物理学家首次在实验室里证实了霍金辐射的存在

文章作者:管理一号 | 2019-07-03
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物理学家初次在试验室里证明了霍金辐射的存在

北京时间7月3日音讯,1974年,斯蒂芬·霍金提出了他最著名的预言之一:黑洞终究会彻底蒸腾。依据霍金的理论,黑洞并不彻底是“黑”的,而是会发射粒子,即散发出热辐射。霍金信任这种辐射——被称为霍金辐射——终究会使黑洞失掉满足的能量和质量,终究消失。尽管科学界遍及认可这一理论,但又以为简直不可能对此进行证明。

但是,近来物理学家初次证明了霍金辐射的存在——至少在试验室里。尽管霍金辐射过于弱小,以人类现在的仪器还无法在太空中探测到,但物理学家运用声波和世界中一些温度极低的独特物质,建立了相似黑洞的模型,然后调查到了霍金辐射。

粒子对

黑洞所发生的引力如此之大,乃至以光速运动的光子也无法逃脱。尽管真空的太空通常被以为空无一物,但量子力学的不确认性标明,真空中充满了虚粒子,它们以物质-反物质对的方法存在或消失(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,当一对虚粒子呈现后,它们会当即彼此湮灭。但是,在黑洞的事情视界边际,极点的引力反而把粒子摆开,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,视界之外的虚粒子能够被观测到,然后变为实粒子,而视界之内的虚粒子会被黑洞吞噬,不会被调查到。由于视界之外的粒子是带有质量的实在粒子,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,能削减黑洞的能量和质量。

假如吞噬的虚粒子满足多,使黑洞丢失的质量超越添加的质量,那黑洞就会渐渐蒸腾。黑洞越小,蒸腾速度越快,直到黑洞彻底蒸腾。不过,这种效果极端缓慢,和太阳相同质量的黑洞需要约10^58年来蒸腾0.0000001%的质量。所以,基本上大质量的黑洞能够存活好久,一般恒星逝世发生的黑洞估量能够存活10^66年,超大质量黑洞能够存活10^90年。霍金辐射也结识了为什么咱们无法观测到世界诞生时发生的微黑洞,由于它们早已蒸腾殆尽。

霍金辐射十分弱小,现在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),其主要科学意图之一便是寻觅蒸腾的黑洞中伽马射线的亮光,并确认其与霍金辐射的联系。现在,以色列的物理学家现已想出了十分有构思的办法,在试验室中对霍金辐射进行丈量。

瀑布事情视界

以色列理工学院的物理学家杰夫·施泰因豪尔(Jeff Steinhauer)和及其搭档用一种处于“玻色-爱因斯坦凝集”状况的极冷气体来模仿黑洞的事情视界。当玻色子原子在冷却至挨近绝对零度时会呈现出一种气态的、超流性(彻底缺少黏性,可在环状容器中无止尽地活动)的状况,这便是玻色-爱因斯坦凝集。在这种状况下,简直悉数原子都集合到最低的量子态,构成一个微观的量子状况。与常见的其他相态比较,玻色-爱因斯坦凝集十分不稳定,来自外界的极端细小的效果都可能使其加热到超出临界温度,分解为单一原子的状况。

事情视界是黑洞的一个看不见的时空鸿沟,任何东西都无法从事情视界内部逃脱(一个常被误解的概念是以为能够调查到物质掉入黑洞的进程,但这是不可能的,悠远的调查者只是能看到物质以越来越慢的速度接近它,但物质自身不会有任何反常,会在有限时间内穿过事情视界)。

研讨人员在活动的玻色-爱因斯坦凝集气流中放置了一个“山崖”,构成一个气体的“瀑布”;当气体以瀑布的方法流下时,能够将满足的势能转化为动能,使其活动速度超越音速。

研讨人员没有运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。气体活动缓慢一侧的声子运动方向与气流相反,远离瀑布,而气体快速活动一侧的声子则无法远离瀑布,被超音速气体“黑洞”捕捉。

“这就像当你企图逆流而上时,水流速度比你的游速还快,”施泰因豪尔在承受采访时表明,“你觉得自己在行进,但实际上是在撤退。相似的,黑洞中的光子企图脱离黑洞,但却被引力以过错的方法牵引。”

霍金猜测,黑洞所发射粒子的辐射将处于接连的波长和能量频谱中。他还以为,能够用一个只依赖于黑洞质量的温度来描绘这种辐射。近期的这项“声响黑洞”试验证明了这两种猜测。

巴黎第十一大学理论物理试验室的理论物理学家雷诺·帕伦塔尼(Renaud Parentani)表明,这些试验可谓科学上的创作。帕伦塔尼主要从理论视点研讨怎么模仿黑洞,并未参加这项新研讨。他说:“这是一个十分准确的试验。在试验方面来看,杰夫·施泰因豪尔现在确实是世界领先的运用冷原子探求黑洞物理现象的专家。”

不过帕伦塔尼着重,这项研讨是“绵长进程中的一步”,特别是该研讨没有显现声子对在量子水平上是相关的,而这是霍金猜测的另一个重要方面。“故事还会持续,”帕伦塔尼说,“这根本不是完毕。

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