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    人造黑洞產生霍金輻射
    來源:???? 作者: ???? 2016-10-08 16:55???????

    任何東西,即便是光,也不能逃脫黑洞表面。圖片來源:NASA and G. Bacon(STScI)

    黑洞實際上并不是黑色的。相反,這些引力塌陷被認為可以散發輻射,導致其縮小并最終消失。這種現象是黑洞最古怪的一個特征,它是斯蒂芬·霍金在大約40年前預測的,其帶來的理論物理問題至今仍震撼該領域。

    現在,在7年孤獨而漫長的研究之后,海法以色列理工學院實驗物理學家Jeff Steinhauer建立了一個人工黑洞,它似乎可以從實驗裝置產生的量子漲落中自動釋放類似的“霍金輻射”。

    由于幾乎不可能在真實的黑洞中觀察霍金輻射,此前的人工黑洞實驗并未從自然漲落方面追蹤輻射。因此,這項近日發表的研究成果可能是最近距離觀察到的霍金輻射。

    Steinhauer表示,黑洞模擬物或有助于解開該現象給其他理論造成的困境,如黑洞信息悖論,并且可能用引力理論為結合量子力學指明道路。

    其他物理學家也對此印象深刻,但是他們警告稱這一結果并不清晰。一些人質疑實驗模擬物能夠揭示真實黑洞的特征。“這項實驗如果站得住腳,其結果將是令人震驚的。”英國諾丁漢大學理論和實驗物理學家Silke Weinfurtner說,“它并沒有證實霍金輻射存在于天文學上的黑洞周圍。”

    20世紀70年代中期,劍橋大學一名理論物理學家發現黑洞的視界(即包括光在內的任何事物都不能逃脫的黑洞表面)應該存在物理學上的特有結果。

    他的起點是量子理論的隨機性排除了真實虛無的存在。即便是太空中最虛無的地方也充滿了能量場的波動,導致光子對持續出現,并且它們會立即毀滅對方。但是就像童話中的主角從受他人操控的傀儡轉變成一名真正獨立的男子那樣,如果視界可以在這些“虛擬”的光子湮滅彼此之前將其分開,那么它們也會變為真正的粒子。其中一個光子會掉入視界,另一個則會逃逸到外層空間。

    霍金表示,這種現象會導致黑洞產生輻射(雖然輻射量極其微弱),并最終縮小乃至消失,因為掉進去的粒子會形成“負能量”使黑洞衰落。最具爭議的是,霍金還提出黑洞的消失會破壞掉進其中的天體的信息,這與普遍接受的宇宙中總信息量靜止不變的觀點相反。

    20世紀80年代初期,加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學物理學家Bill Unruh提出一種驗證霍金預測的方式。他設想了一種經過加速運動的媒介,比如水接近瀑布。就像一名游泳者到達一個難以逃脫瀑布的速度極點一樣,超過聲速的媒介中經過該點的聲波也難以逆流而行。Unruh預測,該點就相當于視界,它可以扮演霍金輻射的音速形態。

    Steinhauer利用銣原子團驗證了Unruh的想法。他將其冷卻到比絕對零度略高一點的溫度。該原子包含在一個僅數毫米長的雪茄形狀的陷阱中,它們會進入一種叫作玻色—愛因斯坦凝聚體(BEC)的狀態,聲速在其中僅為每秒0.5毫米左右。Steinhauer通過給這些原子加速直到其中一些以每秒1毫米以上的速度(該凝聚體的一種超音速狀態)運行,從而建立一個視界。

    當其處于極端低溫狀態時,BEC僅會發生類似于太空真空中量子波動的情況。就像真空會產生光子那樣,這一過程會產生叫作聲子的音束,Steinhauer說。這些聲子對應該彼此分開,其中一個聲子位于視界超音速一邊,而另一個聲子則形成霍金輻射。

    正如真正的黑洞并非黑色一樣,Steinhauer的聲學黑洞也并非完全無聲。如果它們的聲音能夠聽得見,那么它們將類似于靜電噪聲。

    “可以確定,這是一篇開創性的研究。”以色列魏茨曼科學研究學院物理學家Ulf Leonhardt說,他曾嘗試用不同實驗驗證這一效應。(晉楠)


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