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          2. 霍金是對的:新研究顯示黑洞確實會蒸發

            [ 錄入者:zhangms | 時間:2019-07-04 13:49:02 | 作者:任天 | 來源:新浪科技 | 瀏覽:1561次 ]

            物理學家首次在實驗室里證實了霍金輻射的存在

            新浪科技訊 北京時間7月3日消息,1974年,斯蒂芬·霍金提出了他最著名的預言之一:黑洞最終會完全蒸發。根據霍金的理論,黑洞并不完全是“黑”的,而是會發射粒子,即散發出熱輻射。霍金相信這種輻射——被稱為霍金輻射——最終會使黑洞失去足夠的能量和質量,最終消失。雖然科學界普遍認可這一理論,但又認為幾乎不可能對此進行證明。

            然而,近日物理學家首次證實了霍金輻射的存在——至少在實驗室里。盡管霍金輻射過于微弱,以人類目前的儀器還無法在太空中探測到,但物理學家利用聲波和宇宙中一些溫度極低的奇特物質,建立了類似黑洞的模型,從而觀察到了霍金輻射。

            粒子對

            黑洞所產生的引力如此之大,甚至以光速運動的光子也無法逃脫。雖然真空的太空通常被認為空無一物,但量子力學的不確定性表明,真空中充滿了虛粒子,它們以物質-反物質對的形式存在或消失(反物質粒子具有與其對應物質粒子相同的質量,但具有相反電荷)。

            正常情況下,當一對虛粒子出現后,它們會立即相互湮滅。然而,在黑洞的事件視界邊緣,極端的引力反而把粒子拉開,當一個粒子被黑洞吸收時,另一個粒子則被射入太空。換句話說,視界之外的虛粒子可以被觀測到,從而變為實粒子,而視界之內的虛粒子會被黑洞吞噬,不會被觀察到。由于視界之外的粒子是帶有質量的真實粒子,由質量與能量守恒定律,視界之內被吞噬的粒子具有負能量和負質量,能減少黑洞的能量和質量。

            如果吞噬的虛粒子足夠多,使黑洞損失的質量超過增加的質量,那黑洞就會慢慢蒸發。黑洞越小,蒸發速度越快,直到黑洞完全蒸發。不過,這種作用極其緩慢,和太陽一樣質量的黑洞需要約10^58年來蒸發0.0000001%的質量。所以,基本上大質量的黑洞可以存活很久,一般恒星死亡產生的黑洞估計可以存活10^66年,超大質量黑洞可以存活10^90年。霍金輻射也結識了為什么我們無法觀測到宇宙誕生時產生的微黑洞,因為它們早已蒸發殆盡。

            霍金輻射非常微弱,目前還無法在太空中觀測到。2008年6月,美國國家航空航天局(NASA)發射了費米伽馬射線空間望遠鏡(GLAST),其主要科學目的之一就是尋找蒸發的黑洞中伽馬射線的閃光,并確定其與霍金輻射的關系。現在,以色列的物理學家已經想出了非常有創意的方法,在實驗室中對霍金輻射進行測量。

            瀑布事件視界

            以色列理工學院的物理學家杰夫·施泰因豪爾(Jeff Steinhauer)和及其同事用一種處于“玻色-愛因斯坦凝聚”狀態的極冷氣體來模擬黑洞的事件視界。當玻色子原子在冷卻至接近絕對零度時會呈現出一種氣態的、超流性(完全缺乏黏性,可在環狀容器中無止盡地流動)的狀態,這就是玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態下,幾乎全部原子都聚集到最低的量子態,形成一個宏觀的量子狀態。與常見的其他相態相比,玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩定,來自外界的極其微小的作用都可能使其加熱到超出臨界溫度,分解為單一原子的狀態。

            事件視界是黑洞的一個看不見的時空邊界,任何東西都無法從事件視界內部逃脫(一個常被誤解的概念是認為可以觀察到物質掉入黑洞的過程,但這是不可能的,遙遠的觀察者僅僅能看到物質以越來越慢的速度靠近它,但物質本身不會有任何異常,會在有限時間內穿過事件視界)。

            研究人員在流動的玻色-愛因斯坦凝聚氣流中放置了一個“懸崖”,形成一個氣體的“瀑布”;當氣體以瀑布的形式流下時,可以將足夠的勢能轉化為動能,使其流動速度超過音速。

            研究人員沒有使用物質和反物質粒子,而是將成對的聲子(phonon)——或稱量子聲波——放入氣流之中。氣體流動緩慢一側的聲子運動方向與氣流相反,遠離瀑布,而氣體快速流動一側的聲子則無法遠離瀑布,被超音速氣體“黑洞”捕捉。

            “這就像當你試圖逆流而上時,水流速度比你的游速還快,”施泰因豪爾在接受采訪時表示,“你覺得自己在前進,但實際上是在后退。類似的,黑洞中的光子試圖離開黑洞,但卻被引力以錯誤的方式牽引。”

            霍金預測,黑洞所發射粒子的輻射將處于連續的波長和能量頻譜中。他還認為,可以用一個只依賴于黑洞質量的溫度來描述這種輻射。近期的這項“聲音黑洞”實驗證實了這兩種預測。

            巴黎第十一大學理論物理實驗室的理論物理學家雷諾·帕倫塔尼(Renaud Parentani)表示,這些實驗堪稱科學上的杰作。帕倫塔尼主要從理論角度研究如何模擬黑洞,并未參與這項新研究。他說:“這是一個非常精確的實驗。在實驗方面來看,杰夫·施泰因豪爾目前確實是世界領先的利用冷原子探究黑洞物理現象的專家。”

            不過帕倫塔尼強調,這項研究是“漫長過程中的一步”,特別是該研究沒有顯示聲子對在量子水平上是相關的,而這是霍金預測的另一個重要方面。“故事還會繼續,”帕倫塔尼說,“這根本不是結束。”(任天)

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