物理學(xué)家打造聲音黑洞欲解黑洞蒸發(fā)之謎(圖)

　　研究人員認(rèn)為，通過提高原子速度穿過圖片中央的黑色間隙，他們能夠創(chuàng)造一個(gè)聲學(xué)黑洞。這個(gè)人造黑洞能夠產(chǎn)生世界上第一個(gè)可探測(cè)的霍金輻射。

　　北京時(shí)間6月18日消息，據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，以色列物理學(xué)家創(chuàng)造了一個(gè)可捕獲聲音而不是光線的人造黑洞，并試圖借助這個(gè)黑洞探測(cè)理論上存在的“霍金輻射”。霍金輻射是由著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金(StephenHawking)在30多年前提出來的，能夠讓黑洞隨時(shí)間流逝逐漸蒸發(fā)直至消失。

　　目光鎖定量子態(tài)

　　天體物理學(xué)認(rèn)為，當(dāng)物質(zhì)密度達(dá)到足夠大并塌陷后一個(gè)被稱之為“奇點(diǎn)”的點(diǎn)時(shí)，黑洞就會(huì)形成。黑洞擁有驚人引力，任何物質(zhì)——甚至光線在內(nèi)都無法逃脫黑洞周圍一個(gè)被稱之為“事件視界”的邊界拖拽，簡(jiǎn)單地說就是被黑洞吞噬。

　　但物理學(xué)家也可以創(chuàng)造只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(zhì)中移動(dòng)，在介質(zhì)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(dòng)的河流中游動(dòng)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(xué)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(zhì)的一種量子態(tài)，此時(shí)的原子團(tuán)行為與單個(gè)原子類似。在此之前，科學(xué)家已經(jīng)能夠讓冷凝物以超音速移動(dòng)。美國(guó)科羅拉多州大學(xué)博爾德分校的埃里克·科內(nèi)爾(EricCornell)表示，在操縱“玻色-愛因斯坦”冷凝物過程中，物理學(xué)家能夠創(chuàng)造聲學(xué)黑洞。

　　因在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)“玻色-愛因斯坦”凝聚現(xiàn)象，科內(nèi)爾曾分享2001年諾貝爾獎(jiǎng)。他說，海法以色列理工學(xué)院的杰夫·斯蒂恩豪爾(JeffSteinhauer)及其同事進(jìn)行的一項(xiàng)新研究，是第一次目標(biāo)直指在“玻色-愛因斯坦”冷凝物中產(chǎn)生霍金輻射的有證可考的實(shí)驗(yàn)。

　　超音速流形成聲學(xué)黑洞

　　實(shí)驗(yàn)過程中，斯蒂恩豪爾等人將大約10萬個(gè)帶電銣原子冷卻到只比絕對(duì)零度高出不到十億分之十的溫度，同時(shí)借助磁場(chǎng)捕獲這些原子。在一束激光的幫助下，研究人員隨后創(chuàng)建一個(gè)電勢(shì)井以吸引銣原子同時(shí)促使它們?cè)谶@種材料中以超音速Z字形穿過電勢(shì)井。這一過程產(chǎn)生了一個(gè)持續(xù)8毫秒左右的超音速流，進(jìn)而快速形成一個(gè)能夠捕獲聲音的聲學(xué)黑洞。創(chuàng)造人造黑洞具有非常重要的意義，能夠促使科學(xué)家第一次探測(cè)霍金輻射。

　　量子力學(xué)認(rèn)為，成對(duì)粒子可以自然而然地在真空區(qū)出現(xiàn)。在彼此湮滅并最終雙雙消失前，成對(duì)粒子——由一個(gè)粒子及其反粒子構(gòu)成——可以存在非常短暫的時(shí)間。霍金在上世紀(jì)70年代指出，如果成對(duì)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(duì)于觀察者而言，這個(gè)粒子將以輻射的方式存在。在聲學(xué)黑洞中，霍金輻射將以類似粒子的振動(dòng)能量包形態(tài)存在，也就是所說的“聲子”。

　　探測(cè)霍金輻射具有重要意義

　　加州理工學(xué)院宇宙學(xué)家肖恩·卡洛爾(SeanCarroll)表示，尋找霍金輻射對(duì)物理學(xué)來說具有非常重要的意義�？�洛爾在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(shí)說：“單憑提出霍金輻射存在這一項(xiàng)成就，斯蒂芬·霍金就可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)。這一假設(shè)告訴我們，我們正朝正確的道路邁進(jìn)。”

　　霍金的理論提出了有關(guān)量子力學(xué)如何適用于被引力扭曲的太空環(huán)境的一些基本觀點(diǎn)。量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)則被用于計(jì)算宇宙在膨脹期內(nèi)如何運(yùn)轉(zhuǎn)，所謂的膨脹是指太空在大爆炸后不久快速擴(kuò)張。但利用天文學(xué)觀測(cè)手段探測(cè)霍金輻射并不是一件容易的事情，原因在于：典型黑洞的蒸發(fā)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(xué)黑洞探測(cè)霍金輻射之前，研究人員仍有很長(zhǎng)的一段路要走。據(jù)斯蒂恩豪爾研究小組估計(jì)，原子進(jìn)入其裝置的速度大約要提高9倍，才能創(chuàng)造以聲子形態(tài)存在的可探測(cè)的霍金輻射。加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學(xué)的比爾·尤魯(BillUnruh)表示：“探測(cè)聲學(xué)黑洞產(chǎn)生的聲波絕對(duì)是一項(xiàng)艱難任務(wù)，但同時(shí)也是令人興奮的第一步。”尤魯率先提出利用量子流創(chuàng)造人造事件視界的想法。

　　對(duì)此持贊同態(tài)度的科內(nèi)爾指出，以色列研究小組需要?jiǎng)?chuàng)造更為平穩(wěn)的“玻色-愛因斯坦”冷凝物流，以測(cè)量霍金輻射的微妙跡象。他在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(shí)說：“他們所做的工作采取了相對(duì)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(xiàng)工作，這樣才能發(fā)現(xiàn)對(duì)‘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(dòng)之外所有微小的波動(dòng)。”科內(nèi)爾及其同事正在研制他們自己的實(shí)驗(yàn)裝置以制造聲學(xué)事件視界。

　　激光脈沖

　　其他科學(xué)家則希望在實(shí)驗(yàn)室利用光線產(chǎn)生可探測(cè)的霍金輻射。2008年，一支研究小組在光學(xué)纖維中創(chuàng)造了一個(gè)人造事件視界，以研究不同波長(zhǎng)光線以不同速度在光纖中移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中，他們讓一個(gè)速度相對(duì)較慢的激光脈沖穿過光纖。由于脈沖扭曲了光纖的光學(xué)性質(zhì)，當(dāng)?shù)诙�個(gè)激光脈沖追趕到第一個(gè)脈沖時(shí)，它的速度減慢并在第一個(gè)脈沖類似事件視界的前緣之后被捕獲。

　　產(chǎn)生一個(gè)在天體物理學(xué)上可探測(cè)的霍金輻射似乎仍舊是可能的。由于黑洞的體積越小，霍金輻射的能量就越大，一些研究人員認(rèn)為，在美國(guó)宇航局2008年發(fā)射的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡幫助下，在大爆炸之后立即出現(xiàn)的微型黑洞蒸發(fā)是可以被探測(cè)到的。