實驗室模擬「聲子黑洞」驗證霍金輻射,與霍金預測結果一致

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 03 日 19:33 | 分類 天文 , 自然科學 , 航太科技 follow us in feedly

宇宙黑洞到底會不會發出理論預言的霍金輻射,並逐漸蒸發消失?時至今日,霍金輻射仍未實際觀測到,但以色列科學家現已在實驗室中,間接證實了「霍金輻射」的存在。



根據愛因斯坦廣義相對論推敲,宇宙有一種質量無比巨大的天體──黑洞,它的引力強到連傳播速度最快的光子都無法逃離,也因此,廣義相對論下的黑洞不會發射任何電磁輻射(都被黑洞吸收掉了)。

但霍金卻於 1974 年提出另一理論,當加入量子效應時,某些情況下並非所有物質都會落入黑洞,比如一對相互糾纏的粒子在強烈重力場中製造出來時,其中一個粒子會墜入黑洞,另一個則會逃離,這些大量逃脫的糾纏粒子也就是自黑洞邊緣發散的熱輻射,稱為霍金輻射(Hawking radiation)。

問題是,這種「熱」太微弱了。目前理論指出,所有已知黑洞的溫度都低於宇宙微波背景(CMB)溫度,一個質量跟太陽差不多的黑洞溫度只有 60nK,換句話說,如果僅用現有儀器技術觀測,微弱的霍金輻射永遠被掩蓋在黑洞吸收的輻射之下。

為了驗證霍金輻射真實性,研究人員一直在實驗室製造模擬黑洞,而現在,以色列理工學院物理學家 Jeff Steinhauer 領導的團隊,似乎證實了霍金最著名的預言之一。

和真正黑洞不同的點在於,模擬黑洞吸收的是「聲子」而非「光子」,研究人員利用成對聲子來當真實黑洞中糾纏粒子的替代物。

2009 年時,Jeff Steinhauer 團隊就曾用 100,000 個冷卻銣原子組成的玻色─愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate,BEC,註),簡單做出一個模擬黑洞,當年 Jeff Steinhauer 推斷在模擬系統中,假如真的有糾纏的聲子被拆開,那麼聲波應該會從事件視界出現,就像霍金輻射從真正的黑洞邊緣流出──他等到了 2016 年,終於宣布觀察到由模擬黑洞發出的糾纏聲子。

現在,Jeff Steinhauer 改進了裝置靈敏度使其能產生更強訊號,並且這次實驗使用 8,000 個銣原子製造玻色─愛因斯坦凝態,再次證明成對聲子出現在模擬事件視界,其中一個加速逃逸,另一個則被吸收,並且測量聲子可以估算溫度,結果正如霍金預測。

然而,如果霍金輻射是對的,就表明隨著黑洞逐漸蒸發消失,訊息可能會丟失,這違反了量子力學的定義。科學家目前還不知道新研究能否幫助解決黑洞資訊悖論,我們必須盡快提出結合重力和量子力學的全新量子重力理論。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

註:「玻色–愛因斯坦凝態」為原子在接近絕對零度時,所呈現出一種氣態、超流性的物質狀態,一些奇異量子物理現象可以在該尺度下觀察。

(首圖為黑洞示意圖,來源:ESA

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