物理學(xué)家首次在實驗室里證實了霍金輻射的存在

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(yù)言之一：黑洞最終會完全蒸發(fā)。根據(jù)霍金的理論，黑洞并不完全是“黑”的，而是會發(fā)射粒子，即散發(fā)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(zhì)量，最終消失。雖然科學(xué)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(xué)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(xué)家利用聲波和宇宙中一些溫度極低的奇特物質(zhì)，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(chǎn)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(xué)的不確定性表明，真空中充滿了虛粒子，它們以物質(zhì)-反物質(zhì)對的形式存在或消失(反物質(zhì)粒子具有與其對應(yīng)物質(zhì)粒子相同的質(zhì)量，但具有相反電荷)。

正常情況下，當一對虛粒子出現(xiàn)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?yōu)閷嵙Ｗ樱暯缰畠?nèi)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(zhì)量的真實粒子，由質(zhì)量與能量守恒定律，視界之內(nèi)被吞噬的粒子具有負能量和負質(zhì)量，能減少黑洞的能量和質(zhì)量。

如果吞噬的虛粒子足夠多，使黑洞損失的質(zhì)量超過增加的質(zhì)量，那黑洞就會慢慢蒸發(fā)。黑洞越小，蒸發(fā)速度越快，直到黑洞完全蒸發(fā)。不過，這種作用極其緩慢，和太陽一樣質(zhì)量的黑洞需要約10^58年來蒸發(fā)0.0000001%的質(zhì)量。所以，基本上大質(zhì)量的黑洞可以存活很久，一般恒星死亡產(chǎn)生的黑洞估計可以存活10^66年，超大質(zhì)量黑洞可以存活10^90年。霍金輻射也結(jié)識了為什么我們無法觀測到宇宙誕生時產(chǎn)生的微黑洞，因為它們早已蒸發(fā)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(fā)射了費米伽馬射線空間望遠鏡(GLAST)，其主要科學(xué)目的之一就是尋找蒸發(fā)的黑洞中伽馬射線的閃光，并確定其與霍金輻射的關(guān)系。現(xiàn)在，以色列的物理學(xué)家已經(jīng)想出了非常有創(chuàng)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(xué)院的物理學(xué)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(tài)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(xiàn)出一種氣態(tài)的、超流性(完全缺乏黏性，可在環(huán)狀容器中無止盡地流動)的狀態(tài)，這就是玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀態(tài)下，幾乎全部原子都聚集到最低的量子態(tài)，形成一個宏觀的量子狀態(tài)。與常見的其他相態(tài)相比，玻色-愛因斯坦凝聚非常不穩(wěn)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(tài)。

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(nèi)部逃脫(一個常被誤解的概念是認為可以觀察到物質(zhì)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(zhì)以越來越慢的速度靠近它，但物質(zhì)本身不會有任何異常，會在有限時間內(nèi)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(zhuǎn)化為動能，使其流動速度超過音速。

研究人員沒有使用物質(zhì)和反物質(zhì)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(cè)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(cè)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(yù)測，黑洞所發(fā)射粒子的輻射將處于連續(xù)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(zhì)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(yù)測。

巴黎第十一大學(xué)理論物理實驗室的理論物理學(xué)家雷諾·帕倫塔尼(Renaud Parentani)表示，這些實驗堪稱科學(xué)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(lǐng)先的利用冷原子探究黑洞物理現(xiàn)象的專家。”

不過帕倫塔尼強調(diào)，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(guān)的，而這是霍金預(yù)測的另一個重要方面。“故事還會繼續(xù)，”帕倫塔尼說，“這根本不是結(jié)束。”(任天)