宇宙中有些时间和地点是实验无法“触及”的，可能永远也无法触及。黑洞内部究竟发生了什么，在大爆炸后的前几分之一秒内发生了什么，都是纯理论推测的问题。

20年来，英国诺丁汉大学的物理学家西尔克·魏因富特纳（Silke Weinfurtner）一直在设计“模拟引力”实验，模拟黑洞和早期宇宙等系统的流体。例如，她在流体中探测到类似霍金辐射的声波——黑洞发出的微小热量对宇宙中信息的变化有着深远的影响。她研究的另一种流体效应模拟了宇宙结构的种子是如何在大爆炸后的最初时刻播下的。

魏因富特纳通过研究地球上的流体，来窥视宇宙中最极端和最遥远现象的物理真相。对于魏因富特纳来说，在某些条件下，它们之间惊人的数学相似性是值得研究的。她最近对我说，

物理学的原理令人惊叹，这似乎是大自然在我们真正困难的时候给我们的一根骨头。

实验无法触及的“硬物理”包括量子引力的性质。在爱因斯坦的广义相对论中，当物质弯曲时空结构时，引力就产生了。但物理学家寻求的是更基本的量子引力理论，这是爱因斯坦理论的基础；正是这种量子引力理论控制了大爆炸和黑洞这样的极端现象。而向这一完整理论迈进的一种方法是研究时空结构中的量子涨落。量子场论将粒子描述为场中的激发，就像池塘里的涟漪。然后，这些波动在弯曲的时空背景上分层。魏因富特纳说，

许多新的很酷的物理学出现了。

令人惊讶的是，类似的物理出现在更熟悉的物理系统中。

你如何让一桶液体表现得像早期宇宙？

假设这个方形咖啡桌是超流氦气罐。我可以创造一个在桌面上传播的表面波。如果我让波速越来越小，使它趋近于零，波就永远不会到达边界。对于这个波，这张桌子看起来无穷大。这就像宇宙膨胀，理论家认为宇宙诞生后不久就发生了空间的快速膨胀。在膨胀过程中，邻近的粒子看起来会以比光速还快的速度远离彼此，因此宇宙看起来无限大。

当水在水槽底部的排水管中旋转时，就会形成类似黑洞的流体。绿色的激光反射在水面上。

最近，你模拟了能量如何从驱动宇宙膨胀的量子场扩散到早期宇宙中的物质粒子，这是如何工作的呢？

在膨胀期间，你会在充满时空的量子场中得到波动，这些波动随着宇宙的膨胀而拉伸。它们被印在时空背景上，成为我们宇宙大尺度结构的种子。然后，在膨胀之后，这些“冻结模式”需要解冻，以便粒子可以重新开始相互作用。为此，宇宙学家使用了一种称为预热的机制，它将这些快速膨胀但从未真正相互作用的场创造出一个开始相互作用的环境。

你可以在液体中重现这个过程。轻拍或摇动液体表面，就能产生一定频率的波。如果这个波不是很高，那么这个波就不会与其他不同频率的波相互作用——你可以在浴缸里试试这个。但如果振幅变大，不同的频率就会相互作用。

在数学中，波动方程中有这样的部分——“每个波都只关心自己的事情”。然后还有非常非常多的额外项告诉我们每个频率如何与另一个频率相互作用。原则上，几乎有无限多的项可以考虑，所以我们必须选择一些项来关注，否则你解不出这个方程。我们假设系统中没有耗散，场之间是弱相互作用等等。

在我们的实验中，我们测试了这些近似是否合理。我们的系统内置了所有的交互项。事实上，我们发现所有宇宙学家使用的近似都延续了下来。所以这些假设是可靠的；它们在系统中经受得住检查。

通过研究一个大水槽里的流体运动，你就能知道早期宇宙或黑洞中发生了什么，这仍然令人惊讶。是什么支撑了这一切？

描述浴缸中物理现象的数学方程也描述了黑洞周围或早期宇宙的物理现象。人们不能说这些是相同的系统。流体系统是一个相当复杂的物理系统，它们的数学也相当复杂——用纳维-斯托克斯方程来描述。但有了某些可以在实验中复制的假设，你就可以大大降低这种复杂性，你可以得到一个方程，这个方程可以映射出量子或经典场在黑洞周围或早期宇宙中是如何传播的。我找到了同样的方程，一个很好的近似。这都是建立在数学类比上的。

我的意思是，如果方程相同，物理原理也应该相同。我想要理解这一数学。我不在乎它是在黑洞中还是在其他系统中。在一个特定的系统之外，还有一个更深层的真相。这就是我们想要的。

这是建立在普遍性的基础上的，在系统的微观细节之上存在着共同的行为。

我对探究这些流体系统的微观物理不感兴趣，我感兴趣的是宏观的涌现行为。为什么两个截然不同的系统——弯曲时空的场论以及流体和超流体中的激发——的宏观行为是一样的？我不知道。物理学有一个显著的特点，那就是它会自我重复。

所以也许我们不应该放弃。我们可以从这些更容易使用的系统中获得经验，并积累专业知识，以超越这一点。

放弃什么？

弯曲时空中的量子场观测。例如，来自黑洞的霍金辐射仍然是一个理论研究领域，人们对计算越来越有信心——在将整个领域置于更严格的数学公式上已经取得了进展。但它仍然无法检测到。所以它被放在一个标有"理论"的抽屉里。可能正确的。

但你想打开那个抽屉？

在我看来，这仍然是一个悬而未决的问题。由于缺乏实验反馈，我们不能很好地理解弯曲时空中的量子场论。我们有的教科书都是纯理论。只有通过实验，我们才能达到更深的层次。

当我们在弯曲时空中求解量子场方程时，当我们进行近似时，往往会有信念上的飞跃。这是一种内在的模糊性。例如，在准备量子场时，选择哪个初始态是一个很大的问题。而模拟实验可以填补这一空白。我们可以对许多近似进行测试。

是希望这将导致直接实验，还是类似物可以取代它们？

我们不知道如何测量黑洞的霍金辐射。模拟实验正在研究类似的效应，并开发出一种如何提取它们、测量它们、验证它们的协议。我们正在将这些效应嵌入到物理现实中，添加所有可能导致检测的额外层。

我的问题是：这些类似物如何反馈到理论方面？这是否会为实验注入一种新的思考方式，以便在5年、10年或50年后，我们实际上可以直接在实验中看到其中的一些影响（比如霍金辐射）？让我们把从这些美妙的理论结果中学到的所有东西，都放到这些高科技的直接实验中。因此，类似物是将实验置于量子场和引力中心的正确方向上的重要垫脚石。

除了测试这些理论中使用的近似之外，是否有可能使用模拟实验来做更多的事情？

你也可以寻找新的物理效应。现在我们有了这个复杂的模拟系统，然后你可能会问，我在我的模拟系统中看到了这些额外的效果，它是否也存在于模拟物之外？

你的梦想是，你用实验来“计算”一些东西——在我们的类似物中模拟超出你分析计算的效果。但是，你能在多大程度上相信这个模拟器的结果也适用于与之类似的目标系统呢？我不知道答案，但这是一个让我夜不能寐的问题。

这似乎是一种非常不同的接近物理学的方式，甚至是一种新的知识获取方式——超越了直接实验、纸笔理论和计算机模拟。

在物理学中，我们通常选择一个特定的系统，并寻找该系统中的所有物理过程。在模拟引力中，这是不同的——你感兴趣的是看到霍金辐射从其他系统中出现。介质是灵活的。这有点像艺术。如果你是一个艺术家，你可以选择画画，成为一个雕塑家，或做一个视频装置。你选择媒介，无论如何你都要实现你脑海中的想法。这种自由让我的一些同事感到不安。

我相信实验物理学就是像艺术家一样，把抽象的想法变成现实。但是我的系统不是固定的。这也使得它易于使用，因为我们使用的系统有时很普通。这让每个人都能沉浸其中。我们刚刚在黑洞实验室旁边建了一个艺术实验室，让艺术家和好奇的人与我们合作。我们的目标是创建一个包容性的研究社区，向通常在外面的人敞开大门。

来源：quantamagazine