[新聞] 實驗室模擬聲子黑洞 驗證霍金輻射 與霍金
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實驗室模擬「聲子黑洞」驗證霍金輻射,與霍金預測結果一致
宇宙中的黑洞到底會不會發出理論預言的霍金輻射,並逐漸蒸發消失?時至今日,霍金輻
射仍未被實際觀測到,但來自以色列的科學家現已在實驗室中,間接證實了「霍金輻射」
的存在。
根據愛因斯坦廣義相對論推敲,宇宙中存有一種質量無比巨大的天體──黑洞,它的引力
強到連傳播速度最快的光子都無法逃離,也因此,廣義相對論下的黑洞不會發射任何電磁
輻射(都被黑洞吸收掉了)。
但霍金卻於 1974 年提出另一理論,當加入量子效應時,某些情況下並非所有物質都會落
入黑洞,比如一對相互糾纏的粒子在強烈重力場中被製造出來時,其中一個粒子會墜入黑
洞,另一個則會逃離,這些大量逃脫的糾纏粒子也就是自黑洞邊緣發散的熱輻射,稱為霍
金輻射(Hawking radiation)。
問題是,這種「熱」太過微弱了。目前理論指出,所有已知黑洞的溫度都低於宇宙微波背
景(CMB)溫度,一個質量跟太陽差不多的黑洞其溫度只有 60nK,換句話說,如果僅用現
有的儀器技術觀測,則微弱的霍金輻射永遠被掩蓋在黑洞吸收的輻射之下。
為了驗證霍金輻射真實性,研究人員一直在實驗室中製造模擬黑洞,而現在,由以色列理
工學院物理學家 Jeff Steinhauer 領導的團隊,似乎證實了霍金最著名的預言之一。
和真正黑洞不同的點在於,模擬黑洞吸收的是「聲子」而非「光子」,研究人員利用成對
的聲子來作為真實黑洞中糾纏粒子的替代物。
2009 年時,Jeff Steinhauer 團隊就曾用 100,000 個冷卻銣原子組成的玻色–愛因斯坦
凝態(Bose–Einstein condensate,BEC,註),簡單做出一個模擬黑洞,當年 Jeff
Steinhauer 推斷在模擬系統中,假如真的有糾纏的聲子被拆開,那麼聲波應該會從事件
視界中出現,就像霍金輻射從真正的黑洞邊緣流出一樣──他等到了 2016 年,終於宣布
觀察到由模擬黑洞發出的糾纏聲子。
現在,Jeff Steinhauer 改進了裝置靈敏度使其能產生更強訊號,並且這次實驗使用
8,000 個銣原子製造玻色–愛因斯坦凝態,再次證明成對聲子出現在模擬事件視界,其中
一個加速逃逸,另一個則被吸收,並且測量聲子可以估算溫度,結果正如霍金預測那般。
然而,如果霍金輻射是對的,就表明隨著黑洞逐漸蒸發消失,訊息可能會丟失,這違反了
量子力學的定義。科學家目前還不知道新研究能否幫助解決黑洞資訊悖論,我們必須盡快
提出結合重力和量子力學的全新量子重力理論。
新論文發表在《自然》(Nature)期刊。
註:「玻色–愛因斯坦凝態」為原子在接近絕對零度時,所呈現出一種氣態、超流性的物
質狀態,一些奇異量子物理現象可以在該尺度下觀察。
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