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实验室模拟“声子黑洞”验证霍金辐射,与霍金预测结果一致

2024-11-02 222

宇宙中的黑洞到底会不会发出理论预言的霍金辐射,并逐渐蒸发消失?时至今日,霍金辐射仍未被实际观测到,但来自以色列的科学家现已在实验室中,间接证实了“霍金辐射”的存在。

根据爱因斯坦广义相对论推敲,宇宙中存有一种质量无比巨大的天体──黑洞,它的引力强到连传播速度最快的光子都无法逃离,也因此,广义相对论下的黑洞不会发射任何电磁辐射(都被黑洞吸收掉了)。

但霍金却于 1974 年提出另一理论,当加入量子效应时,某些情况下并非所有物质都会落入黑洞,比如一对相互纠缠的粒子在强烈重力场中被制造出来时,其中一个粒子会坠入黑洞,另一个则会逃离,这些大量逃脱的纠缠粒子也就是自黑洞边缘发散的热辐射,称为霍金辐射(Hawking radiation)。

问题是,这种“热”太过微弱了。目前理论指出,所有已知黑洞的温度都低于宇宙微波背景(CMB)温度,一个质量跟太阳差不多的黑洞其温度只有 60nK,换句话说,如果仅用现有的仪器技术观测,则微弱的霍金辐射永远被掩盖在黑洞吸收的辐射之下。

为了验证霍金辐射真实性,研究人员一直在实验室中制造模拟黑洞,而现在,由以色列理工学院物理学家 Jeff Steinhauer 领导的团队,似乎证实了霍金最著名的预言之一。

和真正黑洞不同的点在于,模拟黑洞吸收的是“声子”而非“光子”,研究人员利用成对的声子来作为真实黑洞中纠缠粒子的替代物。

2009 年时,Jeff Steinhauer 团队就曾用 100,000 个冷却铷原子组成的玻色–爱因斯坦凝态(Bose–Einstein condensate,BEC,注),简单做出一个模拟黑洞,当年 Jeff Steinhauer 推断在模拟系统中,假如真的有纠缠的声子被拆开,那么声波应该会从事件视界中出现,就像霍金辐射从真正的黑洞边缘流出一样──他等到了 2016 年,终于宣布观察到由模拟黑洞发出的纠缠声子。

现在,Jeff Steinhauer 改进了装置灵敏度使其能产生更强讯号,并且这次实验使用 8,000 个铷原子制造玻色–爱因斯坦凝态,再次证明成对声子出现在模拟事件视界,其中一个加速逃逸,另一个则被吸收,并且测量声子可以估算温度,结果正如霍金预测那般。

然而,如果霍金辐射是对的,就表明随着黑洞逐渐蒸发消失,讯息可能会丢失,这违反了量子力学的定义。科学家目前还不知道新研究能否帮助解决黑洞资讯悖论,我们必须尽快提出结合重力和量子力学的全新量子重力理论。

新论文发表在《自然》(Nature)期刊。

注:“玻色–爱因斯坦凝态”为原子在接近绝对零度时,所呈现出一种气态、超流性的物质状态,一些奇异量子物理现象可以在该尺度下观察。
  • Hawking’s Greatest Black Hole Prediction Just Passed a New Test in The Lab
  • In a first, scientists took the temperature of a sonic black hole
  • Thermal spectrum of analogue black hole puts Hawking radiation in a new light
  • Sonic black holes produce “Hawking radiation,” may confirm famous theory
  • Laboratory Black Hole Shows Stephen Hawking Was Right, Obviously

(首图为黑洞示意图,来源:ESA)

延伸阅读:

  • 黑洞内发生什么事?物理学家想用量子纠缠新方法窥知
2019-06-05 21:54:00

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