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实验室中的“黑洞”,证实了霍金的预测?

2019-06-02

1.

黑洞,是爱因斯坦基于广义相对论作出的最神奇预言之一。任何事物一旦跨过黑洞的事件视界,便再也无法返回,哪怕是光。在1974年,霍金提出了一个颠覆性的观点:黑洞并不是完全黑的而是会释放出热辐射。他认为,微小的粒子流会从每个黑洞的边缘流出,也就是所谓的霍金辐射

量子物理学告诉我们,真空并不是完全空的,而是充满了成对出现的粒子,它们在出现之后会立即相互湮灭。霍金发现,在黑洞事件视界的附近,如果一对粒子被潮汐引力分开,那么其中一个粒子会被黑洞吸收,另一个粒子则会以热辐射的形式被发射到太空中。被吸收的那个粒子具有负能量,会导致黑洞质量的下降。

换句话说,霍金发现的是一个会使黑洞收缩进而消失的量子过程。从天体物理学的角度来看,霍金辐射是一个决定了黑洞命运的过程。与霍金辐射有关的温度,也就是霍金温度,反比于黑洞的质量。对于已观测到的最小黑洞(其质量与太阳相似)而言,这个温度大约是60nK(1nK=10⁻⁹K)。所以说,想要通过天文观测来探测如此微弱的霍金辐射几乎是行不通的。

但是,物理学家们总能想到办法来寻求突破,他们创建了一些可以描绘这种现象的模拟系统。其中一种模拟黑洞事件视界的方法就是使用由超低温原子组成的流体。在这种流体中,部分流体的速度会大于或等于声波在介质中的传播速度。

在这个区域内产生的声波必须跟随流体流动,因为它无法对抗强大的流体流动而逆向传播,就如同皮划艇被困在强大到无法克服的水流中无法前进一样。这样一来,在这个区域的外围边缘便形成了一个类似黑洞事件视界的区域,阻止了声波的逃逸。

2.

在一项新的研究中,物理学家Jeff Steinhauer与同事就在实验室中制造出了一个“声波黑洞”,他们成功地测量了这个声波黑洞辐射出的温度。在一篇发表于《自然》期刊的论文中,他们详细描述了如何从这个声波黑洞中发现类似的辐射迹象的过程。

他们使用的是超低温的铷-87原子,然后将这些铷原子冷却到玻色-爱因斯坦凝聚态,并使其流动。他们用一束激光来限制玻色-爱因斯坦凝聚,再用另一束激光来产生一个向下的势能阶跃(在该区域的势能会急剧下降)

阶跃会以恒定的速度在玻色-爱因斯坦凝聚中运动,反过来看,就等同于玻色-爱因斯坦凝聚在一个将阶跃视作为静止的参照系中以恒定的速度运动。在阶跃上流过的玻色-爱因斯坦凝聚被加速到超音速,从而形成了一个模拟的黑洞事件视界。

新的研究建立在之前的几个实验方法相同的研究之上,在那些实验中,研究人员为了研究霍金辐射也曾采用相同的方法来模拟黑洞事件视界。但物理学家们只从那些研究中证实了霍金辐射的迹象,他们并没有测量到霍金辐射的温度。

但在新的研究中,声波在这种流体中的演化可以精确地模拟出经典场或量子场在黑洞事件视界附近的传播。在这种声波黑洞中,也可以出现类似“粒子对”的情况:一对声子声波会一起出现,其中一个会掉进去,另一个会逃逸。逃逸的声波以霍金辐射的形式从超音速区域被发射出去,另一个具有负能量的声波则被吸收进入到这个区域。

通过对逃逸声子和落入声子的测量,研究人员估算出声子的温度为0.35nK。这一结果与霍金的预测是相吻合的。

3.

在霍金提出他的理论之后,这种辐射的热属性导致了一个难题,那就是所谓的黑洞信息悖论。根据量子力学,信息永远不会被破坏。但是从黑洞中逃逸出来的粒子会慢慢削弱这个庞然大物的质量,经过足够长的一段时间,这个黑洞就会化为乌有。

这意味着落入黑洞的信息将不再包含于其中。如果霍金辐射是热辐射,那么这些信息就不可能被逃逸的粒子带走。因为一个黑洞的霍金辐射所发射出的粒子,无法与从温度相同的普通物体所发射出的粒子区分开来,也无法与从另一个相同质量的黑洞所发射出的粒子区分开来。这就意味着随着黑洞的蒸发,信息丢失了。这与量子力学是相违背的。

对于这次新的突破,我们还不清楚它能否帮助我们解决信息悖论。如果最终的解决方案是需要能将引力和量子力学结合在一起的量子引力理论,那么新的研究或许就无法帮我们解决信息悖论,因为声波黑洞并不是由引力产生的。

但新研究的最大新颖之处就在于,他们采用了一种非常巧妙的检测方法来提取辐射的温度,这为模拟黑洞中的霍金温度提供了第一个证据。此外,声波黑洞还可以被用于研究许多其他有趣的现象,比如量子相关性。根据物理学家的预测,在事件视界产生的声波对将可以显示出这种特性。

参考链接:

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1241-0

[2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-01592-x

[3] https://www.sciencenews.org/article/first-scientists-took-temperature-sonic-black-hole

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