為了證明霍金的理論 科學家竟然造出了黑洞

為了證明霍金的理論 科學家竟然造出了黑洞

黑洞是外太空中最奇怪、最迷人的物體之一。它們的密度極高，有著強大的引力。如果足夠近的話，即使是光也無法從黑洞身旁逃脫。黑洞的神秘屬性一直備受科學界關註。

Stephen William Hawking 圖源：牛津大學

1974年，斯蒂芬•霍金（Stephen Hawking）提出一個理論：黑洞並不是天文學家想像的那種漆黑的恒星吞噬者，而是自身能夠發光。這種現象現在被稱為霍金輻射。然而，這種神秘輻射因為太過暗淡而從來沒有被觀測到過。

為了搞清楚霍金輻射的奧秘，以色列的科學家拼了。他們用幾千個原子模擬出了一個黑洞，試圖證實霍金的兩個預言：霍金輻射是從虛無中產生的；霍金輻射不會隨著時間的推移而變化，它是靜止的。

「黑洞應該像黑體一樣輻射，而黑體本質上是一個發出恒定紅外輻射的溫暖物體。」研究項目成員、以色列理工學院理學副教授傑夫•斯坦豪爾（Jeff Steinhauer）表示，該項研究證明了霍金的理論：黑洞和普通恒星一樣，總是不斷地發射某種類型的輻射。

黑洞的引力非常強大，有著連光都不能逃脫的視界。為了逃離這個邊界，一個粒子必須打破物理定律，以超過光速的速度運動。霍金認為，盡管穿越視界的物體無法逃逸，但由於量子力學和所謂的「虛擬粒子」，黑洞仍然可以自發地從邊界發射光。

根據海森堡的不確定性原理，即使是完全真空的空間，也存在一對「虛擬粒子」。它們時而存在，時而不存在。這些能量相反的飛逝粒子通常會幾乎立即相互湮滅。但是由於視界上的極端引力，霍金認為光子對可以分離，一個粒子被黑洞吸收，另一個逃逸到太空中。被吸收的光子具有負能量，以質量的形式從黑洞中減去能量。而逃逸的光子則變成霍金輻射。所以只要有足夠的時間，黑洞就可以完全蒸發掉。即便這個時間要比宇宙的年齡長得多。

霍金的理論是革命性的。他把量子物理與廣義相對論結合起來。然而當人們希望驗證這一理論時卻非常困難。因為黑洞的霍金輻射非常微弱。對此，斯坦豪爾和他的研究團隊決定「造」一個黑洞出來。

模擬大麥哲倫星雲前的黑洞

研究人員在實驗室「造出」的黑洞，是由大約8000個銣原子組成的流動氣體冷卻到接近絕對零度，並用激光束固定在原地形成。他們創造了一種神秘的物質狀態，被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC），這使得成千上萬的原子可以像單個原子一樣協同作用。

利用第二束激光，研究小組創造了一個勢能懸崖，負氣體像水一樣順著瀑布流下，從而形成了一個視界，其中一半氣體的流動速度比聲速快，另一半則慢。在這個實驗中，研究小組尋找的是在氣體中自發形成的聲子對或量子聲波，而不是光子對。斯坦豪爾解釋說：「慢半部的聲子可以逆著氣流移動，遠離懸崖，而快半部的聲子則被超音速流動氣體的速度困住了。」這就像在水流中遊泳，水流比你遊得快。」

一旦他們發現了這些聲子對，研究人員必須確認它們是否相幹，以及霍金輻射是否隨時間保持不變。這一過程很棘手，因為每次他們拍下「黑洞」的照片，它都會被這一過程中產生的熱量所破壞。因此，研究小組重復實驗達97000次，延續測量124天以上，以找出相幹性。最後，他們的耐心終於得到了回報。

「我們證明了霍金輻射是靜止的，它不會隨時間而變化，這正是霍金所預測的那樣。」斯坦豪爾說。

參考文獻：

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