1974年,斯蒂芬霍金提出理論,認為宇宙中最黑暗的引力天體一一黑洞,並不是天文學家想象的漆黑的恆星吞噬者,並且它們自發地發出光——這種現象現在被稱為霍金輻射。
問題是,還沒有天文學家觀測到過霍金的神秘輻射,而且據預測,這種輻射非常微弱,他們可能永遠也不會觀測到。
這就是為什麼今天的科學家正在創造他們自己的黑洞以色列理工學院的研究人員做到了這一點。他們用幾千個原子創造了一個類似的黑洞。他們試圖證實霍金的兩個最重要的預測,霍金輻射是憑空產生的,它的強度不會隨時間變化,這意味著它是靜止的。
視界重力。黑洞的引力是如此強大以至於連光都無法逃脫它的控制。一旦一個光子或光粒子越過了它的不可返回點,即視界。要想逃離這個邊界,粒子必須打破物理定律,並以比光速更快的速度運動。
霍金表明,儘管任何穿越視界的東西都無法逃脫,但黑洞仍然可以自發地從邊界發出光,這要歸功於量子力學和所謂的“虛粒子”。
正如海森堡的不確定性所解釋的那樣。原則上,即使是完全真空的空間也充滿了一對對“虛擬"粒子,它們會突然出現或消失。
這些具有相反能量的轉瞬即逝的粒子通常幾乎立即相互湮滅。但由於視界處的極端引力作用,霍金認為光子對可能被分離,一個粒子被黑洞吸收,另一個粒子逃逸到太空中。被吸收的光子具有負能量,並以質量的形式從黑洞中減去能量,而逃逸的光子則成為霍金輻射。僅憑這一點,只要有足夠的時間(比宇宙的年齡長得多),黑洞就可以完全蒸發掉。
施泰因豪爾告訴《生活科學》雜誌:“霍金的理論是革命性的,因為他將量子場論的物理學與廣義相對論相結合。”廣義相對論是愛因斯坦描述物質如何扭曲時空的理論。“透過在一個物理例子中研究這兩種理論的結合,它仍然在幫助人們尋找新的物理定律。人們想要驗證這種量子輻射,但這對真正的黑洞來說非常困難,因為與空間的背景輻射相比,霍金輻射是如此微弱。
這個問題激發了施泰因豪爾和他的同事們創造出他們自己的黑洞。
DIY黑洞
研究人員在實驗室培養的黑洞是由大約8000個銣原子組成的流動氣體組成,這些氣體被冷卻到接近絕對零度,並被鐳射束固定。他們創造了一種神秘的物質狀態,被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC),它允許數千個原子共同作用,就像它們是一個原子一樣。
利用第二束鐳射束,該團隊創造了一個勢能懸崖,使氣體像瀑布一樣流動,從而創造了一個視界,其中一半的氣體流動速度比聲速快,另一半流動速度慢。
在這個實驗中,研究小組尋找的是在氣體中自發形成的聲子對,或量子聲波對,而不是光子對。較慢的那一半上的聲子可以逆著氣體流動遠離懸崖。
施泰因豪爾解釋說,當較快一半的聲子被超音速流動氣體的速度捕獲時。“這就像試圖逆著水流游泳,速度比你能遊得快。這就像身處黑洞一樣,一旦你進入了黑洞,你就不可能到達地平線。”
一旦他們發現了這些聲子對,研究人員必須確認它們是否相關,以及霍金輻射是否會隨時間保持不變(如果它是穩定的)。這個過程很棘手,因為每次他們給黑洞拍照時,黑洞都會被拍攝過程中產生的熱量所破壞。
因此,該團隊重複了他們的實驗97000次,連續測量了124天,以找到相關性。最後,他們的耐心得到了回報。施泰因豪爾說:“我們證明了霍金輻射是靜止的,這意味著它不隨時間變化,這正是霍金所預測的。”