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物理學家打造聲音黑洞欲解黑洞蒸發之謎

據英國《新科學家》雜志報道,以色列物理學家創造了一個可捕獲聲音而不是光線的人造黑洞,並試圖借助這個黑洞探測理論上存在的“霍金輻射”。霍金輻射是由著名物理學家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)在30多年前提出來的,能夠讓黑洞隨時間流逝逐漸蒸發直至消失。   目光鎖定量子態   天體物理學認為,當物質密度達到足夠大並塌陷后一個被稱之為“奇點”的點時,黑洞就會形成。黑洞擁有驚人引力,任何物質——甚至光線在內都無法逃脫黑洞周圍一個被稱之為“事件視界”的邊界拖拽,簡單地說就是被黑洞吞噬。   但物理學家也可以創造隻吸收聲音的人造黑洞。具體方式是“哄騙”一種材料以超音速在介質中移動,在介質中穿行的聲波無法跟上這種材料的速度,就像魚兒在快速流動的河流中游動一樣。聲音最終被類似河流的事件視界捕獲。   目前,材料物理學家正將目光聚焦所謂的“玻色-愛因斯坦”冷凝物。“玻色-愛因斯坦”冷凝物是物質的一種量子態,此時的原子團行為與單個原子類似。在此之前,科學家已經能夠讓冷凝物以超音速移動。美國科羅拉多州大學博爾德分校的埃裡克·科內爾(Eric Cornell)表示,在操縱“玻色-愛因斯坦”冷凝物過程中,物理學家能夠創造聲學黑洞。   因在實驗上實現“玻色-愛因斯坦”凝聚現象,科內爾曾分享2001年諾貝爾獎。他說,海法以色列理工學院的杰夫·斯蒂恩豪爾(Jeff Steinhauer)及其同事進行的一項新研究,是第一次目標直指在“玻色-愛因斯坦”冷凝物中產生霍金輻射的有証可考的實驗。   超音速流形成聲學黑洞   實驗過程中,斯蒂恩豪爾等人將大約10萬個帶電銣原子冷卻到隻比絕對零度高出不到十億分之十的溫度,同時借助磁場捕獲這些原子。在一束激光的幫助下,研究人員隨后創建一個電勢井以吸引銣原子同時促使它們在這種材料中以超音速Z字形穿過電勢井。這一過程產生了一個持續8毫秒左右的超音速流,進而快速形成一個能夠捕獲聲音的聲學黑洞。創造人造黑洞具有非常重要的意義,能夠促使科學家第一次探測霍金輻射。   量子力學認為,成對粒子可以自然而然地在真空區出現。在彼此湮滅並最終雙雙消失前,成對粒子——由一個粒子及其反粒子構成——可以存在非常短暫的時間。霍金在上世紀70年代指出,如果成對粒子在黑洞邊緣附近形成,其中的粒子在被摧毀前可能掉入黑洞,反粒子則被擱淺在事件視界之外。對於觀察者而言,這個粒子將以輻射的方式存在。在聲學黑洞中,霍金輻射將以類似粒子的振動能量包形態存在,也就是所說的“聲子”。   探測霍金輻射具有重要意義   加州理工學院宇宙學家肖恩·卡洛爾(Sean Carroll)表示,尋找霍金輻射對物理學來說具有非常重要的意義。卡洛爾在接受《新科學家》雜志採訪時說:“單憑提出霍金輻射存在這一項成就,斯蒂芬·霍金就可以獲得諾貝爾獎。這一假設告訴我們,我們正朝正確的道路邁進。”   霍金的理論提出了有關量子力學如何適用於被引力扭曲的太空環境的一些基本觀點。量子力學的數學基礎則被用於計算宇宙在膨脹期內如何運轉,所謂的膨脹是指太空在大爆炸后不久快速擴張。但利用天文學觀測手段探測霍金輻射並不是一件容易的事情,原因在於:典型黑洞的蒸發因能量更高的輻射源變得暗淡,其中就包括大爆炸的“余輝”宇宙微波背景輻射。   令人興奮的第一步   在利用聲學黑洞探測霍金輻射之前,研究人員仍有很長的一段路要走。據斯蒂恩豪爾研究小組估計,原子進入其裝置的速度大約要提高9倍,才能創造以聲子形態存在的可探測的霍金輻射。加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學的比爾·尤魯(Bill Unruh)表示:“探測聲學黑洞產生的聲波絕對是一項艱難任務,但同時也是令人興奮的第一步。”尤魯率先提出利用量子流創造人造事件視界的想法。   對此持贊同態度的科內爾指出,以色列研究小組需要創造更為平穩的“玻色-愛因斯坦”冷凝物流,以測量霍金輻射的微妙跡象。他在接受《新科學家》雜志採訪時說:“他們所做的工作採取了相對較為容易的一種方式。較難的是以一種非常安靜的方式完成這項工作,這樣才能發現對‘玻色-愛因斯坦’冷凝物流所做的所有猛烈事情使其以超音速移動之外所有微小的波動。”科內爾及其同事正在研制他們自己的實驗裝置以制造聲學事件視界。   激光脈沖   其他科學家則希望在實驗室利用光線產生可探測的霍金輻射。2008年,一支研究小組在光學纖維中創造了一個人造事件視界,以研究不同波長光線以不同速度在光纖中移動。實驗過程中,他們讓一個速度相對較慢的激光脈沖穿過光纖。由於脈沖扭曲了光纖的光學性質,當第二個激光脈沖追趕到第一個脈沖時,它的速度減慢並在第一個脈沖類似事件視界的前緣之后被捕獲。   產生一個在天體物理學上可探測的霍金輻射似乎仍舊是可能的。由於黑洞的體積越小,霍金輻射的能量就越大,一些研究人員認為,在美國宇航局2008年發射的費米伽馬射線太空望遠鏡幫助下,在大爆炸之后立即出現的微型黑洞蒸發是可以被探測到的。
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