为了证明霍金的理论 科学家竟然造出了黑洞

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黑洞是外太空中最奇怪、最迷人的物体之一。它们的密度极高，有着强大的引力。如果足够近的话，即使是光也无法从黑洞身旁逃脱。黑洞的神秘属性一直备受科学界关注。

Stephen William Hawking  图源：牛津大学

1974年，斯蒂芬•霍金（Stephen Hawking）提出一个理论：黑洞并不是天文学家想象的那种漆黑的恒星吞噬者，而是自身能够发光。这种现象现在被称为霍金辐射。然而，这种神秘辐射因为太过暗淡而从来没有被观测到过。

为了搞清楚霍金辐射的奥秘，以色列的科学家拼了。他们用几千个原子模拟出了一个黑洞，试图证实霍金的两个预言：霍金辐射是从虚无中产生的；霍金辐射不会随着时间的推移而变化，它是静止的。

“黑洞应该像黑体一样辐射，而黑体本质上是一个发出恒定红外辐射的温暖物体。”研究项目成员、以色列理工学院理学副教授杰夫•斯坦豪尔（Jeff Steinhauer）表示，该项研究证明了霍金的理论：黑洞和普通恒星一样，总是不断地发射某种类型的辐射。

黑洞的引力非常强大，有着连光都不能逃脱的视界。为了逃离这个边界，一个粒子必须打破物理定律，以超过光速的速度运动。霍金认为，尽管穿越视界的物体无法逃逸，但由于量子力学和所谓的“虚拟粒子”，黑洞仍然可以自发地从边界发射光。

根据海森堡的不确定性原理，即使是完全真空的空间，也存在一对“虚拟粒子”。它们时而存在，时而不存在。这些能量相反的飞逝粒子通常会几乎立即相互湮灭。但是由于视界上的极端引力，霍金认为光子对可以分离，一个粒子被黑洞吸收，另一个逃逸到太空中。被吸收的光子具有负能量，以质量的形式从黑洞中减去能量。而逃逸的光子则变成霍金辐射。所以只要有足够的时间，黑洞就可以完全蒸发掉。即便这个时间要比宇宙的年龄长得多。

霍金的理论是革命性的。他把量子物理与广义相对论结合起来。然而当人们希望验证这一理论时却非常困难。因为黑洞的霍金辐射非常微弱。对此，斯坦豪尔和他的研究团队决定“造”一个黑洞出来。

模拟大麦哲伦星云前的黑洞

研究人员在实验室“造出”的黑洞，是由大约8000个铷原子组成的流动气体冷却到接近绝对零度，并用激光束固定在原地形成。他们创造了一种神秘的物质状态，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），这使得成千上万的原子可以像单个原子一样协同作用。 

利用第二束激光，研究小组创造了一个势能悬崖，使气体像水一样顺着瀑布流下，从而形成了一个视界，其中一半气体的流动速度比声速快，另一半则慢。在这个实验中，研究小组寻找的是在气体中自发形成的声子对或量子声波，而不是光子对。斯坦豪尔解释说：“慢半部的声子可以逆着气流移动，远离悬崖，而快半部的声子则被超音速流动气体的速度困住了。”这就像在水流中游泳，水流比你游得快。”

一旦他们发现了这些声子对，研究人员必须确认它们是否相关，以及霍金辐射是否随时间保持不变。这一过程很棘手，因为每次他们拍下“黑洞”的照片，它都会被这一过程中产生的热量所破坏。因此，研究小组重复实验达97000次，连续测量124天以上，以找出相关性。最后，他们的耐心终于得到了回报。

 “我们证明了霍金辐射是静止的，它不会随时间而变化，这正是霍金所预测的那样。”斯坦豪尔说。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41567-020-01076-0?utm_medium=affiliate&utm_source=commission_junction&utm_campaign=3_nsn6445_deeplink_PID100052172&utm_content=deeplink#ref-CR3

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