人造黑洞证实辐射理论，霍金迎来诺奖桂冠？

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科学理论向来注重观察和验证。无论理论本身如何伟大，在被观察或论证之前，总有那么一丝美中不足。42年前，英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金提出了“霍金辐射”理论。 如今，来自以色列理工学院的物理学家在实验室中创造出了人工“黑洞”，并观察到了支持霍金辐射理论的现象。如果这一发现最终获得认可，霍金将很可能获封诺贝尔奖。

霍金辐射 (Hawking radiation) 是以量子效应理论推测出的一种由黑体散发出来的热辐射。我们通常认为，光线是不能从黑洞中逃脱出来的。但1974年理论物理学家斯蒂芬·霍金提出，从理论上讲会有一些粒子从黑洞的事件视界 (event horizon) 辐射出来，这就是著名的“霍金辐射”。它能够解释如何降低黑洞的质量从而导致黑洞蒸散的现象。

在那之前，霍金曾与普林斯顿大学的雅各布·贝肯斯坦 (Jacob Bekenstein) 发生争论，认为黑洞不可能拥有熵，因为黑洞无法放射出任何物质。而贝肯斯坦则认为黑洞的熵 (即黑洞系统的无序程度) 与其体积、能量以及压力有关；黑洞的温度则与其事件视界面积成比例。

经过一番漫长的计算，霍金发现了自己的错误，最终认为黑洞能够释放出粒子，而这一理论同时也被称为贝肯斯坦·霍金辐射。也就是说，黑洞并没有我们想象的那么黑。

霍金提出，宇宙中充斥着“虚粒子对”。根据我们所理解的量子力学，它们在同一点产生，存在时间极短，当它们发生接触时会立刻泯灭。但如果这一过程正好出现在黑洞事件视界的边缘上，那么其中一个粒子会被黑洞所吞噬，另一个则会辐射出去进入太空。

这一理论回答了关于黑洞行为的很多问题，但同时也为物理学家带了新的困惑。来自加拿大圆周理论物理研究所的李·斯莫林表示：“黑洞的熵与其 (视界) 表面积存在比例关系——在理论物理学领域，没有哪个结论比这一发现更具影响力。”

然而这一理论要如何才能证明呢？要知道，从黑洞逃逸出来的粒子所携带的能量实在是微乎其微，从上千光年之外对其进行探测更是不切实际。来自以色列理工学院的物理学家杰夫·施泰因豪尔 (Jeff Steinhauer) 另辟蹊径——如果我们不能从遥远的真正的黑洞上探测到霍金辐射，那何不把“黑洞”放到我们身边呢？

Jeff Steinhauer

施泰因豪尔在实验中制造出了一个“黑洞”，他将氦冷却到接近绝对零度，并对其快速搅拌，由此形成了一个阻止声波穿过的“屏障”。他发现，从这个声波黑洞中有一些形成光波的微弱能量泄露出来，即声子 (phonon)。这正像是霍金提出的霍金辐射。

目前，这篇论文已登在预印本网站arXiv上，尚未通过同行评议。不过这已经引起了物理学界的兴趣，英国诺丁汉大学物理学家Silke Weinfurtner表示：“这实验简直太美了，杰夫的工作令人惊叹，不过其理论还有待讨论。”

其实这并非唯一能够支持霍金辐射的研究。上个月，渥太华大学物理学家Chris Adami和Kamil Bradler在PRL发表了文章，描述了一种可以追踪黑洞生命历程的新技术。这意味着从事件视界逃离出来的信息或物质并没有“消失”。他们介绍道：“为了进行这种计算，我们需要估算黑洞是如何与其周围的霍金辐射场相互作用的。目前还没有相关的量子引力理论能够解释这种作用，不过我们的推测与霍金的黑洞理论是相一致的。”

当初，彼得·希格斯等待了49年才因其曾预测希格斯玻色子而获得了诺贝尔奖。如今，斯蒂芬·霍金能否也像他一样被载入诺贝尔史册呢？让我们拭目以待。

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参考资料

http://www.sciencealert.com/physicists-have-created-a-black-hole-in-the-lab-and-it-could-finally-confirm-the-existence-of-hawking-radiation

http://www.sciencealert.com/stephen-hawking-just-published-new-solution-to-the-black-hole-information-paradox

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