1.
黑洞，是愛因斯坦基于廣義相對(duì)論作出的最神奇預(yù)言之一。任何事物一旦跨過黑洞的事件視界，便再也無法返回，哪怕是光。在1974年，霍金提出了一個(gè)顛覆性的觀點(diǎn)：黑洞并不是完全黑的，而是會(huì)釋放出熱輻射。他認(rèn)為，微小的粒子流會(huì)從每個(gè)黑洞的邊緣流出，也就是所謂的霍金輻射。
量子物理學(xué)告訴我們，真空并不是完全空的，而是充滿了成對(duì)出現(xiàn)的粒子，它們?cè)诔霈F(xiàn)之后會(huì)立即相互湮滅?；艚鸢l(fā)現(xiàn)，在黑洞事件視界的附近，如果一對(duì)粒子被潮汐引力分開，那么其中一個(gè)粒子會(huì)被黑洞吸收，另一個(gè)粒子則會(huì)以熱輻射的形式被發(fā)射到太空中。被吸收的那個(gè)粒子具有負(fù)能量，會(huì)導(dǎo)致黑洞質(zhì)量的下降。
換句話說，霍金發(fā)現(xiàn)的是一個(gè)會(huì)使黑洞收縮進(jìn)而消失的量子過程。從天體物理學(xué)的角度來看，霍金輻射是一個(gè)決定了黑洞命運(yùn)的過程。與霍金輻射有關(guān)的溫度，也就是霍金溫度，反比于黑洞的質(zhì)量。對(duì)于已觀測(cè)到的最小黑洞（其質(zhì)量與太陽相似）而言，這個(gè)溫度大約是60nK（1nK=10??K）。所以說，想要通過天文觀測(cè)來探測(cè)如此微弱的霍金輻射幾乎是行不通的。
但是，物理學(xué)家們總能想到辦法來尋求突破，他們創(chuàng)建了一些可以描繪這種現(xiàn)象的模擬系統(tǒng)。其中一種模擬黑洞事件視界的方法就是使用由超低溫原子組成的流體。在這種流體中，部分流體的速度會(huì)大于或等于聲波在介質(zhì)中的傳播速度。
在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的聲波必須跟隨流體流動(dòng)，因?yàn)樗鼰o法對(duì)抗強(qiáng)大的流體流動(dòng)而逆向傳播，就如同皮劃艇被困在強(qiáng)大到無法克服的水流中無法前進(jìn)一樣。這樣一來，在這個(gè)區(qū)域的外圍邊緣便形成了一個(gè)類似黑洞事件視界的區(qū)域，阻止了聲波的逃逸。
2.
在一項(xiàng)新的研究中，物理學(xué)家Jeff Steinhauer與同事就在實(shí)驗(yàn)室中制造出了一個(gè)“聲波黑洞”，他們成功地測(cè)量了這個(gè)聲波黑洞輻射出的溫度。在一篇發(fā)表于《自然》期刊的論文中，他們?cè)敿?xì)描述了如何從這個(gè)聲波黑洞中發(fā)現(xiàn)類似的輻射跡象的過程。
他們使用的是超低溫的銣-87原子，然后將這些銣原子冷卻到玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，并使其流動(dòng)。他們用一束激光來限制玻色-愛因斯坦凝聚，再用另一束激光來產(chǎn)生一個(gè)向下的勢(shì)能階躍（在該區(qū)域的勢(shì)能會(huì)急劇下降）。
階躍會(huì)以恒定的速度在玻色-愛因斯坦凝聚中運(yùn)動(dòng)，反過來看，就等同于玻色-愛因斯坦凝聚在一個(gè)將階躍視作為靜止的參照系中以恒定的速度運(yùn)動(dòng)。在階躍上流過的玻色-愛因斯坦凝聚被加速到超音速，從而形成了一個(gè)模擬的黑洞事件視界。
新的研究建立在之前的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)方法相同的研究之上，在那些實(shí)驗(yàn)中，研究人員為了研究霍金輻射也曾采用相同的方法來模擬黑洞事件視界。但物理學(xué)家們只從那些研究中證實(shí)了霍金輻射的跡象，他們并沒有測(cè)量到霍金輻射的溫度。
但在新的研究中，聲波在這種流體中的演化可以精確地模擬出經(jīng)典場(chǎng)或量子場(chǎng)在黑洞事件視界附近的傳播。在這種聲波黑洞中，也可以出現(xiàn)類似“粒子對(duì)”的情況：一對(duì)聲子聲波會(huì)一起出現(xiàn)，其中一個(gè)會(huì)掉進(jìn)去，另一個(gè)會(huì)逃逸。逃逸的聲波以霍金輻射的形式從超音速區(qū)域被發(fā)射出去，另一個(gè)具有負(fù)能量的聲波則被吸收進(jìn)入到這個(gè)區(qū)域。
通過對(duì)逃逸聲子和落入聲子的測(cè)量，研究人員估算出聲子的溫度為0.35nK。這一結(jié)果與霍金的預(yù)測(cè)是相吻合的。
3.
在霍金提出他的理論之后，這種輻射的熱屬性導(dǎo)致了一個(gè)難題，那就是所謂的黑洞信息悖論。根據(jù)量子力學(xué)，信息永遠(yuǎn)不會(huì)被破壞。但是從黑洞中逃逸出來的粒子會(huì)慢慢削弱這個(gè)龐然大物的質(zhì)量，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的一段時(shí)間，這個(gè)黑洞就會(huì)化為烏有。
這意味著落入黑洞的信息將不再包含于其中。如果霍金輻射是熱輻射，那么這些信息就不可能被逃逸的粒子帶走。因?yàn)橐粋€(gè)黑洞的霍金輻射所發(fā)射出的粒子，無法與從溫度相同的普通物體所發(fā)射出的粒子區(qū)分開來，也無法與從另一個(gè)相同質(zhì)量的黑洞所發(fā)射出的粒子區(qū)分開來。這就意味著隨著黑洞的蒸發(fā)，信息丟失了。這與量子力學(xué)是相違背的。
對(duì)于這次新的突破，我們還不清楚它能否幫助我們解決信息悖論。如果最終的解決方案是需要能將引力和量子力學(xué)結(jié)合在一起的量子引力理論，那么新的研究或許就無法幫我們解決信息悖論，因?yàn)槁暡ê诙床⒉皇怯梢Ξa(chǎn)生的。
但新研究的最大新穎之處就在于，他們采用了一種非常巧妙的檢測(cè)方法來提取輻射的溫度，這為模擬黑洞中的霍金溫度提供了第一個(gè)證據(jù)。此外，聲波黑洞還可以被用于研究許多其他有趣的現(xiàn)象，比如量子相關(guān)性。根據(jù)物理學(xué)家的預(yù)測(cè)，在事件視界產(chǎn)生的聲波對(duì)將可以顯示出這種特性。
參考鏈接：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1241-0
[2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-01592-x
[3] https://www.sciencenews.org/article/first-scientists-took-temperature-sonic-black-hole
聯(lián)系客服
