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模拟实验称黑洞或并非只进不出 或有粒子逃出

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核心提示:以色列科学家在实验室创造出了一个能发出霍金辐射的类黑洞。黑洞一向以只进不出著称,引力强大到连光都无从逃脱。但按照霍金推想,粒子对除了一起湮灭,或一起落入黑洞,也可能存在第三种情况:粒子对发生分离,一个被吸进黑洞,另一个以霍金辐射的方式逃逸出来。

利用超冷流体将声波困住,以色列科学家在实验室中创造出了一个能发出霍金辐射的类黑洞。所谓霍金辐射,就是预测中的因量子力学效应而能够逃脱黑洞的粒子。这项发表在《自然·物理学》杂志上的重要成果有朝一日可望帮助解决黑洞“信息悖论”问题——物理学家斯蒂芬·霍金40年前预言,黑洞并不是全黑的,有少量的辐射能够摆脱黑洞的强大引力,问题由此产生:编码在辐射中的信息是否也能一并逃脱?

黑洞不黑,可能会有粒子逃出

量子理论认为,能量的大幅波动可能会在瞬间发生,这意味着宇宙真空并不空,而是会发生涨落,在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后又彼此湮灭,瞬间消失,以符合能量守恒。如果粒子—反粒子对正好出现在黑洞视界(即黑洞的边缘)附近,又将如何?

黑洞一向以“只进不出”著称,引力强大到连光都无从逃脱。但按照霍金的推想,粒子对除了一起湮灭,或者一起落入黑洞,也可能存在第三种情况:粒子对发生了分离,一个被吸进黑洞,另一个却以霍金辐射的方式逃逸出来。在外界看,这就像黑洞发射粒子一样,这一理论也在很大程度上改变了人们对于黑洞的认知。

不过,天体物理学家至今尚未检测到宇宙黑洞所发出的霍金辐射。而另一种验证霍金理论的方法,就是在实验室中模拟视界。

实验室中“困住”声波,演示类霍金辐射现象

为此,以色列理工学院物理学家杰夫·斯坦豪尔带领团队开始了实验室研究。据《自然》杂志网站近日报道,他们将一团铷原子冷却到比绝对零度高出不到10亿分之一摄氏度,在这样的低温下,铷原子紧密排列,表现得如同一个单一的、流动的量子物体,让研究人员更易操控。低温也确保这种玻色—爱因斯坦凝聚态的流体能够提供一个无声的介质,让量子波动产生的声波从中通过。

接下来,斯坦豪尔利用激光操控超冷流体,使其速度快于音速。就像游泳的人在水中对抗着强大的水流,声波也要逆着流体的方向前进,如同被“困住”一样。超冷流体也因此变成了一个万有引力视界的替代物。

在实验室真空中,一道突然出现的声波和一道突然消失的声波,正好可以模拟真空宇宙里的粒子—反粒子对。而那些跨越这个声音视界的声波对,就相当于在演示霍金辐射。为了将这些声波放大到足以被探测器捕捉到,斯坦豪尔在第一个声音视界内建立了第二个声音视界,同时调整超冷流体,使声波不能通过第二个视界并被反弹回来。由于声波反复撞击外围的第一个视界,更多的声波对被创造出来,从而将霍金辐射放大到可被检测的水平。

虽无法完美匹配,但却是最接近的

有些研究人员认为,这个让斯坦豪尔耗时5年才完善的实验室模型到底有多接近于模拟霍金辐射,目前还不清楚。虽然斯坦豪尔对声波进行了放大,但他只检测到了辐射的一个频率,因而无法肯定其是否拥有预测中的真正的霍金辐射所拥有的不同频率强度。斯坦豪尔目前正在改进技术,以便无需放大声波辐射就能研究他的人造黑洞,进而探讨黑洞“信息悖论”问题。

这项研究也有助于物理学家在不相容的量子理论与万有引力之间取得协调,万有引力是自然界中唯一没有被量子力学理论框架规范的力。霍金辐射是量子力学和广义相对论相结合的产物,而一个人造黑洞有可能为研究如何让二者“联姻”提供一个机会。

英国赫瑞瓦特大学实验物理学家丹尼尔·法乔称,斯坦豪尔的研究“可能是最强大、最明确的证据”,表明实验室模型可以在广义相对论和量子力学之间模拟现象。2010年,法乔的团队报告说,他们探测到了与霍金辐射类似的现象,但此后又承认他们看到的其实是另一种不同的现象。

美国马里兰大学物理学家泰德·雅各布森在1999年就指出,类霍金辐射现象可在实验室中被观察到,但他表示,到目前为止,利用声音实验来了解黑洞仍然是“没影儿的事”。在雅各布森看来,这项新实验的价值在于探索超冷原子的物理现象。

加拿大不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家威廉·昂鲁认为,即使这种声波辐射无法完美匹配霍金辐射,但在探测霍金辐射方面,“它是最接近的”。(来源:科技日报)

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