物理学家首次在实验室里证实了霍金辐射的存在

物理学家(jia)首次在实(shi)(shi)验室里证实(shi)(shi)了霍金(jin)辐射的存在

  新浪(lang)科技讯 北京时间7月3日消(xiao)息,1974年,斯蒂(di)芬(fen)·霍(huo)(huo)金(jin)提出了(le)他最(zui)(zui)著(zhu)名的(de)预言(yan)之一:黑(hei)洞(dong)最(zui)(zui)终(zhong)会(hui)完全蒸发(fa)。根(gen)据(ju)霍(huo)(huo)金(jin)的(de)理(li)论,黑(hei)洞(dong)并不完全是“黑(hei)”的(de),而是会(hui)发(fa)射(she)(she)粒(li)子,即散发(fa)出热(re)辐(fu)射(she)(she)。霍(huo)(huo)金(jin)相(xiang)信这种辐(fu)射(she)(she)——被称为霍(huo)(huo)金(jin)辐(fu)射(she)(she)——最(zui)(zui)终(zhong)会(hui)使黑(hei)洞(dong)失(shi)去足(zu)够的(de)能量和质(zhi)量,最(zui)(zui)终(zhong)消(xiao)失(shi)。虽然科学界普遍认可这一理(li)论,但又认为几乎不可能对此进行证明。

  然(ran)而(er),近日(ri)物(wu)理学家首次证实(shi)了霍(huo)金(jin)辐(fu)射(she)(she)的(de)存在(zai)——至少在(zai)实(shi)验室里(li)。尽管霍(huo)金(jin)辐(fu)射(she)(she)过(guo)于微(wei)弱(ruo),以人类目前的(de)仪器还无法在(zai)太空中(zhong)探测到,但物(wu)理学家利用声波和宇宙(zhou)中(zhong)一些温度极(ji)低的(de)奇特物(wu)质,建立(li)了类似(si)黑洞的(de)模型,从而(er)观察到了霍(huo)金(jin)辐(fu)射(she)(she)。

  粒子对

  黑洞所产(chan)生的(de)引力(li)如(ru)此之大,甚至以光速(su)运动的(de)光子也无(wu)法(fa)逃脱。虽然真空的(de)太空通常被认为空无(wu)一物(wu)(wu),但量子力(li)学的(de)不确定性(xing)表明,真空中充(chong)满(man)了虚粒(li)子,它们(men)以物(wu)(wu)质(zhi)-反物(wu)(wu)质(zhi)对的(de)形式(shi)存在(zai)或消失(反物(wu)(wu)质(zhi)粒(li)子具(ju)有与其(qi)对应(ying)物(wu)(wu)质(zhi)粒(li)子相同的(de)质(zhi)量,但具(ju)有相反电荷)。

  正常(chang)情况下(xia),当一(yi)对虚粒(li)子(zi)(zi)出现后,它们会立即相互湮(yin)灭。然而,在黑洞(dong)的(de)事件视界(jie)(jie)边缘,极端(duan)的(de)引(yin)力反(fan)而把(ba)粒(li)子(zi)(zi)拉开,当一(yi)个(ge)粒(li)子(zi)(zi)被(bei)黑洞(dong)吸收时(shi),另一(yi)个(ge)粒(li)子(zi)(zi)则被(bei)射入(ru)太空(kong)。换句话说,视界(jie)(jie)之(zhi)(zhi)外的(de)虚粒(li)子(zi)(zi)可以被(bei)观测到,从而变为实粒(li)子(zi)(zi),而视界(jie)(jie)之(zhi)(zhi)内的(de)虚粒(li)子(zi)(zi)会被(bei)黑洞(dong)吞噬,不会被(bei)观察到。由(you)于视界(jie)(jie)之(zhi)(zhi)外的(de)粒(li)子(zi)(zi)是带有质量(liang)的(de)真(zhen)实粒(li)子(zi)(zi),由(you)质量(liang)与(yu)能量(liang)守恒定律,视界(jie)(jie)之(zhi)(zhi)内被(bei)吞噬的(de)粒(li)子(zi)(zi)具(ju)有负能量(liang)和负质量(liang),能减少黑洞(dong)的(de)能量(liang)和质量(liang)。

  如果吞噬的(de)(de)虚(xu)粒子足够多(duo),使黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)损失的(de)(de)质(zhi)量(liang)(liang)超过(guo)增加的(de)(de)质(zhi)量(liang)(liang),那黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)就会慢(man)慢(man)蒸发(fa)(fa)。黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)越小,蒸发(fa)(fa)速度越快,直到黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)完全蒸发(fa)(fa)。不过(guo),这种作用极其(qi)缓慢(man),和太阳一样质(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)需(xu)要约10^58年(nian)来蒸发(fa)(fa)0.0000001%的(de)(de)质(zhi)量(liang)(liang)。所以,基(ji)本上大(da)质(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)可以存(cun)活(huo)很久,一般恒星死亡产(chan)生(sheng)的(de)(de)黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)估计(ji)可以存(cun)活(huo)10^66年(nian),超大(da)质(zhi)量(liang)(liang)黑(hei)洞(dong)(dong)(dong)可以存(cun)活(huo)10^90年(nian)。霍金辐射也(ye)结识(shi)了为什么我们无法(fa)观(guan)测到宇(yu)宙诞生(sheng)时产(chan)生(sheng)的(de)(de)微黑(hei)洞(dong)(dong)(dong),因为它们早已蒸发(fa)(fa)殆尽。

  霍金辐射(she)(she)非常微(wei)弱(ruo),目(mu)前还无法在(zai)太空(kong)中(zhong)(zhong)观(guan)测(ce)到(dao)。2008年6月(yue),美国国家航空(kong)航天(tian)局(NASA)发射(she)(she)了费米伽马(ma)射(she)(she)线空(kong)间望远镜(GLAST),其主要科学目(mu)的(de)(de)之一就是寻(xun)找(zhao)蒸(zheng)发的(de)(de)黑洞(dong)中(zhong)(zhong)伽马(ma)射(she)(she)线的(de)(de)闪光,并确定其与霍金辐射(she)(she)的(de)(de)关系。现在(zai),以色列的(de)(de)物理学家已经想出了非常有创(chuang)意的(de)(de)方法,在(zai)实验(yan)室中(zhong)(zhong)对霍金辐射(she)(she)进行测(ce)量(liang)。

  瀑布事件视界

  以色(se)列理工学(xue)院(yuan)的(de)(de)(de)物(wu)理学(xue)家杰夫(fu)·施泰因(yin)(yin)豪尔(Jeff Steinhauer)和及其(qi)同事用(yong)一(yi)种处于“玻色(se)-爱因(yin)(yin)斯(si)坦凝聚”状(zhuang)态(tai)(tai)的(de)(de)(de)极冷(leng)气体(ti)来模拟黑(hei)洞的(de)(de)(de)事件视界。当玻色(se)子(zi)原子(zi)在冷(leng)却至接近绝对零度时会呈(cheng)现出一(yi)种气态(tai)(tai)的(de)(de)(de)、超流(liu)性(完全缺(que)乏黏性,可(ke)(ke)在环状(zhuang)容器中无止(zhi)尽(jin)地流(liu)动(dong))的(de)(de)(de)状(zhuang)态(tai)(tai),这(zhei)就是玻色(se)-爱因(yin)(yin)斯(si)坦凝聚。在这(zhei)种状(zhuang)态(tai)(tai)下,几乎全部原子(zi)都(dou)聚集到(dao)最低的(de)(de)(de)量子(zi)态(tai)(tai),形(xing)成一(yi)个宏观(guan)的(de)(de)(de)量子(zi)状(zhuang)态(tai)(tai)。与常见的(de)(de)(de)其(qi)他相态(tai)(tai)相比,玻色(se)-爱因(yin)(yin)斯(si)坦凝聚非(fei)常不稳定,来自外界的(de)(de)(de)极其(qi)微(wei)小的(de)(de)(de)作用(yong)都(dou)可(ke)(ke)能(neng)使其(qi)加热到(dao)超出临界温(wen)度,分解(jie)为单一(yi)原子(zi)的(de)(de)(de)状(zhuang)态(tai)(tai)。

  事(shi)件视(shi)界(jie)是黑(hei)洞的(de)一个看不(bu)见的(de)时空(kong)边界(jie),任何东西都无法从事(shi)件视(shi)界(jie)内(nei)部逃脱(tuo)(一个常被误解的(de)概(gai)念(nian)是认为可以观察到(dao)(dao)物(wu)质掉入黑(hei)洞的(de)过程,但这是不(bu)可能的(de),遥远(yuan)的(de)观察者仅仅能看到(dao)(dao)物(wu)质以越(yue)来越(yue)慢的(de)速度(du)靠近它,但物(wu)质本身不(bu)会(hui)有(you)任何异常,会(hui)在有(you)限(xian)时间内(nei)穿过事(shi)件视(shi)界(jie))。

  研究人员在流(liu)(liu)动的玻色-爱因斯坦(tan)凝聚气(qi)流(liu)(liu)中放置了一个(ge)“悬崖”,形成一个(ge)气(qi)体(ti)(ti)的“瀑布”;当气(qi)体(ti)(ti)以瀑布的形式流(liu)(liu)下时(shi),可以将足够(gou)的势能转化为动能,使其流(liu)(liu)动速(su)度超(chao)过音速(su)。

  研究(jiu)人员没有(you)使(shi)用(yong)物(wu)质和(he)反(fan)物(wu)质粒子(zi),而是将成对的声(sheng)子(zi)(phonon)——或称量子(zi)声(sheng)波——放入气(qi)流(liu)(liu)(liu)之中。气(qi)体流(liu)(liu)(liu)动(dong)缓慢一(yi)(yi)侧(ce)的声(sheng)子(zi)运动(dong)方向(xiang)与气(qi)流(liu)(liu)(liu)相(xiang)反(fan),远离瀑(pu)布,而气(qi)体快速流(liu)(liu)(liu)动(dong)一(yi)(yi)侧(ce)的声(sheng)子(zi)则无法远离瀑(pu)布,被超(chao)音(yin)速气(qi)体“黑洞”捕捉。

  “这就像当(dang)你(ni)试图逆流而(er)上时,水流速(su)度比你(ni)的(de)(de)游速(su)还快,”施泰(tai)因豪尔在(zai)接(jie)受采访时表示,“你(ni)觉得自己在(zai)前(qian)进(jin),但实际上是在(zai)后退(tui)。类(lei)似的(de)(de),黑(hei)洞中的(de)(de)光(guang)子试图离开(kai)黑(hei)洞,但却被引力以错误的(de)(de)方式牵引。”

  霍金(jin)预(yu)测(ce),黑(hei)洞所发射(she)粒子的辐射(she)将处于连续的波长和能(neng)量频谱中。他还认为,可(ke)以用一个只依赖于黑(hei)洞质量的温度来描述这(zhei)种辐射(she)。近期的这(zhei)项(xiang)“声音(yin)黑(hei)洞”实验证实了这(zhei)两种预(yu)测(ce)。

  巴黎第十一(yi)大学理(li)(li)论物理(li)(li)实(shi)验(yan)(yan)室的(de)(de)理(li)(li)论物理(li)(li)学家(jia)雷诺·帕(pa)伦塔尼(ni)(Renaud Parentani)表(biao)示(shi),这(zhei)(zhei)些实(shi)验(yan)(yan)堪称科(ke)学上的(de)(de)杰(jie)作。帕(pa)伦塔尼(ni)主要从理(li)(li)论角度研(yan)究如何(he)模拟黑(hei)洞,并未参与这(zhei)(zhei)项(xiang)新研(yan)究。他说:“这(zhei)(zhei)是(shi)一(yi)个非(fei)常精确的(de)(de)实(shi)验(yan)(yan)。在实(shi)验(yan)(yan)方面来看(kan),杰(jie)夫·施(shi)泰因豪尔目前确实(shi)是(shi)世界(jie)领先的(de)(de)利用冷原子探究黑(hei)洞物理(li)(li)现(xian)象的(de)(de)专家(jia)。”

  不过帕(pa)伦塔尼强调(diao),这项研究是(shi)(shi)“漫长(zhang)过程中的一步”,特别是(shi)(shi)该研究没有显示(shi)声(sheng)子对在(zai)量子水平上是(shi)(shi)相关的,而这是(shi)(shi)霍金预测的另(ling)一个重要方面。“故事(shi)还会(hui)继续,”帕(pa)伦塔尼说(shuo),“这根本不是(shi)(shi)结束(shu)。”