撰文：Grace Lindsay（神經科學家）
黑洞是宇宙中最極端的天體，它漆黑得像是暗夜中的叢林，質量是太陽的數十億倍，有著固定整個星系的力量。如此極端的物體需要同樣極端的方法來研究。事實上，科學家竭盡所能地從這些看不見的龐然大物身上捕捉任何可能得到的信號：他們將望遠鏡發射到太空中，去探測那些由黑洞釋放出卻無法穿透大氣層的X射線；將寬達數千米的中微子探測器放置在地中海的海底，去捕捉來自黑洞誕生之時的基本粒子；為了獲得第一個直接觀測黑洞活動的機會，他們斥資超6億美元建造激光干涉引力波天文臺（LIGO）。
但是，如果黑洞的研究可以不需要望遠鏡或數百萬美元的設備，而能以一種更質樸的方式進行呢？如果科學家可以無需在廣袤的宇宙中追逐黑洞，而是能夠在實驗室中創造黑洞，然後近距離地仔細研究它們的行為呢？
這就是模擬黑洞的世界。在這個世界裡，科學家用玻璃、水和氣體雲等毫不起眼的材料，在實驗室和桌面上再現了黑洞的一些神奇的物理學。這是一種將黑洞帶到現實中的方法，為傳統的星系觀測方法提供了重要的補充，甚至還可能因此製造出一些具有黑洞的某些獨特性質的重要材料。
模擬黑洞背後的邏輯很簡單，它始於這樣一個事實，那就是我們對真實的黑洞是如何運作具有一定的瞭解。例如，我們知道描述事件視界的方程，在事件視界上，引力強大到能使任何穿越它的物質都無法返回，哪怕是光；而我們也知道其他一些也同樣遵循這些方程的物理系統，只不過它們更易於處理和測量。所以，如果我們想要測試當光線穿過事件視界時發生了什麼，卻並不想大費周章地去觀測一個光年之外的黑洞，那我們就可以在地球上創造一個遵循同樣物理學定律的流體系統。對於黑洞的各個部分，這個系統都將有自己相應的版本，包括一個能使波在穿過之後就永遠無法返回的界線。對這個系統中所做的所有觀測可以一一映射回與黑洞對應的部分。這樣一來，方程就像是一齣戲的劇本，由黑洞扮演一組角色，模擬系統扮演另一組。
通過模擬來研究黑洞的靈感源自於“一條尖叫的魚”。1972年，物理學家William Unruh想到了一個可用於描述黑洞的故事，故事講的是一條魚墜落在了速度快得離奇的瀑布上。他解釋說，如果瀑布的速度超過音速，那麼就存在一個點，超越了這個點，就永遠無法從瀑布外聽到墜落到瀑布中的魚的尖叫。這是因為，尖叫聲向上傳播的速度無法快過瀑布推動魚下落的速度，就像光線在穿過視界之後就無法逃脫黑洞強大的引力一樣。雖然這個荒謬的故事一開始僅僅是一個比方，但Unruh最終將它充實為一個正經的數學論證，並在1981年的一篇論文中闡述瞭如何將這樣的“音波”黑洞或“失聰”黑洞從數學上映射到真實的黑洞上。從此誕生了模擬黑洞這一領域。
究竟黑洞的哪些性質可以用這些模擬黑洞來探索呢？霍金輻射（一種猜想的黑洞蒸發方式）一直是研究的主要焦點，一方面是因為霍金輻射存在與否還具有不確定性，另一方面則是因為如果它真的存在，將會帶來重大的影響。1974年，霍金將
廣義相對論和量子力學這兩個基本不相容的理論中的一些觀點結合了起來，證明了黑洞事實上可能會釋放出粒子，這會導致黑洞隨著時間的推移收縮甚至消失。因此，觀測黑洞中的霍金輻射痕跡，將非常有助於把兩種對立的基本物理學理論結合起來。但要試圖“實地”測量這種效應存在一個關鍵問題：霍金輻射非常微弱，它的任何痕跡都會被滲透在整個宇宙中的宇宙微波背景輻射完全抹去。探測這樣一個微弱卻重要的信號的困難之處，恰恰是大多數科學領域使用模型的動力所在。例如，在生物學中，要從一堆數據中識別出一個基因的功能也是頗為困難的，因為生活方式差異等因素會干擾這些數據。所以生物學家轉向高度受控的實驗室環境，在那裡，遺傳修飾是已知的，而且它們的影響也可以被精確地測量。同樣，出於對控制和精確度的追求，也使得天體物理學家從望遠鏡轉向了實驗室。
向實驗室的遷移或許已經收穫成效。經過多年的努力，實驗物理學家Jeff Steinhauer在2016年發表了一個微型版本的Unruh瀑布的結果。Steinhauer在一個小瓶子中裝入了一團非常冷的銣原子。這些原子進入了一種特殊的物質狀態，聲速在這種狀態下會極大地降低，使得超音速在這個系統中很容易產生。Steinhauer觀測到，在這個系統的事件視界的任何一側，成對的“聲子”會糾纏在一起。這類似於人們所說的構成了黑洞中的霍金輻射基礎的光子對。因此，從某種意義上說，Steinhauer的實驗是對霍金輻射量子效應的第一次觀測。
模擬黑洞使用過許多不同的的材料，也探索過許多不同的奧秘。例如，為了探測光在穿過因極端引力而產生的彎曲時空時會發生什麼，聖安德魯斯大學的物理學家發明了響應式光纖，它可以複製預期到的光的減速。這個系統也為搜尋霍金輻射的痕跡提供了另一個陣地。
不同類型的黑洞有不同的性質。例如根據預測，那些旋轉的黑洞會對靠近它們的波的能量產生積極影響。現在，這種效應已經在諾丁漢大學的一個簡易浴缸裝置中得到了證實，在這個裝置中，靠近但又逃離了排水孔的水波會出現振幅的增加。
另一種在實驗室中創造黑洞的方法，側重於製造出可以儘可能吸收更多的光的複合材料。這些“超材料”可以為光在極端環境下會有怎樣的行為這些基本問題提供解答。不僅如此，這些材料的影響或許能企及遠遠超出黑洞科學之外的領域。這種彎曲光線的設備可能有助於製造出“隱形斗篷”或者是效率極高的太陽能電池，這表明即使是最古怪的科學研究也能影響日常生活。
模擬系統是一種非常寶貴的手段，它能幫助我們瞭解那些通常遠超我們能力範圍的現象。但作為類比，它們也有侷限性，我們必須小心不要將這種類比延伸得太遠。正如醫學科學家不能假設對動物有效的治療方法對人類也有效一樣，當物理學家在將從模擬黑洞得出的發現與自然存在的黑洞聯繫起來在一起時，也必須保持謹慎。事實上，無論是對科學家還是哲學家來說，在聲波黑洞中觀測到的與霍金輻射類似的效應，是否與真實黑洞中發生的事情有任何聯繫，都是一個懸而未決的問題。它們在數學上的相似性為我們帶來了希望，希望這些模型可以為研究普遍真實的事物提供一條道路，儘管每個模型都有自己獨特的特徵和侷限。根據科學哲學家
Radin Dardashti的觀點，研究各種各樣的模擬系統可能實際上會是一件好事，因為在多種不同的模擬中發現霍金輻射的證據，應該可以加固人們相信在黑洞中也存在霍金輻射的理由。無論是太空中的X射線望遠鏡還是水下的粒子探測器，都是工程界的偉大壯舉，它們對宇宙的大問題提供了無與倫比的洞察，它們在黑洞研究中的作用也是毋庸置疑的。但對於科學的工具箱來說，多樣性是其中的關鍵。模擬系統提供了一種在實驗室製造黑洞的方法，從而為探索、測試和觀測天空中的一種最為神秘的天體提供了全新的環境。
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