霍金輻射介紹

1974年，史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出了理論，認(rèn)為宇宙中最暗的引力龐然大物，即黑洞，不是天文學(xué)家想象的那種吞噬黑星的吞食者，而是它們自發(fā)地發(fā)光——這種現(xiàn)象現(xiàn)在被稱(chēng)為霍金輻射。

實(shí)驗(yàn)室形成的黑洞的行為是怎么回事

沒(méi)有天文學(xué)家觀察到霍金的神秘輻射，而且由于預(yù)測(cè)它非常暗，所以他們可能永遠(yuǎn)不會(huì)觀察到。這就是為什么今天的科學(xué)家正在制造自己的黑洞的原因。

以色列理工學(xué)院的研究人員就是這樣做的。他們用幾千個(gè)原子創(chuàng)造了一個(gè)黑洞類(lèi)似物。他們?cè)噲D確認(rèn)霍金的兩個(gè)最重要的預(yù)測(cè)，即霍金輻射是一無(wú)所有而產(chǎn)生的，并且其強(qiáng)度不會(huì)隨時(shí)間變化，這意味著它是靜止的。

“黑洞應(yīng)該煥發(fā)像一個(gè)黑色的機(jī)身，它本質(zhì)上是一個(gè)溫暖的對(duì)象，發(fā)出持續(xù)的紅外輻射，”研究的共同作者杰夫·斯坦豪爾，物理學(xué)在技術(shù)Technion工業(yè)以色列理工學(xué)院副教授，在聲明中說(shuō)。“霍金建議黑洞就像規(guī)則的恒星一樣，恒星一直不斷地發(fā)出某種類(lèi)型的輻射。這就是我們想要在研究中證實(shí)的，并且我們做到了。”

黑洞的引力是如此強(qiáng)大，以至于一旦光子或輕粒子越過(guò)其不可返回點(diǎn)(稱(chēng)為事件視界)，甚至沒(méi)有光無(wú)法逃脫其控制 。為了逃避這個(gè)邊界，粒子將不得不打破物理定律并且以比光速更快的速度傳播。

霍金指出，盡管有任何穿過(guò)事件視界的東西都無(wú)法逃脫，但是由于量子力學(xué)和所謂的“虛擬粒子”，黑洞仍然可以自發(fā)地從邊界發(fā)射光。

正如海森堡的不確定性原理所解釋的那樣，即使是空間的完全真空也充滿了成對(duì)出現(xiàn)和消失的“虛擬”粒子。這些具有相反能量的短暫粒子通常幾乎立即相互殲滅。但是由于事件視界的極端引力，霍金建議可以分離成對(duì)的光子，一個(gè)粒子被黑洞吸收，另一個(gè)粒子逃逸進(jìn)入太空。被吸收的光子具有負(fù)能量，并從黑洞中減去質(zhì)量形式的能量，而逃逸的光子變成霍金輻射。僅憑這一點(diǎn)，如果有足夠的時(shí)間(比宇宙的壽命更長(zhǎng)的時(shí)間)，黑洞可能會(huì)完全蒸發(fā)掉。

斯坦因豪爾對(duì)《生命科學(xué)》說(shuō)：“霍金的理論是革命性的，因?yàn)樗麑⒘孔訄?chǎng)論的物理學(xué)與廣義相對(duì)論結(jié)合在一起。”愛(ài)因斯坦的理論描述了物質(zhì)如何使時(shí)空扭曲。“通過(guò)在物理示例中研究這兩種理論的結(jié)合，仍在幫助人們尋找新的物理定律。人們想驗(yàn)證這種量子輻射，但是對(duì)于真正的黑洞卻很難，因?yàn)榛艚疠椛湎啾戎率侨绱宋⑷酰臻g的背景輻射。”

這個(gè)問(wèn)題激發(fā)了Steinhauer和他的同事們創(chuàng)造了自己的黑洞一個(gè)比實(shí)際交易更安全，更小的黑洞。

研究人員的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的黑洞制成約8000的流動(dòng)氣體的銣原子冷卻到由激光束幾乎絕對(duì)零度和保持在適當(dāng)位置。他們創(chuàng)造了一種神秘的物質(zhì)態(tài)，稱(chēng)為玻色——愛(ài)因斯坦凝聚物(BEC)，它使成千上萬(wàn)的原子像一個(gè)原子一樣一致地相互作用。

使用第二激光束，所述團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的懸崖勢(shì)能，這引起了氣體流等水沖下來(lái)瀑布，從而產(chǎn)生視界其中氣體的一半比流動(dòng)更快聲速，其他慢一半 在該實(shí)驗(yàn)中，研究小組正在尋找聲子對(duì)，即量子聲波，而不是氣體中自發(fā)形成的光子對(duì)。

Steinhauer解釋說(shuō)，速度較慢的一半上的聲子可以逆著氣流從懸崖上傳播，而速度較快的一半上的聲子則被超音速流動(dòng)氣體的速度所困。“這就像試圖逆流而上，要比游泳快得多。[就像]陷入黑洞一樣，一旦進(jìn)入內(nèi)部，就不可能到達(dá)地平線。”

一旦找到這些聲子對(duì)，研究人員就必須確認(rèn)它們是否相關(guān)，以及霍金輻射是否隨時(shí)間保持恒定(如果靜止)。這個(gè)過(guò)程很棘手，因?yàn)槊看嗡麄兣臄z黑洞照片時(shí)，都會(huì)被過(guò)程中產(chǎn)生的熱量破壞。因此，該團(tuán)隊(duì)重復(fù)進(jìn)行了97,000次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了超過(guò)124天的連續(xù)測(cè)量，以找到相關(guān)性。最后，他們的耐心得到了回報(bào)。

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