微縮火車模型可以模擬真實世界里的火車，而物理學(xué)家正在使用的其他模型，可以模擬小到希格斯粒子，大到宇宙里的黑洞等我們無法真正觸及的東西。圖片來源：《新科學(xué)家》

（文/Sophie Hebden）在這個地球上很多毫不起眼的角落，一間閣樓、一廂客房，或是一個儲藏室里，你都能發(fā)現(xiàn)一套小型的火車玩具。對普通大眾而言，這一套套月臺上站著小人、鐵軌旁還用染成綠色的泡沫樹裝飾起來的模型，雖然有些幼稚，但總是種無害的消遣。但對資深玩家（比如《生活大爆炸》里的謝耳朵）來說，它們可是正經(jīng)事——你不僅可以樂在其中，而且一切細(xì)節(jié)體驗都和真正的鐵路相差無幾。

這種通過制作等比例微縮模型來探索和學(xué)習(xí)的方式，不僅是手工制作的靈魂所在，在物理實驗室中也生生不息，因為很多物理學(xué)家想要探究的事物都在他們企及范圍之外：他們無法自由擺弄高能粒子，也不能游走在黑洞邊緣，更遑論再現(xiàn)宇宙誕生的最初景象。

因此在世界各地的實驗臺上，你都能見識到一些奇怪的戲法。要么用水波來制作黑洞，要么從液氦中造就希格斯粒子，這些就是所謂的“類比（analogues）”——可愛版的物理體系模型。人工打造出來的這些替代品，只要操控得法，就能運行得與本尊一模一樣。它們承載著物理學(xué)家擺脫大型實驗受條件和經(jīng)費困擾的希望，正不斷推進(jìn)著我們對現(xiàn)實世界的理解。

這種觸類旁通研究物理的方法實際上由來已久。從古希臘時代開始，純思辨式的思想實驗就一直被用于探索物理理論會導(dǎo)致什么樣的結(jié)果，或者產(chǎn)生什么樣的矛盾，這種習(xí)慣一直延續(xù)到今天的量子和相對論時代。近些年來，威力強(qiáng)大的計算機(jī)又開辟出一條模擬物理過程的新路，通過運行一行行代碼，來探索各種現(xiàn)象下隱藏的數(shù)學(xué)規(guī)律。

精確復(fù)制

但數(shù)值運算有它的局限。英國愛丁堡赫瑞瓦特大學(xué)的達(dá)妮埃萊·法喬（Daniele Faccio）說：“這些物理系統(tǒng)實際上還有很多未知之處，但在計算代碼中，我們只能包含那些已知的東西。”類比就跟數(shù)值計算不同。由于數(shù)學(xué)是物理現(xiàn)象背后的通用語言，因此很多看上去毫不相干的領(lǐng)域都可以歸結(jié)成同一批方程，只要找到兩個按照同一套規(guī)則運作的物理體系，你就可以用一個來代替另一個，用滿足相同數(shù)學(xué)規(guī)律的那些材料構(gòu)建出你感興趣的現(xiàn)象來。法喬解釋說：“它與原系統(tǒng)肯定不完全相同，但比計算機(jī)模型要有趣的多?！?/p>

就以希格斯玻色子為例。這種粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型缺失的最后一塊拼圖。標(biāo)準(zhǔn)模型解釋了量子粒子之間如何通過自然界中的3種基本作用力進(jìn)行相互作用。按照20世紀(jì)60年代浮現(xiàn)出來的一個想法，真空中實際上彌漫著一種看不見的場，即所謂希格斯場。這些場會不同程度地粘滯在基本粒子周圍，賦予它們不同的質(zhì)量。只要給這個場注入足夠大的能量，去戳它一下，它就會更為真切地顯現(xiàn)出來：我們會看到一個希格斯粒子躍出空無。

最終在2012年，瑞士日內(nèi)瓦附近大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的研究人員向世界宣告發(fā)現(xiàn)了這種粒子。之所以找尋過程曠日持久，是因為盡管我們知道需要很大的能量才能產(chǎn)生希格斯粒子，具體數(shù)值卻無人知曉。最終，只能建造像LHC這樣的龐然大物，從數(shù)十億個高能粒子的對撞碎片中去嗅探它的蛛絲馬跡。

不過，也可能是我們弄巧成拙了。就在上世紀(jì)60年代中期，理論物理學(xué)家剛開始討論希格斯的想法之際，一個類似的點子已經(jīng)在低溫超導(dǎo)研究領(lǐng)域里傳播多時了。在低溫超導(dǎo)體這種奇特的物態(tài)中，兩個電子之間的相互作用，以及它們和周圍的原子晶格之間的相互作用，產(chǎn)生了一種奇妙的默契，最終形成了一種類似粒子的所謂庫珀對（Cooper Pair）。這些庫珀對能在晶格中毫無阻礙地移動，沒有任何電阻。

這個奇跡只有當(dāng)相應(yīng)材料被冷卻到非常接近絕對零度（-273℃）時才會顯現(xiàn)，但它用到的數(shù)學(xué)描述與高能希格斯粒子的數(shù)學(xué)描述幾乎一模一樣。盡管要實現(xiàn)如此之低的溫度也并非易事，但與粒子加速器比起來，那就是小巫見大巫了。因此，對超導(dǎo)體中等價過程的觀測，也許能為真正的希格斯玻色子的產(chǎn)生過程提供關(guān)鍵線索。

人們花了點時間才認(rèn)識到這一切。英國倫敦帝國理工學(xué)院的湯姆·基布爾（Tom Kibble）是1964年提出希格斯機(jī)制的6人之一，但他和同事當(dāng)時都沒預(yù)見到超導(dǎo)理論將要掀起的波瀾。他回憶說：“我們當(dāng)然都知道這種聯(lián)想的存在，但當(dāng)時我們沒能很好地理解它，至少我沒有?！?/p>

到了1981年，人們在超導(dǎo)體中確實觀察到了類似希格斯粒子的身影。類似的故事又再次重演，人們只將這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)作了大餐后贈送的甜點——等到低溫超導(dǎo)理論被完全建立起來，發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的對應(yīng)物被當(dāng)成是對該理論的間接支持，僅此而已。與此同時，在粒子物理學(xué)領(lǐng)域，理論研究者卻在拼命找尋一切實驗證據(jù)，去驗證這個質(zhì)量起源理論。美國伊利諾斯州阿拉貢國家實驗室的彼得·利特爾伍德（Peter Littlewood）就曾參與這些超導(dǎo)實驗的解釋工作。他說：“當(dāng)時我們都沒意識到，希格斯會變得如此重要?！?/p>

最終，真正的希格斯粒子沒有借助任何來自超導(dǎo)的線索就被發(fā)現(xiàn)了。但在法國巴黎第七大學(xué)國家科學(xué)研究中心的瑪麗－奧德·眉菘（Marie-Aude Méasson）看來，就在一切似乎就要塵落定之時，這種類比反倒柳暗花明起來。部分原因在于類似現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)，除了超導(dǎo)體之外，在冷卻至相同量子態(tài)的超冷堿金屬氣體中，在某些類型的磁鐵中，都有某些東西可類比于希格斯粒子?？珙I(lǐng)域的會議和研究項目如雨后春筍一般冒出來，大家都急著交換想法。眉菘說：“隨著這些范例的出現(xiàn)，很多研究者相信，在這些類比和粒子物理之間存在一塊有待開墾的多產(chǎn)地帶?！?/p>

通過“類比”這種研究方法，物理學(xué)家不需要大型強(qiáng)子對撞機(jī)之類的大型科研設(shè)備，就能對希格斯粒子等前沿物理問題提出獨到的見解。圖片來源：《新科學(xué)家》

模擬對稱

希望之一就是，通過低溫類比來揭示高能碰撞中探測希格斯粒子的新方法。但更重要的是，這些類比也許有助于發(fā)現(xiàn)新的物理。人們發(fā)現(xiàn)希格斯粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型所有的預(yù)測都吻合得很好，這其實非常不妙，因為還有很多東西是標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的，比如：看似構(gòu)成了宇宙中絕大部分質(zhì)量的暗物質(zhì)究竟是什么，導(dǎo)致目前宇宙加速膨脹的暗能量又來自何方，為什么宇宙中的物質(zhì)會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過反物質(zhì)。

超對稱（Supersymmetry，SUSY）作為一個理論框架，對上述一些問題的出招更為凌厲，這也讓它成為下一代理論的熱門候選。超對稱的核心預(yù)言之一就是，自然界存在不止一種希格斯粒子。2013年，芬蘭阿爾托大學(xué)的格里戈里·沃洛維克（Grigori Volovik）和莫斯科理論及實驗物理研究所的米什卡·祖布科夫（Mikhail Zubkov）認(rèn)為，他們也許在超流的氦3中發(fā)現(xiàn)了這些額外粒子藏身之處的線索。作為非常稀有的氦同位素，氦3可是研究復(fù)雜量子過程的無價之寶。剛發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子質(zhì)量大約在125 GeV（1 GeV等于10億電子伏特），而對超流氦激發(fā)譜的研究指出，在210 Gev和325 GeV也應(yīng)該存在希格斯粒子。按照祖布科夫介的描述， LHC目前得到的數(shù)據(jù)還未能排除這種可能性，至于結(jié)論現(xiàn)在還太早（參見《物理學(xué)評論D》，第87卷，075016頁）。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的理論物理學(xué)家阿舍汶·維什瓦納特（Ashvin Vishwanath）認(rèn)為，自己可以走得更遠(yuǎn)。超對稱的提出乃是基于下列想法：標(biāo)準(zhǔn)模型中將粒子分為費米子（構(gòu)成物質(zhì)）和玻色子（傳遞相互作用）的混亂分類，可以被一個更為對稱的描述所取代；在這一描述中，每個費米子都有一個玻色子伴隨，同樣每個玻色子也都有一個對應(yīng)的費米子伴隨。維什瓦納特說：“我們曾希望在LHC中看到超對稱的跡象，但未能如愿，這促使我們尋找其它方法來檢驗超對稱?！?/p>

所謂“其它方法”，就是類比。物質(zhì)在“相變點”附近會出現(xiàn)一些奇怪的行為，內(nèi)部原子會重新排列，從而改變物質(zhì)的狀態(tài)。比如說，當(dāng)一塊融化的鐵塊從液態(tài)冷卻到固態(tài)時，鐵塊中電子的自旋會平行排列，讓材料產(chǎn)生磁場。在接近絕對零度時，量子漲落驅(qū)動的相變則會產(chǎn)生另一些奇異的對稱性，例如電子和被稱為聲子（phonon）的聲波波包，在材料中的運動速度會趨于一致，最終變得完全相同。

由于電子是費米子，而聲子是玻色子，維什瓦納特和同事認(rèn)為，這種涌現(xiàn)出來的對稱性也許可以用來研究超對稱產(chǎn)生的機(jī)制，從而有可能在實驗室中對超對稱理論的細(xì)節(jié)進(jìn)行探索。他們目前正在討論哪種類比最適合用來進(jìn)行此類實驗。

基布爾提醒道，就算一切都順風(fēng)順?biāo)?，在類比中有所發(fā)現(xiàn)也并不能保證在真實世界中對應(yīng)物就一定存在。在2000年前后，他曾參與一項名為宇宙實驗（COSLAB）的先驅(qū)計劃，目標(biāo)就是促進(jìn)類比研究，其中就包括基布爾有關(guān)宇宙弦的想法。這些宇宙弦是時空中的缺陷，很多理論預(yù)言在早期宇宙的膨脹和冷卻過程中會留下這種缺陷，但也有很多理論的預(yù)言剛好相反?！八?，”基布爾解釋說，“你要類比的這種東西也許根本就不存在?！?/p>

所謂的磁單極子則是最近的一個例子。在自然界中，任何磁場似乎都同時具有兩個極性，但物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）在上世紀(jì)30年代指出，如果宇宙大爆炸沒有產(chǎn)生可以獨立運動的磁單極子，我們就將面臨一個困境，必須要解釋為什么今天的宇宙中只存在可以自由移動的電荷（即電單極子）。

單極子在今天的類比中已經(jīng)隨處可見，首先是低溫晶體中的自旋玻璃態(tài)，2014年年初又在超冷的銣原子氣中發(fā)現(xiàn)了單極子的對應(yīng)物（參見《自然》雜志，第505卷，657頁）。但是它們是否能在自然條件下獨立存在？作為銣原子實驗的完成者，美國馬薩諸塞州安默斯特學(xué)院的戴維·霍爾（David Hall）對此不置可否。用他的話來說，“我們的實驗無法證實它們存在與否，只是表明狄拉克磁單極結(jié)構(gòu)是能夠在自然界中存在的?！?/p>

物理學(xué)家可以用超導(dǎo)現(xiàn)象來研究希格斯場，也可以在水槽里研究黑洞。圖片來源：《新科學(xué)家》

超越視界

類比真正能夠獨當(dāng)一面，是碰到那些已知在宇宙中存在，但無法直接研究的物體。黑洞就是個很好的例子。這些宇宙怪獸來自愛因斯坦廣義相對論的預(yù)言，它們由大質(zhì)量恒星在死亡時塌縮形成，大多數(shù)大型星系的中心據(jù)信都盤踞著超大質(zhì)量黑洞。它們還是通向物理學(xué)終極桂冠的傳送門，掌握著解釋量子粒子與極端引力相遇之秘的鑰匙，而引力是目前唯一沒有被標(biāo)準(zhǔn)模型的量子規(guī)則馴服的一個基本作用力。

但黑洞是不發(fā)光的，要弄清它的行為絕非易事。英國諾丁漢大學(xué)的西爾克·魏因富特納（Silke Weinfurtner）希望在實驗室中掀起黑洞的面紗，只憑水和激光來模擬黑洞向外發(fā)出的霍金輻射（Hawking radiation）。這種輻射過程是物理學(xué)家史蒂芬·霍金在上世紀(jì)70年代提出的，被認(rèn)為是黑洞事件視界附近量子漲落的結(jié)果。視界是黑洞只進(jìn)不出的邊界，而量子漲落則會在虛空中不斷產(chǎn)生相互糾纏的粒子和反粒子對。正常情況下，這對粒子很快又湮滅。然而在視界附近，如果這對粒子中的一個落入黑洞，另一個距離視界又足夠遠(yuǎn)的話，它們便無緣再見，視界外面的這個粒子就會輻射開去。

實際上，魏因富特納用類比模擬的是一個“白洞”，它不會吞噬萬物，只會將萬物彈開。但是只要讓方程反向演化，所有白洞中的結(jié)論都對黑洞適用。

只需要一個包含光滑障礙物的水槽，并讓水在其中流動，就能夠模擬出這樣一個白洞。魏因富特納的小組在水面上制造出兩個傳播方向相反的漣漪，然后用由激光束構(gòu)成的二維光平面來分析這些水面上的波動在撞擊到障礙物和彈開時的性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，在此過程中水波振幅和頻率的展寬符合黑洞視界周圍霍金輻射的理論預(yù)期（參見arxiv.org/abs/1302.0375）?！斑@是對霍金輻射效應(yīng)明晰而肯定的探測，”魏因富特納說，“實驗結(jié)果的穩(wěn)定性讓我們深感意外?！?/p>

他們的實驗已經(jīng)催生出很多理論工作，研究經(jīng)典物理系統(tǒng)如何能展現(xiàn)霍金輻射的粗糙特征，因為后者是純粹的量子效應(yīng)。另一方面，要想完整地在實驗室中演示霍金輻射，包括兩個粒子間仍會維持糾纏的理論預(yù)測，也需要更復(fù)雜的量子類比。魏因富特納和英國諾丁漢大學(xué)的同事彼得·克魯格（Peter Kruger）一起，正在嘗試用超冷原子來探測這些效應(yīng)。

用激光照射一缸水，就可以演示黑洞的行為。圖片來源：《新科學(xué)家》

潛在威力

而在位于愛丁堡的實驗室里，法喬正在堆滿儀器的實驗臺上搗鼓，用高功率激光束來模擬黑洞視界。先用玻璃塊搭建波導(dǎo)，然后將激光聚焦在波導(dǎo)中很小的一個點上，通過這種方式，法喬能暫時改變該點玻璃的折射率，從而降低后繼激光脈沖在這點的傳播速度，最終阻止所有脈沖進(jìn)入。法喬認(rèn)為，“讓這些類比實驗如此給力的原因在于，在光子或水波看來，它根本分不清自己穿過的是真實黑洞的視界，還是受到奇怪限制的波導(dǎo)。”

盡管他們實驗的初衷是探索物理學(xué)中的奇異問題，但從中同樣能獲得一些實際的回報。用實驗中收獲的技巧，法喬的研究組正在嘗試一種從真空中“擠壓”出糾纏光子對的新方法，這種新近發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象被稱為動態(tài)卡斯米爾效應(yīng)（dynamical Casimir effect）。便宜而容易獲得的糾纏光子將惠澤超安全量子通信技術(shù)。雖然現(xiàn)在糾纏光子已經(jīng)用于交換信息，但產(chǎn)生它們還需要大型光學(xué)設(shè)備。

對法喬來說，探索和利用這類新現(xiàn)象，是類比的另一個引人入勝之處。它們可以超越火車模型那種僅僅對已知世界的模擬，真正的價值在于可以讓我們置身無法到達(dá)的奇境，告訴我們哪些想法是正確的，哪些效應(yīng)會真實發(fā)生。法喬說：“一旦證明它們存在，接下來你就可以問，‘我能拿它來干些什么？’”

于是，跟純粹的模型愛好者相比，你已經(jīng)向前邁進(jìn)一小步了。

編譯自：《新科學(xué)家》，A black hole in a bath: Big physics on a bench-top