《科学》：模拟“白洞”验证霍金预言

　　物理学家无法穿梭进入黑洞内部来看个究竟，不过，他们没有放弃往这个方向努力。在3月7日《科学》杂志的一篇论文中，英国科学家利用光纤和激光，在实验室模拟与黑洞类似的“白洞”（White Hole）上迈出了重要的一步。这一令人振奋的成果有望在不久的将来，为科学家通过模拟研究检测霍金对黑洞特性的预言——霍金辐射（Hawking radiation）奠定基础。

　　人们知道，质量和引力巨大的黑洞有一个名为视界（event horizon）的边界，任何物质即使是光线进入视界后也无法再逃脱出来。不过，著名理论物理学家史蒂芬·霍金考虑到量子力学，在1975年预言，黑洞并非绝对的没有任何辐射，粒子对可以一个在内一个在外凌驾于视界之上。不过，由于这种“霍金辐射”十分昏暗，连宇宙微波背景都远不能将其显示出来，因此也一直没有得到确证。

　　而所谓的白洞也是广义相对论预言的一种扭曲时空的天体，也有与黑洞类似的封闭边界。不过，与黑洞不断被发现形成对比的是，到目前为止还没有任何证据表明白洞的存在，这或许是由白洞的不稳定造成的。

　　白洞与黑洞性质上的显著差异从名字也能略知一二。相比吞噬一切的黑洞，白洞好像一个不断向外喷射物质和能量的“喷泉”，其内部物质和各种辐射只能经由边界向外部运动，而外部的物质和辐射却不能落入白洞里来。即使是光线想笔直冲入白洞，也只会在视界上停止下来。可以这样认为，假如黑洞是由于太深而没有东西能逃脱出来，那么白洞就是由于太高太陡而无法让任何物体攀登上去。

　　实际上，模拟白洞视界从原理上十分简单。加拿大不列颠·哥伦比亚大学的William Unruh和同事曾有一个通俗的比方。想象一条河里的鱼都在以最大速度逆流而上，如果在河流的某一位置，水流速度恰好与鱼的游动速度相同，那么这些鱼将无法再前进，而会聚积在那里。这一位置实际上也就模拟了白洞的视界。

　　在最新研究中，英国圣安德鲁斯大学（University of St. Andrews）大学的Ulf Leonhardt和同事采取了另一种巧妙的实验室方法。他们向一根光纤中发射红外光脉冲，光脉冲的强度本身就能改变光波在光纤中的传播速度。随后，研究人员向光纤中射入波长更长的另一束光，它比之前的光脉冲运动速度稍快。当第二束光线追上并“继承”该脉冲后，它的速度就会逐渐变慢，直到某一位置它的速度正好与初始脉冲相同为止。

　　研究人员表示，光脉冲上的这一位置就是对白洞视界的模拟。而更值得注意的是，聚积在那里的光线其波长会被轻微地压缩，变得稍短一些。显然，这又减慢了光线的传播速度，因此它会开始跟不上光脉冲，二者的距离拉得越来越远。研究人员在实验中成功探测到了上述的波长变化，并发现了光线堆积在“视界”上的证据。

　　芬兰赫尔辛基理工大学（Helsinki University of Technology）的物理学家Grigori Volovik表示，虽然此前的模拟研究也产生过一些黑洞和白洞模型，但“最新的研究诞生了首个与霍金辐射多少有关的模型。这是一个突破”。

　　Leonhardt表示，下一个目标就是验证霍金辐射。他认为，模拟白洞的模型也应该有类似的辐射。类似于扭曲的时空，在光纤中具有宽泛速度变化范围的光线也能在真空中诞生出粒子对。因此该光脉冲会发出微弱的但可用紫外线探测到的辐射。

　　Unruh表示，观测到这一闪光是问题的关键，毕竟霍金辐射还没有得到证实。如果物理学家真的在黑洞或白洞类似模型中发现了确凿证据，“那么人们对霍金辐射的信任度就会高得多得多。”

　　Volovik也半开玩笑道，“如果他们真的看到了霍金辐射，那么我想霍金终将得到他的诺贝尔奖。”图片说明：最新研究用光线和光纤模拟了黑洞的同类——白洞。（图片来源：GETTY）

　　物理学家无法穿梭进入黑洞内部来看个究竟，不过，他们没有放弃往这个方向努力。在3月7日《科学》杂志的一篇论文中，英国科学家利用光纤和激光，在实验室模拟与黑洞类似的“白洞”（White Hole）上迈出了重要的一步。这一令人振奋的成果有望在不久的将来，为科学家通过模拟研究检测霍金对黑洞特性的预言——霍金辐射（Hawking radiation）奠定基础。

　　人们知道，质量和引力巨大的黑洞有一个名为视界（event horizon）的边界，任何物质即使是光线进入视界后也无法再逃脱出来。不过，著名理论物理学家史蒂芬·霍金考虑到量子力学，在1975年预言，黑洞并非绝对的没有任何辐射，粒子对可以一个在内一个在外凌驾于视界之上。不过，由于这种“霍金辐射”十分昏暗，连宇宙微波背景都远不能将其显示出来，因此也一直没有得到确证。

　　而所谓的白洞也是广义相对论预言的一种扭曲时空的天体，也有与黑洞类似的封闭边界。不过，与黑洞不断被发现形成对比的是，到目前为止还没有任何证据表明白洞的存在，这或许是由白洞的不稳定造成的。

　　白洞与黑洞性质上的显著差异从名字也能略知一二。相比吞噬一切的黑洞，白洞好像一个不断向外喷射物质和能量的“喷泉”，其内部物质和各种辐射只能经由边界向外部运动，而外部的物质和辐射却不能落入白洞里来。即使是光线想笔直冲入白洞，也只会在视界上停止下来。可以这样认为，假如黑洞是由于太深而没有东西能逃脱出来，那么白洞就是由于太高太陡而无法让任何物体攀登上去。


图片说明：水流恰好阻碍逆流而上的鱼，是对视界的一个模拟。（图片来源：PETER HOEY）

　　实际上，模拟白洞视界从原理上十分简单。加拿大不列颠·哥伦比亚大学的William Unruh和同事曾有一个通俗的比方。想象一条河里的鱼都在以最大速度逆流而上，如果在河流的某一位置，水流速度恰好与鱼的游动速度相同，那么这些鱼将无法再前进，而会聚积在那里。这一位置实际上也就模拟了白洞的视界。

　　在最新研究中，英国圣安德鲁斯大学（University of St. Andrews）大学的Ulf Leonhardt和同事采取了另一种巧妙的实验室方法。他们向一根光纤中发射红外光脉冲，光脉冲的强度本身就能改变光波在光纤中的传播速度。随后，研究人员向光纤中射入波长更长的另一束光，它比之前的光脉冲运动速度稍快。当第二束光线追上并“继承”该脉冲后，它的速度就会逐渐变慢，直到某一位置它的速度正好与初始脉冲相同为止。

　　研究人员表示，光脉冲上的这一位置就是对白洞视界的模拟。而更值得注意的是，聚积在那里的光线其波长会被轻微地压缩，变得稍短一些。显然，这又减慢了光线的传播速度，因此它会开始跟不上光脉冲，二者的距离拉得越来越远。研究人员在实验中成功探测到了上述的波长变化，并发现了光线堆积在“视界”上的证据。

　　芬兰赫尔辛基理工大学（Helsinki University of Technology）的物理学家Grigori Volovik表示，虽然此前的模拟研究也产生过一些黑洞和白洞模型，但“最新的研究诞生了首个与霍金辐射多少有关的模型。这是一个突破”。

　　Leonhardt表示，下一个目标就是验证霍金辐射。他认为，模拟白洞的模型也应该有类似的辐射。类似于扭曲的时空，在光纤中具有宽泛速度变化范围的光线也能在真空中诞生出粒子对。因此该光脉冲会发出微弱的但可用紫外线探测到的辐射。

　　Unruh表示，观测到这一闪光是问题的关键，毕竟霍金辐射还没有得到证实。如果物理学家真的在黑洞或白洞类似模型中发现了确凿证据，“那么人们对霍金辐射的信任度就会高得多得多。”

　　Volovik也半开玩笑道，“如果他们真的看到了霍金辐射，那么我想霍金终将得到他的诺贝尔奖。”