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新研究表明霍金是对的:黑洞会蒸发消失

2019-6-12@艾米 0 评论

1974年,斯蒂芬·霍金做出了他最著名的预测之一: 黑洞最终完全蒸发。

根据霍金的理论,黑洞并非完全是黑色的,而是实际在发射粒子。霍金相信,这种辐射(被命名为 霍金辐射)最终会从黑洞吸走足够的能量和质量,使它们消失。人们普遍认为这一理论是正确的,但一度认为几乎不可能证明这一点。(相关内容,走近科学,什么是黑洞信息悖论?

黑洞会蒸发消失

然而,物理学家第一次证明了这种难以捉摸的霍金辐射,至少在实验室中如此。虽然霍金辐射太过微弱,以至于我们目前的仪器无法在太空中探测到,但物理学家现在已经在黑洞模拟中看到了这种辐射,这种辐射是利用声波和宇宙中一些最冷、最奇怪的物质产生的。

黑洞施加了如此强大的引力,即使是以光速传播的光子也无法逃脱。虽然空间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中充满了在物质-反物质对中飞入或飞出的虚拟粒子。(反物质粒子的质量与其对应的物质相同,但电荷相反。)

通常,在一对虚拟粒子出现后,它们会立即相互湮灭。然而,在黑洞旁边,极端的引力反而将粒子拉开,一个粒子被黑洞吸收,另一粒子射向太空。吸收的粒子具有负能量,这减少了黑洞的能量和质量。吞下足够的这些虚拟粒子,黑洞最终会蒸发。逃逸的粒子被称为霍金辐射。

这种辐射足够弱,以至于我们现在不可能在太空中观察它,但物理学家已经想出了非常有创意的方法以便在实验室中测量它。

瀑布事件视界

海法以色列理工学院的物理学家杰夫·斯坦豪尔(Jeff Steinhauer)和他的同事们用一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的极冷气体来模拟黑洞的视界,这是一个无法逃脱的无形边界。在这股气体的流动中,他们放置了一个悬崖,形成了一个“瀑布”的气体;当气体流过瀑布时,它将足够的势能转化为动能,以比声速更快的速度流动。

研究人员在气流中使用了成对的声子或量子声波,而不是物质和反物质粒子。缓慢的一侧的声子可以逆着气流远离瀑布,而快速侧的声子不能,被“黑洞”的超音速气体困住了。

斯坦豪尔称:“这就像如果你试图逆流而上,比你能游泳的速度还快。你会觉得自己在前进,但其实你在后退。这类似于黑洞中的光子试图走出黑洞,但被引力拉错了方向。”

霍金预测,发射粒子的辐射将是波长和能量的连续光谱。他还说,它可以通过仅依赖于黑洞质量的单一温度来描述。最近的实验证实了声波黑洞中的这两个预测。

这些实验是一种力量之旅,也是一个非常精确的实验。这项研究没有显示声子对在量子水平上的相关性,这是霍金的预测的另一个重要方面。所以,探索将继续,远未结束。

本文源自 Live Science ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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