。20世纪80年代中期,他从事的工作是完善暴涨宇宙学。暴涨宇宙学提出,宇宙在大爆炸之后不久经历了一个极端高速膨胀的时期。斯坦哈特说,当时的问题是没有人知道怎样才能解释暴涨是如何转变成现在的慢速膨胀的。那时主流的观点是现在的宇宙形成于暴涨宇宙的一个“时空泡”中,但是按照计算,这样一个时空泡只能是真空的――物质和能量无法在其中形成。

  斯坦哈特自己也深陷其中很长时间,直到他看到了一篇关于混有氦同位素的奇特“相变”的报道。普通的流体会改变它们的相,例如从气态变成液态,类似于理论物理学家相信的宇宙暴涨停止转化的过程。但是混合的超流氦则会以完全平滑、均匀的方式来改变它们的属性。斯坦哈特说,把这一现象应用到宇宙学,超流相变就能使得整个宇宙从暴涨缓缓地“滚落”到目前的状态。

  从此,超流氦成为了这些模拟实验的首选材料。尤其是氦的同位素氦-3(具有2个质子和1个中子),它具有极为不同寻常的特性,使得它成为了绝好的宇宙代言人。

  除了奇特的相变之外,氦-3还会发生“对称性破缺”的现象。通常情况下,流体中原子对的自旋和轨道角动量的指向是随机排列的。但是随着温度的降低,氦原子们会一下子指向同一个方向。这个过程有点类似铁屑会沿着磁场分布,但是氦原子的自发排列制造的却是混乱。物理学家们相信宇宙早期的对称性破缺产生出了除了引力之外的其他力。

  芬兰赫尔辛基技术大学理论凝聚态物理学家格里沙・沃洛维克(Grisha Volovik)说,把这些都放到一起,氦-3的对称性破缺和相变赋予了量子流体以重要的宇宙学特性。他说:“所有的成分都一应俱全。”

  那么这些相似性在多大程度上是可信赖的呢?而且如果要是宇宙学理论自身被证明是错误的呢?在斯坦哈特完善暴涨理论的同时,英国伦敦帝国大学的理论物理学家汤姆・基伯(Tom Kibble)提出了另一个模型。基伯认为,早期宇宙由于膨胀而冷却会形成大质量的结构性缺陷――被称为宇宙弦――它们是今天我们所看到大尺度结构的种子。

瓶中的宇宙   基伯的理论和氦-3符合得很好。氦-3的快速冷却会导致“量子涡旋”的产生,这与他的理论一致。但是他说,不幸的是,他关于星系结构的宇宙弦理论无法解释大爆炸之后所残留的宇宙背景辐射的天文观测结果。在20世纪90年代早期用于研究宇宙背景辐射的卫星发回观测结果之后,基伯说:“很显然,暴涨对观测的预言非常精准,而宇宙弦的预言则完全错了。”

  换句话说,实验室模型验证了理论家的方程式,但是绝对没有办法告诉我们这些方程式在宇宙学中是不是适用。

  这一早期的失败使得许多实验和理论物理学家对实验室里的早期宇宙模型疑窦重生。“坦率地讲,”美国麻省理工学院凝聚态物理学家、诺贝尔奖得主沃尔夫冈・凯特勒(Wolfgang Ketterle)说,“我不认为未来的实验室实验能回答宇宙学的基本问题。”

检验弦理论

  这些关注并没有阻止英国兰开斯特大学的理查德・哈雷(Richard Haley)把与基本物理理论中最难赴诸实验的弦理论有相似性的实验进行下去。弦理论之所以饱受争议就是因为在其发展的20多年中几乎就没有可供佐证的实验或者天文观测,难怪一些批评家认为弦理论更像是一个数学分支而不是物理。

  一些弦理论认为,我们的宇宙是一张悬吊在高维空间中的三维膜,就好像是处于三维空间中的一片二维纸张。在这些模型中,弦理论提出我们身处的膜与其他膜的碰撞终止了暴涨过程。如果真是如此,那么膜理论便解释了暴涨为什么在那一时刻停止,这一在斯坦哈特早期工作中没有回答的问题。

  为了在实验中制造出两个碰撞的膜,哈雷把两种处于不同相的氦-3放到了一起。他的小组使用磁场做出了一个氦-3“三明治”,其中A相的超流氦位于中间而B相的氦位于两侧。然后他们通过降低磁场强度来使得两层B相的氦碰撞。哈雷说,从数学上讲它和宇宙膜十分相似。

  在哈雷的实验中,两层碰撞的氦并没有缓缓地合并成一层均匀的B相氦,相反地留下了结构性缺陷,其中绝大多数是与基伯预言相似的量子涡旋。如果这些涡旋在宇宙中有与之相似的对应物的话,它们就应该是可探测的宇宙弦。与基伯原始的想法不同,这些弦占宇宙质量的比例要小很多,但是通过使用地面和空间观测引力波的干涉仪应该可以探测到它们的存在。同时,哈雷说他和他的小组正在试图了解碰撞产生的不同种类的涡旋的性质。

检测不可测的事物

  当然,宇宙学家们在解释这些实验室的结果的时候需要格外谨慎。斯坦哈特注意到,弦理论中的膜是平直的而且会相互吸引,但是实验室中的氦-3“膜”却是卷曲的而且彼此之间不具有吸引力。这个模型还远没有达到完美的地步。但是美国卡弗利理论物理研究所的弦理论学家乔・坡钦斯基(Joe Polchinski)说,在弦理论这样一个极端数学化的领域,任何一个能产生可检验预言的实验都会具有重大的影响。“你永远不会知道你会发现什么,”他说。

  从实验者的角度来看,即使是不成功的相似性在其他领域也能找到新的用途。按照芬兰赫尔辛基技术大学的马蒂・克鲁修斯(Matti Krusius)的说法,由基伯及其同事美国拉斯・阿拉莫斯国家实验室的量子物理学家沃奇克・祖瑞克(Wojciech Zurek)首次预言的量子涡旋已经在其他实验中用于追踪氦-3的运动。“这是一种很漂亮的现象,”他说,“我们用它来研究湍流。”

  德国德雷斯登技术大学的量子物理学家拉尔夫・舒茨霍德(Ralf Schützhold)说,宇宙学和凝聚态物理之间的交叉对双方而言具有普遍而长远的好处。由于自大爆炸之后宇宙一直在膨胀,宇宙学家们手中用于描述这一膨胀的方程也能很好的用来描述那些不断变化的系统。这使得它们特别适合用来研究相变和其他过程。“根据来自宇宙学的这些方程,我们可以很好地用它们来描述一些凝聚态物理中的现象,”他说。

  舒茨霍德和他的小组正在致力于另一个不同的宇宙学相似物的研究,它将有助于解释宇宙中物质和能量的起源。在通常的环境下,原子会不停地运动。但是当单个原子被冷却到绝对零度附近时,它真实的运动就会转化成“虚”的量子涨落,这会暂时改变小范围空间内的能量。根据暴涨,宇宙学家们相信宇宙经历了正好相反的过程,真空中的虚量子涨落转变成了实实在在的物质和能量。舒茨霍德说,针对单个原子的实验可以告诉我们热噪音和其他真实世界的效应是如何改变量子涨落的。

量子振动

  控制单个原子并不是一件轻而易举的事,但是舒茨霍德的合作者、德国马普量子光学研究所的图比亚斯・沙兹(Tobias Schatz)说,他有理由相信他们能成功。他说,即使我们最终失败了,这一计划也会对他在量子计算领域的工作颇有帮助。“不管怎样我们都会在这条路上走下去,”沙兹说。

  为了在实验中实现单个原子的量子振动,需要完美地控制用来冷却原子的激光系统。“这真的需要要把目前所能达到的技术推向极至,”凯特勒说。他说,把自己的职业生涯建筑在这些“相似性”上无异于“科学上的自杀”,特别是那些和实际宇宙相联系的实验。

  根据昂鲁提出的模拟黑洞的实验境况不佳。使用氦-3制造一个瀑布的努力终因流体中的湍流而宣告失败。目前正在尝试一些其他的手段。一些小组正在使用玻色-爱因斯坦凝聚,它的流速较氦-3更小。另一些所采用的技术则是在特殊的光缆中输入一系列的光脉冲。

  不管怎么样,最终需要一个实验能具有类似黑洞的量子行为。它可以使得我们观测到霍金辐射――一种理论上预言的在黑洞视界周围所产生的量子力学辐射效应。一旦实验成功,它的报偿也是丰厚的。在这样的系统中观测到的霍金辐射有助于告诉我们黑洞是否以及是如何“蒸发”的。

  因此尽管为此等待了近20年,昂鲁的热情依然不减当年。“这是一个漂亮的想法,如果它能实现的话就更好了,”他说,“每次实验家们呈现在我面前的结果都能让我惊叹不已。”

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