引力最大将有什么现象？把浩瀚宇宙缩小到实验
引力最极端影响现已于实验室进行测试
德国科布伦茨市以南，莱茵河有一段超过30英里的长度，宽度极为狭窄，这迫使本就湍急的水流变得异常汹涌。这片水域底部布满暗礁，这里曾是一段极为险峻的航线。许多传说和民间故事都在这里发生。它在瓦格纳的歌剧中扮演着重要的角色。这片水域也是一个黑洞。
如果你的船想在这片水域冲破高速逆流而上，却没有足够动力的引擎，那么狭窄的水面和迅猛的水流就像是事件视界：一旦你穿过它，就再也不会回来了。无论采取什么行动，你都将无法逃脱被水流吸至下游的命运。
引力和变速流体之间的类比，不只是一个简单的比喻，它可以在数学上做到精确化。为了推导引力和流体之间的关系，物理学家没有选择可以自主变速的船，而选择研究波，因为波的速度只取决于流体本身的性质。如果流体的速度超过波的速度，那么波就无法逆行。这就像你登上一架超音速飞机，它引领着另一架飞机，那你是不会听到第二架飞机的引擎噪音。而对黑洞来说，光无法逃离黑洞，声音却可以。
图解：2019年4月10日21时，人类首张黑洞照片面世，该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。爱因斯坦广义相对论被证明在极端条件下仍然成立。
这种类比不仅适用于表面波，而且也适用于流动气体中的声波。如果推动气体通过狭窄通道，从而使气体速度大大提高，直到超过了声速，就会创造一个声视界。由于气体流动太快，所以没有声音能穿过声音视界。
比尔·恩鲁将这种的声音陷阱称为“哑孔”，他在20世纪80年代中期率先提出了流体可以模拟引力的观点。从那时起， “模拟引力”领域开始蓬勃发展。物理学家发现了许多其他的系统，在这些系统中，波就像在强大的引力场中一样传播。他们不仅设计了模拟黑洞的方法，而且还设计了像初期宇宙那样快速膨胀的空间。所有这些发现，现在都可以在实验室里实现，通过观察扰动是如何在流体或者气体中如何传播来完成。
这篇文章展示了希尔克·温弗特纳和诺丁汉大学合作者们的一个实验。
在文章中，你可以看到，水流穿过有障碍物的容器时，障碍物会提高水的速度。研究人员可以测量出波的传播方式，以及波与流速的关联。
图解：表面波速等于水流速度的地方，就相当于“视界”
图片来源：希尔克·温弗特纳等人。
这类系统中的声波，与受重力影响的光，遵循相同的方程式，只要把声速代入光速就可以了。而且如果这类波的近似值有效范围内，它们甚至还遵循狭义相对论的对称性。这样科学家就可以通过实验，测试引力作用下的物质行为，研究平常我们无法观察到的情况。
例如，物理学家想知道宇宙大爆炸时黑洞附近，或者大爆炸发生前后究竟是什么情况。当波也具有量子特性时，就会发生最有趣的事情。这种情况下，粒子，也叫声子，是与波相互关联。然而，为了研究量子行为，流体实验还无法满足其需求。
在模拟引力领域，理论遥遥领先于实验。但是近些年，实验学家已经迎头赶上了，他们现在也已经能够测试量子行为。至于流体引力的类比实验，实验者可以使用低粘度流体的近似值，这就意味着接近零粘度的超流体是测试量子效应的理想系统。对于超流体，物理学家使用数十亿个原子的冷凝物，激光捕获这些原子并使其运动。但这项技术仍具有实验挑战性。直到最近几年，物理学家才能够利用超流体冷凝物，来研究最有趣的模拟引力情况：黑洞蒸发。
图片来源：朱佩/阿拉米
黑洞蒸发是由事件视界周围弯曲时空中物质场的量子效应引起的。流体可以模拟这种时空弯曲，同时，由于数学描述不变，会产生由声子（而不是光子）组成的类似辐射。这种辐射确实在两年前就观测到了，这证实了史蒂芬·霍金1974年的预测，即近视界区域（黑洞视界或声视界）会产生粒子的热分布。
然而，早期实验无法证实霍金辐射中最有趣的一面：视界内外的粒子共享彼此信息。按照霍金的计算，这些粒子是“纠缠的伙伴”，也就是说它们各自的量子数没有明显的价值；相反，它们能以多种方式共享属性。
图解：霍金和霍金辐射
图片来源：乌尔夫·莱昂哈特
纠缠对的典型例子是，两个总自旋为零的粒子向相反的方向运动。向左运动的粒子自旋+1，向右运动的粒子自旋-1，反之亦然。但这是我们所掌握的的唯一信息：单个粒子测量前没有预先设定的自旋值。视界内外的霍金辐射粒子应该就是这样形成纠缠对。
黑洞辐射是否在视界内纠缠已然成为一个紧迫的问题，因为这决定信息落入黑洞后的命运。如果粒子纠缠在一起并保持纠缠状态，其中一个粒子最终必将落入奇点进而被摧毁。这种破坏使其他粒子处于一种模棱两可的状态：信息已被删除。但这种信息擦除在量子力学中是禁止发生的，这就会构成一个巨大的难题：物理学家不知道如何用量子理论协同引力工作。以色列理工学院的杰夫·斯坦豪尔，正在进行一项全新的实验，测量了模拟黑洞中霍金辐射的纠缠度，可以在arxiv网站上查看他的实验结果。
图片来源：版权2014-2015 理工学院物理系杰夫·斯坦豪尔教授
斯坦豪尔教授用电磁场捕获超流体冷凝物，使用激光使其运动以产生流。他没有改变流速，而是改变影响声速的冷凝物密度。结果，一半流体的速度低于声速，另一半流体的速度高于声速，这就产生了声视界。他随后便测量了视界两侧流体波动，研究二者是如何联系起来的。
他的测量证实了霍金辐射由纠缠对组成。然而，斯坦豪尔只能确认高频下的纠缠对，无法确认低频下的纠缠对。目前还不清楚，这一初步结果到底是由于实验的不确定性造成的，还是因为辐射的普遍特性产生的。如果这种理论成立的话，这种关联性的缺乏可能会为信息从视界逃逸打开一扇门，从而可能为黑洞信息悖论提供解决方案。
图片来源：杰夫·斯坦豪尔（2015）
当然，流体对引力的类比有其局限性。虽然流波的行为与其在引力场中的行为相似，但流体本身的行为却并不像引力场。在广义相对论中，时空本身是动态的，它会对其内部运动的粒子作出反应。流体也会对波做出反应，然而它的反应并不相同，至少迄今为止发现的所有情况中都是如此。这就意味着现在我们只能模拟不依赖时间，或者依赖时间的引力系统。
令人感兴趣的是，引力和流体动力学的关系在数学上可以精确化。这似乎暗示着引力本身可能是由多重要素的相互作用产生的。也许时空并不像我们想象的那么虚无。
作者: Starts With A Bang
FY: 小蜜蜂
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