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科学家用实验证实霍金是对的:黑洞最终会消失

2019-6-11 8:50:07来源:凤凰科技作者:霜叶责编:孤城评论:

北京时间6月11日消息,1974年,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)做出了他最著名的预测之一:黑洞最终会完全消失。

根据霍金的理论,黑洞并不完全是“黑”的,实际上会向外辐射粒子。霍金认为,这种辐射最终会从黑洞中吸走足够多能量和质量,造成黑洞消失。虽然这一理论被广泛认为是正确的,但曾经被认为几乎无法得到证明。

但是,物理学家第一次证实了这种难以捉摸的霍金辐射——至少在实验室中证实了它的存在。由于霍金辐射过于微弱,我们目前的仪器无法在太空中探测到霍金辐射,但现在物理学家已经利用一个模拟黑洞观察到了霍金辐射,他们利用声波和宇宙中一些温度最低、最奇怪的物质模拟了黑洞。

粒子对

黑洞的引力异常强大,即使是运动速度达到光速的光子也无法逃脱它的引力。虽然太空中的真空通常被认为是空的,但量子力学的不确定性,决定了真空充满了虚拟粒子——物质粒子和反物质粒子对。反物质与对应的物质具有相同的质量,但带有相反的电荷。

通常情况下,一对虚拟粒子出现后,它们会立即相互湮灭。但是,在黑洞旁边,异常强大的引力会将粒子对拆散,一个粒子被黑洞吸收,另一个粒子辐射到太空。被黑洞吸收的粒子带有负能量,它们会减少黑洞的能量和质量。吸收足够多的这些虚拟粒子,黑洞最终会消失。逃逸的粒子构成了霍金辐射。

霍金辐射非常弱,我们目前无法在太空中探测到它,但物理学家已经提出非常有创意的方法,在实验室中测量霍金辐射。

瀑布事件视界

物理学家杰夫·斯坦豪尔(Jeff Steinhauer)及其在以色列理工学院的同事,利用一种被称为玻色-爱因斯坦冷凝物的温度极低的气体来模拟黑洞的事件视界。在这种气体的气体流中,他们设置了一处悬崖,形成了一个气体“瀑布”。当气体流过“瀑布”时,它将足够的势能转化为动能,气体流动的速度将超过声速。

研究人员在气流中使用了成对的声子或量子声波,而非物质和反物质粒子。气体流动缓慢一侧的声子,运动方向与气流相反,会远离瀑布,而快速流动一侧的声子无法远离瀑布,会被超音速气体“黑洞”捕捉。

斯坦豪尔向Live Science表示:“这种现象与我们尝试逆着流速超过我们游泳速度的水流游泳相似。我们感觉自己向前进了,但实际上是向后退了。这类似于黑洞中的光子试图从黑洞逃逸,但被引力拉向了相反方向。”

霍金预测,放射粒子的辐射将处于连续的波长和能量频谱中。他还说,这一现象可以通过仅依赖于黑洞质量的温度来描述。最近的实验在声波黑洞中证实了霍金的这两个预测。

巴黎第十一大学理论物理学家雷诺·帕伦塔尼(Renaud Parentani)向Live Science表示,“这些实验太奇妙了。”帕伦塔尼从理论角度研究模拟黑洞,但没有参与这项新研究,“这是一个非常精确的实验。从实验方面来看,斯坦豪尔目前是世界领先的利用冷原子研究黑洞物理现象的专家。”

但帕伦塔尼强调,这项研究是“漫长过程中的一步”,特别是,这项研究没有表明声子对在量子水平上是相关的——这是霍金预测的另一个重要方面。

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关键词:黑洞霍金

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