霍金辐射由物理学家斯蒂芬·霍金于 1974 年提出,描述了理论上可以逃脱黑洞引力的少量高能辐射。
这一假说违背了传统观点,即任何东西,甚至光,都无法逃脱黑洞,而现在,物理学家终于第一次在模拟黑洞中观察到了霍金辐射。
需要明确的是,霍金的假设将仍然如此,直到我们能够实际观察到现实生活中的黑洞附近的霍金辐射,但我们的技术目前还不够先进,无法做到这一点。
相反,物理学家在实验室创建的黑洞模拟中测试他们的假设 - 不是基于光,而是基于声音。
这些声学黑洞或“哑”黑洞于 2009 年提出,但直到 2009 年才真正建成,它们是通过将铷原子冷却到绝对零以上几亿分之一度以内而形成的。
此时,原子进入物质的量子态,它们开始表现得像彼此的克隆,聚集形成“超级粒子”或波,称为玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。
先前的研究已经表明,这些声学黑洞——也需要一堆镜子、激光器、透镜和磁线圈——实际上在一些关键方面模仿了真实黑洞的行为,因此被认为是一个非常好的替代品。
杰夫·斯坦豪尔 (Jeff Steinhauer) 是以色列海法理工学院的物理学家,他已经研究声学黑洞七年了,最终将其完善到可以准确模拟粒子在边缘或事件上的行为的程度。他的黑洞的地平线。
令人难以置信的是,当他进行了 4,600 次实验时,他所看到的正是霍金所预言的:声子对(声能包)开始自发地出现在事件视界,然后一个被推出黑洞并进入模拟空间,而另一个则落入其中。
如果您需要复习一下霍金辐射,这个假设完全被理论物理学中一个臭名昭著的问题所困扰,这个问题被称为黑洞信息悖论。
霍金辐射提出,宇宙中充满了虚拟的纠缠粒子,这些粒子闪烁着存在和消失,一旦接触就会相互湮灭——除非它们碰巧出现在黑洞事件视界的两侧。
在这种情况下,一个粒子被吞噬,另一个粒子辐射到太空中。
由于逃逸的辐射从黑洞窃取了能量,黑洞随着时间的推移失去质量,并最终消失殆尽——带走了它所吞下的所有信息。
所以悖论是这样的:根据爱因斯坦的广义相对论,所有穿过黑洞事件视界的物质都会被永远吞噬,永远无法被收回。但根据我们对量子力学的理解,有关被吞噬物质的信息永远不可能被完全破坏,那么哪一个是正确的呢?
今年早些时候霍金发表了信息悖论的“解决方案”,该方案并没有说服该领域的每个人,但基本上表明黑洞可能实际上有一个“软毛”围绕它们的光环,它能够存储信息,所以它是并没有完全丢失。您可以在这里阅读更多相关内容。
现在回到斯坦豪尔和他的团队。在连续进行六天声学黑洞实验后,研究人员拍摄了 BEC 的照片并展示了结婚逃逸的声子实际上与落入的声子“纠缠”在一起。
“我们看到高能对是纠缠的,而低能对则没有,”他告诉莎拉·格里夫斯有线。
“我们观察到由模拟黑洞发出的量子真空涨落激发的霍金辐射的热分布。这证实了霍金关于黑洞热力学的预测。”
斯坦豪尔补充道激发事件视界的粒子产生了如此多的能量,模拟也支持防火墙争议- 一个单独的假设表明,霍金粒子及其伙伴之间纠缠的破裂产生了足够的能量,可以在黑洞边缘形成真正的火墙。有关该假设的更多信息请参见此处。
需要更多的复制和确认才能证明结果 -有些人怀疑他们创建的 BEC实际上是真正的 BEC - 并且只是来自真实情况的直接观察将使霍金角逐诺贝尔奖。但斯坦豪尔和他的团队确实可以在这方面有所作为。
卡迪夫大学物理与天文学学院教授斯蒂芬·费尔赫斯特(Stephen Fairhurst)没有参与这项研究,他说:“你正在探索重力的这一特征,而这种特征很难用真正的黑洞进行实验探测。”告诉 Buzzfeed 的 Tom Chivers。
“我不确定这些东西如何教会我们量子引力,但这肯定是下一个目标——看看我们如何将其转化为相对论。”
结果已发表于自然物理学。