科学家认为他已证明霍金关于黑洞发光的理论

在家用黑洞模拟器中观测到霍金辐射
Black Hole Devouring Star
黑洞吞噬恒星 NASA、S. Gezari (JHU) 和 J. Guillochon (UC Santa Cruz)

你可能会认为黑洞是邪恶的星际漩涡,是质量巨大、密度极高、连光都无法逃脱的神秘天体。但在 1974 年,史蒂芬·霍金通过理论化提出,黑洞可能并非如此黑暗;它们或许会发出微弱的粒子辉光,这些粒子勉强能逃脱黑洞的引力。一位科学家认为他已经重现了这种辉光。

以色列海法理工学院的杰夫·斯坦豪尔在他的实验室里,利用声音的定律而非光,创造了一个黑洞的模拟器。他的黑洞发出了一个明显的信号,为霍金同名的霍金辐射理论提供了令人信服的证据。这项研究暗示,黑洞可能并非我们所认为的无底深渊。它还对整个物理学领域具有更广泛的意义,因为物理学的一个主要目标是建立一个理论,将引力理论所需的宏观尺度和粒子物理学研究的微观尺度联系起来。

斯坦豪尔在接受《大众科学》采访时表示:“我认为这项工作本身就是对霍金计算的验证。”

斯坦豪尔的黑洞不是一个吸光巨兽,而是一行实验室中的冷铷原子,是一种称为玻色-爱因斯坦凝聚的物质形式。他利用激光创造了一种类似瀑布的装置:一侧有很多原子缓慢移动,然后以超过声速的速度倾泻到另一侧。这意味着声子,即声音的离散单位,无法越过能量瀑布的边界向上逃逸。这就像一个黑洞,只不过在空间黑洞中,光粒子无法逃脱引力以光速进行的吸引。斯坦豪尔今天在《自然物理学》杂志上发表了他的研究结果。

Steinhauer with his black hole machine
斯坦豪尔和他的黑洞制造机器 杰夫·斯坦豪尔

量子力学非常奇特,在最小的尺度上,粒子会与其反粒子成对出现然后消失。在真正的黑洞中,史蒂芬·霍金预测,这些粒子可能会在黑洞引力最远范围的任意一侧随机出现,这样,一个粒子会被吸入黑洞,而另一个则刚好逃脱。斯坦豪尔在他的原子瀑布两侧观察到了相同的效应:一部分粒子落入黑洞,另一部分则在另一侧出来。斯坦豪尔能够证明这两个粒子是纠缠的,这意味着它们的性质无论相隔多远都相互依赖,这是所谓的霍金辐射的要求。

耶鲁大学的天体物理学家、NASA 爱因斯坦学者格兰特·特伦布莱在接受《大众科学》采访时强调,斯坦豪尔使用的不是真正的黑洞。他表示,不能直接将这些结果应用于空间中的黑洞,认为它们具有相同的行为。然而,布莱恩·格林等物理学家经常讨论如何将引力与电磁学以及原子内的力统一起来,例如通过弦理论和量子引力来构建万有理论。斯坦豪尔指出,观察粒子在黑洞中的引力相互作用将进一步支持这些理论可以被统一。在斯坦豪尔的黑洞中看到霍金辐射表明,他的声音类比是制造真实模型中有用的工具。

特伦布莱说:“这项成果非常巧妙地展示了玻色-爱因斯坦凝聚如何在实验室环境中充当黑洞的模拟器,从而能够进行在真正的黑洞上永远无法进行的实验。”

 

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