模拟黑洞
（《新发现》专栏，勿转）
无论对物理学家来说还是对公众，黑洞一直是引人入胜的话题。记得我开始读研究生时，看到一本专业书，上面画了很多黑洞塌缩的图以及霍金蒸发的图，上面画了很多光锥，以及蒸发出来的粒子。
在引力理论中，光锥几乎就是一切。在每一个时空点上，光锥就是光在各个方向走出来的锥面。想象一个只有一度空间的时空，空间和时间组成一个平面，在平面的任一点上，光可以走两个方向，所以光锥就是一个十字，向上的楔形叫未来光锥，因为光顺着楔形走向未来，向下的楔形是过去光锥，光从过去走向楔形顶点。再想象一下，如果有两度空间，加上时间我们有三维的时空图，光锥此时就真的是锥面了。在真实世界里，空间是三维的，时空是四维的，所以光锥其实是三维的。有了光锥的概念，我们就能定义黑洞了，一个黑洞，其实是时空中的一个区域，在这个区域的边界上，所有光锥都指向这个区域，说明光只能进入，不能出来，黑洞的名字就是这么来的。区域的边界叫做视界。
还有一个更加形象的比喻。假想一个水域，其中有一个洞，水流向这个洞，在洞的边上，水流的速度达到一个临界值，这个速度超过水中任何物体所能达到的速度。这样，不论你如何使劲，当你到达这个边界时，你的速度总被水流的速度抵消，你只好无能为力地被吸入洞中。这个洞就是水中的黑洞，而水流速度达到临界的边界很类似黑洞的视界。
很多年前，加拿大物理学家W. G. Unruh就设想了这么一个类似黑洞的东西，他设想了一个流体，其中任何一处水流都有一个速度，在某个区域的边界上，流体的速度达到了流体的声速。此时，任何流体的振动都无法传出这个边界，这样，在外面的人看来，那个区域不能发出任何声音，所以这个区域可以叫做哑洞。哑洞也很类似黑洞，光波被声波取代。哑洞看上去比黑洞容易理解，因为这里只是流体的一个流速分布，没有难以想象的时空弯曲。
黑洞的一个令人惊奇的性质是霍金蒸发，也就是说，黑洞并不黑。霍金证明，量子力学使得黑洞发光，其实黑洞可以辐射任何粒子。量子论使得黑洞的视界看上去像一个带有温度的壳，这个壳可以激发出能量大约等于壳上温度的任何粒子。霍金蒸发也有一个形象的理解，在视界上，产生一个粒子对，向外跑的粒子带有能量，而向黑洞里面跑的粒子带有负能量。当带有正能量的粒子跑出来时，带有负能量的粒子使得黑洞的质量变小，所以整个过程还是满足能量守恒律的。
Unruh在设想哑洞时其实希望将来可以在实验室中实现哑洞并利用它来研究黑洞蒸发，此时，被蒸发出来的粒子叫声子，就是声的的单个量子。每个声子的能量很类似光子，与声速成正比。当声子落入哑洞时，由于哑洞中流体的速度超过声速，声子的能量是负的，而跑出来的那个声子的速度大于流体的速度，能量是正的。这是霍金蒸发的一个形象理解。
Unruh的哑洞的概念是1981年提出来的，直到今年，哑洞才真的在实验室中实现。原因很简单，让流体的速度在某个区域大于声速并不容易。做出这个实验的是以色列海法的一个小组，领头人是J. Steinhauer。他们利用玻色-爱因斯坦凝聚才实现了哑洞。在流体中，玻色-爱因斯坦凝聚是非常特殊的一类，其中所有组分原子都处在同一个状态中，这样的流体叫做量子流体，因为它利用了量子性质。要使得原子都处于同一个量子状态需要两个条件，第一是所有原子的自旋是整数的，第二需要将所有原子冷却从而它们都趋向同一个低能状态。Steinhauer等人的实验的用了铷原子，实验的关键处是让量子流体产生一个速度分布，并且让某个区域的速度大于流体的声速。为了达到这个目的，他们为原子们设计了一个陷阱。这个陷阱很像一个喷嘴。离开喷嘴的地方，陷阱的坡度比较平缓，在喷嘴区域，陷阱的坡度变得很陡。
哑洞是实现了，但似乎还没有关于霍金蒸发的结果，我们期待进一步的实验。霍金蒸发的研究也许能够帮助我们理解黑洞最为神秘的一面，就是弯曲时空中的量子力学甚至引力的量子涨落，这是理论家们困惑了很多年而不得其解的问题。
最近关于隐形电磁斗篷的研究导致可能在实验室实现真正意义上的“黑洞”，我用引号是因为这不是引力中时空的效应，但却是光学意义上的黑洞。隐形电磁斗篷是利用电介质的特殊电磁性质使得一个物体看上去基本不反射也不折射光（广义地说就是电磁波）。既然我们可以在技术上操纵物质的介电性质，我们就可能设计出一个物体，使得这个物体的某个区域的边界上的光速变成零，这个边界就是视界了。美国伯克利国立实验室的Xiang Zhang领导的小组在去年实现了一种人工光学物质，可以将光折回头，技术上说，这种光学物质的折射率是负的！最近，他们用纳米结构的硅实现了隐形电磁斗篷。在此基础上，他们将来可能在实验室研究黑洞以及引力透镜等天体物理学对象，由于是实验室制备的物体，我们无需花很长时间无需投资很多就可以研究这些奇特的引力现象了。
Genov, D., Zhang, S., & Zhang, X. (2009). Mimicking celestial mechanics in metamaterials Nature Physics, 5 (9), 687-692 DOI: 10.1038/nphys1338
2009年9月6日 20:55:12
李老师
关于熵（1）64楼
我很希望能找一位内力深厚的学者做讨论对手。
2009年9月6日 23:30:29
suye：
好的，以后一定找机会。
2009年9月7日 0:37:34
借李老师宝地求教个问题：
“The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.”
这句名言到底是出自爱因斯坦的那篇文章？
2009年9月7日 4:08:39
目前這個磁單極應該說比較考譜，似乎已經有4個小組在自旋冰中找到了磁單極。
2009年9月7日 8:20:09
多云转晴
2009年9月6日 18:06:57
实验首次直接证实磁单极子存在是不是诺贝尔奖级别的大发现？
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应该还够不上诺贝尔奖吧，除非能有巨大的应用价值。这只是模拟的磁单极，并不是粒子物理里面所说的GUT能标上的基本磁单极子。这个发现当然是很有突破性的，不过技术意义大过理论意义。
Motl这盆冷水还是泼得有道理：http://motls.blogspot.com/2009/09/magnetic-monopoles-seen-in-cm-physics.html
2009年9月7日 10:37:30
“这只是模拟的磁单极，并不是粒子物理里面所说的GUT能标上的基本磁单极子。”
哦，不是真实磁单极子的证据，那当然逊色多了。
2009年9月7日 12:58:38
李叔叔：
发现一篇我喜欢的文章，借贵地转载给大家感受一下^__^
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转载：）莫让年华似水流
偶然地想起我的高中同桌来，那位沉默的朋友，自从毕业以后，十几年没有联系了，不知他现在好吗？
懒洋洋地打开网络，在百度上输下了他的名字，连自己都不相信能找到久违的朋友。打开网络，我的那位沉默寡言的同桌呀，他的信息竟然占满了电脑屏幕：某大学文学院历史系副教授，简历上赫然列着他的学习简历、研究方向和取得的成果……尽管我没有见过面，但是我从别的同学那里知道了他，别人纷纷走上工作岗位的时候，他在一直进行着自己的学业，本科、硕士、博士，将学问从头学到了尾，别人在浮躁的社会里沉浮时，他忍耐住了寂寞，在走着别人看似无用的路。他将一个只是中学历史教师的可能变成了大学的副教授，并且将会更加稳定地走下去。
十二年的时间里，我们在干什么？工作，恋爱，结婚，生子，为了生活而生活。为了自己一点芝麻绿豆的前程而患得患失，在纷扰浑沌中迷失自我。热衷于功名利禄，沉醉于酒绿灯红，奔波于南北西东，匆匆之中，一年又一年。转眼之间，我仍然是我，一无所得，两手空空。而沉默的兄弟却在孤寂中获得了丰硕的成果，终于修得正果。他也许没有什么钱，生活也一定过得比我枯躁乏味，学习中失去了生活中的很多乐趣。可正是这份孤独才换来这份成果，更何况这是他孜孜不倦地追求。当我们老到退休时回归到一个人生命的初始，过去的经历只供自己咀嚼时，而人家也许已是大师国宝级的人物。即使什么都不是，把玩着自己的平生著作，那种沉甸甸的感觉，我们永远也不会体会到。
我承认，我们都是凡人，第一件事都是在求得温饱。人们都是平庸中过着自己的生活，现在的日子未必就过得没有意义。而且周围的人都是在这样过着，我只过是在随波逐流，和别人没什么不一样。可是，外面依然充满了诱惑。也许，这只是缘于自己内心深处的梦想。每个人的职业也许和自己的理想差得很远，在努力工作的同时那份潜伏在心底的追求就失去了发酵的机会吗？
蹋实做自己喜欢的事情，在自己的王国里自由生活，是理想与工作的最完美结合。把自己的职业当做谋生的工具，然后做自己喜欢做的事情，去部分地实现理想是退而求其次的追求。在命运面前我们往往是弱者，但是弱者的定位有时也使我们放弃了实现梦想的可能。如果，在不影响自己的生活前提下也不放弃梦想，持之以恒地做一件事情，十几年也将是厚厚的积淀，也未尝不能给自己以安慰。
匆匆之中，时光如水流逝，年华老去，独向谁悲？
文章出自下面这个博客：
http://blog.sina.com.cn/wangfujing1973
2009年9月7日 14:31:59
k:
让我困惑的是关于量子力学中的纠缠态。以两个电子为例，量子力学中的泡利不相容原理使它的自旋波函数只能取固定的几种形式，且对其中一个电子进行测量时会出现所谓的关联塌缩。
既然有关联塌缩现象就有相互作用吧，难道只是电磁相互作用？若是不带电的两个费米子呢？是否有自旋相互作用的势能？
是否有相互作用就会有势能？
看到过有人说引力相互作用在纠缠态中起很大的作用，不知是否如此呢？
2009年9月7日 17:01:37
阿Q，你那个涉及到量子力学的解释，现在还没有定论。
2009年9月7日 17:14:29
好复杂啊，看的我头都晕了
2009年9月7日 17:24:21
我还得去考研究生，当然得对量子力学进行一番细致的分析了，当然试卷上不会涉及这些东西，可保不准复试是会遭到老师的刁难，所以得先进行一些这方面的讨论。当然，我不一定有机会去复试，即使去复试也不一定能考得上。
关于量子力学，似乎还不很令人满意，虽然我会做一些量子力学的试题，我还是不大懂它存在的意义。又想起了冯诺伊曼的话：“年青人，在数学领域里，不要期望着去理解，而要试着去习惯。” 若是理论物理也是如此，我想那时相当令人泄气的。
2009年9月7日 18:37:08
李老师：
不知黑洞信息佯谬还算不算是物理学中的一个难题？算不算物理学中值得专门去钻研的、有重要意义的问题？或者它已经不算是什么问题了？谢谢！
2009年9月7日 18:43:04
近年来，好像比较流行理论物理的模拟研究。例如，Dirac电子的zitterbewegung，尽管传统教材上在谈到它时，顺便提到它不具备可观测性（振荡频率太高，而幅度太小，小于电子的Compton尺度）。但是现在人们通过相对论量子力学效应的模拟研究，在实验上直接观测到它，最近两年在PRL上出了几篇这方面的模拟研究论文。
2009年9月7日 19:19:41
星空：
黑洞信息佯谬算物理中的最大难题之一。 其实黑洞熵的微观解释还是一个难题。
2009年9月7日 23:11:31
谢谢李老师！
2009年9月17日 16:35:15
黑洞就是有,也是老外的.
黑洞没有验证,跟本就不是科学.
黑洞不存在,本来就是错误.
2009年9月23日 23:42:54
李老师您好：
在黑洞里时间应该是有方向的吧，然而在热力学定律却表示时间没有开始和结束，这是否意味着时间没有方向？我只是个本科生，知识体系并不是很丰富，不知这样的提法是否正确？您能解释一下吗？谢谢您！
2009年9月23日 23:52:00
沙加：
提法不正确，建议学好热力学。
2009年9月23日 23:53:51
非常感谢您，我会努力学好热力学的
2009年9月24日 0:02:31
沙加：
:)