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霍金是对的:新研究显示黑洞确实会蒸发

时间:2019-07-11 11:33 来源:网络 作者: 菜叶

霍金是对的:新研究显示黑洞确实会蒸发

物理学家首次在实验室里证实了霍金辐射的存在

新浪科技讯 北京时间7月3日消息,1974年,斯蒂芬·霍金提出了他最著名的预言之一:黑洞最终会完全蒸发。根据霍金的理论,黑洞并不完全是“黑”的,而是会发射粒子,即散发出热辐射。霍金相信这种辐射——被称为霍金辐射——最终会使黑洞失去足够的能量和质量,最终消失。虽然科学界普遍认可这一理论,但又认为几乎不可能对此进行证明。

然而,近日物理学家首次证实了霍金辐射的存在——至少在实验室里。尽管霍金辐射过于微弱,以人类目前的仪器还无法在太空中探测到,但物理学家利用声波和宇宙中一些温度极低的奇特物质,建立了类似黑洞的模型,从而观察到了霍金辐射。

粒子对

黑洞所产生的引力如此之大,甚至以光速运动的光子也无法逃脱。虽然真空的太空通常被认为空无一物,但量子力学的不确定性表明,真空中充满了虚粒子,它们以物质-反物质对的形式存在或消失(反物质粒子具有与其对应物质粒子相同的质量,但具有相反电荷)。

正常情况下,当一对虚粒子出现后,它们会立即相互湮灭。然而,在黑洞的事件视界边缘,极端的引力反而把粒子拉开,当一个粒子被黑洞吸收时,另一个粒子则被射入太空。换句话说,视界之外的虚粒子可以被观测到,从而变为实粒子,而视界之内的虚粒子会被黑洞吞噬,不会被观察到。由于视界之外的粒子是带有质量的真实粒子,由质量与能量守恒定律,视界之内被吞噬的粒子具有负能量和负质量,能减少黑洞的能量和质量。

如果吞噬的虚粒子足够多,使黑洞损失的质量超过增加的质量,那黑洞就会慢慢蒸发。黑洞越小,蒸发速度越快,直到黑洞完全蒸发。不过,这种作用极其缓慢,和太阳一样质量的黑洞需要约10^58年来蒸发0.0000001%的质量。所以,基本上大质量的黑洞可以存活很久,一般恒星死亡产生的黑洞估计可以存活10^66年,超大质量黑洞可以存活10^90年。霍金辐射也结识了为什么我们无法观测到宇宙诞生时产生的微黑洞,因为它们早已蒸发殆尽。

霍金辐射非常微弱,目前还无法在太空中观测到。2008年6月,美国国家航空航天局(NASA)发射了费米伽马射线空间望远镜(GLAST),其主要科学目的之一就是寻找蒸发的黑洞中伽马射线的闪光,并确定其与霍金辐射的关系。现在,以色列的物理学家已经想出了非常有创意的方法,在实验室中对霍金辐射进行测量。

瀑布事件视界

以色列理工学院的物理学家杰夫·施泰因豪尔(Jeff Steinhauer)和及其同事用一种处于“玻色-爱因斯坦凝聚”状态的极冷气体来模拟黑洞的事件视界。当玻色子原子在冷却至接近绝对零度时会呈现出一种气态的、超流性(完全缺乏黏性,可在环状容器中无止尽地流动)的状态,这就是玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到最低的量子态,形成一个宏观的量子状态。与常见的其他相态相比,玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定,来自外界的极其微小的作用都可能使其加热到超出临界温度,分解为单一原子的状态。

事件视界是黑洞的一个看不见的时空边界,任何东西都无法从事件视界内部逃脱(一个常被误解的概念是认为可以观察到物质掉入黑洞的过程,但这是不可能的,遥远的观察者仅仅能看到物质以越来越慢的速度靠近它,但物质本身不会有任何异常,会在有限时间内穿过事件视界)。

研究人员在流动的玻色-爱因斯坦凝聚气流中放置了一个“悬崖”,形成一个气体的“瀑布”;当气体以瀑布的形式流下时,可以将足够的势能转化为动能,使其流动速度超过音速。

研究人员没有使用物质和反物质粒子,而是将成对的声子(phonon)——或称量子声波——放入气流之中。气体流动缓慢一侧的声子运动方向与气流相反,远离瀑布,而气体快速流动一侧的声子则无法远离瀑布,被超音速气体“黑洞”捕捉。

“这就像当你试图逆流而上时,水流速度比你的游速还快,”施泰因豪尔在接受采访时表示,“你觉得自己在前进,但实际上是在后退。类似的,黑洞中的光子试图离开黑洞,但却被引力以错误的方式牵引。”

霍金预测,黑洞所发射粒子的辐射将处于连续的波长和能量频谱中。他还认为,可以用一个只依赖于黑洞质量的温度来描述这种辐射。近期的这项“声音黑洞”实验证实了这两种预测。

巴黎第十一大学理论物理实验室的理论物理学家雷诺·帕伦塔尼(Renaud Parentani)表示,这些实验堪称科学上的杰作。帕伦塔尼主要从理论角度研究如何模拟黑洞,并未参与这项新研究。他说:“这是一个非常精确的实验。在实验方面来看,杰夫·施泰因豪尔目前确实是世界领先的利用冷原子探究黑洞物理现象的专家。”

不过帕伦塔尼强调,这项研究是“漫长过程中的一步”,特别是该研究没有显示声子对在量子水平上是相关的,而这是霍金预测的另一个重要方面。“故事还会继续,”帕伦塔尼说,“这根本不是结束。”(任天)

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