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人造黑洞产生霍金辐射
来源:     作者:      2016-10-08 16:55       

任何东西,即便是光,也不能逃脱黑洞表面。图片来源:NASA and G. Bacon(STScI)

黑洞实际上并不是黑色的。相反,这些引力塌陷被认为可以散发辐射,导致其缩小并最终消失。这种现象是黑洞最古怪的一个特征,它是斯蒂芬·霍金在大约40年前预测的,其带来的理论物理问题至今仍震撼该领域。

现在,在7年孤独而漫长的研究之后,海法以色列理工学院实验物理学家Jeff Steinhauer建立了一个人工黑洞,它似乎可以从实验装置产生的量子涨落中自动释放类似的“霍金辐射”。

由于几乎不可能在真实的黑洞中观察霍金辐射,此前的人工黑洞实验并未从自然涨落方面追踪辐射。因此,这项近日发表的研究成果可能是最近距离观察到的霍金辐射。

Steinhauer表示,黑洞模拟物或有助于解开该现象给其他理论造成的困境,如黑洞信息悖论,并且可能用引力理论为结合量子力学指明道路。

其他物理学家也对此印象深刻,但是他们警告称这一结果并不清晰。一些人质疑实验模拟物能够揭示真实黑洞的特征。“这项实验如果站得住脚,其结果将是令人震惊的。”英国诺丁汉大学理论和实验物理学家Silke Weinfurtner说,“它并没有证实霍金辐射存在于天文学上的黑洞周围。”

20世纪70年代中期,剑桥大学一名理论物理学家发现黑洞的视界(即包括光在内的任何事物都不能逃脱的黑洞表面)应该存在物理学上的特有结果。

他的起点是量子理论的随机性排除了真实虚无的存在。即便是太空中最虚无的地方也充满了能量场的波动,导致光子对持续出现,并且它们会立即毁灭对方。但是就像童话中的主角从受他人操控的傀儡转变成一名真正独立的男子那样,如果视界可以在这些“虚拟”的光子湮灭彼此之前将其分开,那么它们也会变为真正的粒子。其中一个光子会掉入视界,另一个则会逃逸到外层空间。

霍金表示,这种现象会导致黑洞产生辐射(虽然辐射量极其微弱),并最终缩小乃至消失,因为掉进去的粒子会形成“负能量”使黑洞衰落。最具争议的是,霍金还提出黑洞的消失会破坏掉进其中的天体的信息,这与普遍接受的宇宙中总信息量静止不变的观点相反。

20世纪80年代初期,加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学物理学家Bill Unruh提出一种验证霍金预测的方式。他设想了一种经过加速运动的媒介,比如水接近瀑布。就像一名游泳者到达一个难以逃脱瀑布的速度极点一样,超过声速的媒介中经过该点的声波也难以逆流而行。Unruh预测,该点就相当于视界,它可以扮演霍金辐射的音速形态。

Steinhauer利用铷原子团验证了Unruh的想法。他将其冷却到比绝对零度略高一点的温度。该原子包含在一个仅数毫米长的雪茄形状的陷阱中,它们会进入一种叫作玻色—爱因斯坦凝聚体(BEC)的状态,声速在其中仅为每秒0.5毫米左右。Steinhauer通过给这些原子加速直到其中一些以每秒1毫米以上的速度(该凝聚体的一种超音速状态)运行,从而建立一个视界。

当其处于极端低温状态时,BEC仅会发生类似于太空真空中量子波动的情况。就像真空会产生光子那样,这一过程会产生叫作声子的音束,Steinhauer说。这些声子对应该彼此分开,其中一个声子位于视界超音速一边,而另一个声子则形成霍金辐射。

正如真正的黑洞并非黑色一样,Steinhauer的声学黑洞也并非完全无声。如果它们的声音能够听得见,那么它们将类似于静电噪声。

“可以确定,这是一篇开创性的研究。”以色列魏茨曼科学研究学院物理学家Ulf Leonhardt说,他曾尝试用不同实验验证这一效应。(晋楠)