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物理学家在实验室里制造出“黑洞”,证明霍金辐射确实存在

科学家们可能已经发现,正如霍金(Hawking)方程式所预测的,声子(Phonons)的确有从黑洞里泄漏出来。声子是构成声波的非常小的能量包。

存活于一个黑洞

大约42年前,著名的理论物理学家史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 提出,不是所有与黑洞接触过的东西都会屈服于其难以置信的虚无。微小的光子(Photons)有时会被弹出来,因此抢夺了黑洞的无限小能量,而随着时间的推移质量逐渐丧失,而这也意味着每个黑洞最终都会消失不见。

这些被称为霍金辐射 (Hawking Radiation)的逃逸的粒子帮我们更了解宇宙中最大的谜之一,但是至今已过了四十多年,却还是没人能够真正证明它们的存在,这使霍金的提案一直停留在假设的阶段中。可是如今因为有了两组独立研究人员的报告,这些有可能即将改变,因为他们已经找到可以拿来支持霍金的提案的证据,也因此这很可能使最伟大的物理学家终于有机会赢得诺贝尔奖。

理解其理论

让我们回到西元1974年,所有事物的开始的那年。霍金与来自普林斯顿大学 (Princeton University) 的研究生,雅各布·贝肯斯坦 (Jacob Bekenstein) 起了一个争论,因为他在他的博士论文当中提出了黑洞的熵与黑洞事件视界 (Event Horizon)的面积是成比例的。黑洞的熵是系统里的“混乱”而这与其体积、能量、压力和温度都有关。

正如丹尼斯·弗柏比 (Dennis Overbye) 在“纽约时报”中的解释,这是一个问题,因为根据当时被广泛接受的物理规则里,包括霍金自己的发现,黑洞的熵和体积是永远不会减少的。

霍金研究了贝肯斯坦的说法,然后也很快地意识到原来他是错的。“霍金博士做了一个很大的计算,包括了控制次原子的奇特规则,另称量子理论,并惊讶地发现了原来粒子也会脱离黑洞,这也表示其实黑洞原来并不是那么的黑”弗柏比写道。

霍金提出,宇宙充满了“虚拟粒子”,若是根据我们所知的量子力学,粒子会一瞬间消失和回来,那它们一旦接触到对方就会歼灭对方,除非它们恰好出现在黑洞事件视界的任一边。基本上,一个粒子被黑洞吞没,另一个粒子就会被辐射射回太空。

霍金辐射的存在回答了许多关于黑洞如何操作的问题,但在这过程中他也提出了一系列物理学家仍在努力调查的问题。

“他所发现的黑洞的熵与黑洞的表面积成比例的理论比任何理论物理学的结果来得更重要或更有影响力”加拿大理论物理学周边研究所 (Perimeter Institute for Theoretical Physics)的理论物理学家李斯莫林 (Lee Smolin)说道。

虽然贝肯斯坦 (Bekenstein) 在西元2012年获得了沃尔夫奖 (Wolf Prize) ,也在西元2015年获得了美国物理学会的爱因斯坦奖,“纽约时报”报告说他的发现是诺贝尔奖的前导,但这两位科学家都没有被授予最负盛名的科学奖。贝肯斯坦于去年去世了,但霍金现在比以往更接近更可能可以目睹到它们的假设被证明为事实。 那问题呢?记住,当我说逃脱的光子每次逃脱时都从黑洞中偷走了无限的能量。好吧,不幸的是霍金,这种辐射是如此的精致,几乎不可能从几千光年检测到它。

前进的道路是什么?

但来自以色列海法 (Haifa) 的以色列理工学院 (Technion University)的物理学家Jeff Steinhauer认为他找到了一个解决方案,若是我们不能用我们现在最好的仪器检测到在远离我们数千光年的实际黑洞中的霍金辐射,为什么不把黑洞带到我们最好的仪器? 正如奥利弗·穆迪(Oliver Moody)给予泰晤士报(The Times)的报导内容里说到,Steinhauer在实验室成功的设法创造出一个由声波制成的“黑洞”,当他开始运作黑洞时,他目睹了粒子从边缘窃取能量。 他在物理网站arXiv.org发表了一篇他在实验室里所做的文章,而在文章中Steinhauer提到他将氦气冷却到刚好高于绝对零度,然后快速的搅动它,它便形成了一个声音照道理应该不能通过的“屏障”。

“Steinhauer声称他发现了一些迹象,声子(Phonons)的确有从黑洞里泄漏出来。声子是构成声波的非常小的能量包”穆迪报告。

要弄清楚的是这个实验的结果还没有经过同行评估,这才是为什么他把所有事情公开放在arXiv.org的重点。这实验的结果现在正在被世界各地的物理学家讨论著,他们已经证明了这结果确实有争议性,但值得让他们去做进一步调查。

“实验是完美的,Steinhauer做了一个惊人的研究,但他提出的一些议题是可以辩论的。但这是值得讨论的”来自英国诺丁汉大学 (University of Nottingham)的物理学家Silke Weinfurtner 告诉泰晤士报。

Weinfurtner正在操作她自己的实验来尝试检测霍金辐射。

同时,上个月物理评论快报 (Physical Review Letters) 所发表的一篇论文发现了另一种加强霍金辐射研究的方法。来自渥太华大学 (University of Ottawa)的物理学家克里斯?阿达米(Chris Adami)和卡米尔·布莱德勒(Kamil Bradler)描述了一种能允许他们随着时间的推移而跟随着黑洞的新技术。

这是一件令人兴奋的消息,因为它意味着在事件视界上所通过的任何信息或物质将不会“消失”,而是在黑洞蒸发的后期阶段慢慢泄漏出来。

“为了执行这个计算,我们不得不猜测一个黑洞如何与周围的霍金辐射场相互互动。这是因为目前没有量子力学的理论可以提出这种相互互动的能力。然而,我们似乎做了一个良好的猜测,因为我们的模型相当于霍金不变黑洞的极限的理论”阿达米在综合报导中说道。这两个结果现在还需要确认,但这也表示我们更接近能找到解决方案的阶段,我们可以如何确认或反对霍金辐射的存在,这无可否认的是一个好消息。正如穆迪所指出的,预测希格斯玻色子(Higgs boson)存在的彼得·希格斯(Peter Higgs)不得不等待49年才得到诺贝尔奖,所以我们必须继续耐心的等待才能看到霍金是否也可以得到自己的诺贝尔奖。

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