物理學家在實驗室裡製造出「黑洞」,證明霍金輻射確實存在

    加入我們永遠收到最新的消息

large-1471015959-cover-image

科學家們可能已經發現,正如霍金(Hawking)方程式所預測的,聲子(Phonons)的確有從黑洞裡洩漏出來。聲子是構成聲波的非常小的能量包。

存活於一個黑洞

大約42年前,著名的理論物理學家史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 提出,不是所有與黑洞接觸過的東西都會屈服於其難以置信的虛無。微小的光子(Photons)有時會被彈出來,因此搶奪了黑洞的無限小能量,而隨著時間的推移質量逐漸喪失,而這也意味著每個黑洞最終都會消失不見。

hawkingpair

這些被稱為霍金輻射 (Hawking Radiation)的逃逸的粒子幫我們更了解宇宙中最大的謎之一,但是至今已過了四十多年,卻還是沒人能夠真正證明它們的存在,這使霍金的提案一直停留在假設的階段中。可是如今因為有了兩組獨立研究人員的報告,這些有可能即將改變,因為他們已經找到可以拿來支持霍金的提案的證據,也因此這很可能使最偉大的物理學家終於有機會贏得諾貝爾獎。

 理解其理論

讓我們回到西元1974年,所有事物的開始的那年。霍金與來自普林斯頓大學 (Princeton University) 的研究生,雅各布·貝肯斯坦 (Jacob Bekenstein) 起了一個爭論,因為他在他的博士論文當中提出了黑洞的熵與黑洞事件視界 (Event Horizon)的面積是成比例的。黑洞的熵是系統裡的「混亂」而這與其體積、能量、壓力和溫度都有關。

正如丹尼斯·弗柏比 (Dennis Overbye) 在「紐約時報」中的解釋,這是一個問題,因為根據當時被廣泛接受的物理規則裡,包括霍金自己的發現,黑洞的熵和體積是永遠不會減少的。

霍金研究了貝肯斯坦的說法,然後也很快地意識到原來他是錯的。「霍金博士做了一個很大的計算,包括了控制次原子的奇特規則,另稱量子理論,並驚訝地發現了原來粒子也會脫離黑洞,這也表示其實黑洞原來並不是那麼的黑」弗柏比寫道

霍金提出,宇宙充滿了「虛擬粒子」,若是根據我們所知的量子力學,粒子會一瞬間消失和回來,那它們一旦接觸到對方就會殲滅對方,除非它們恰好出現在黑洞事件視界的任一邊。基本上,一個粒子被黑洞吞沒,另一個粒子就會被輻射射回太空

13576

霍金輻射的存在回答了許多關於黑洞如何操作的問題,但在這過程中他也提出了一系列物理學家仍在努力調查的問題

「他所發現的黑洞的熵與黑洞的表面積成比例的理論比任何理論物理學的結果來得更重要或更有影響力」加拿大理論物理學周邊研究所 (Perimeter Institute for Theoretical Physics)的理論物理學家李斯莫林 (Lee Smolin)說道。

雖然貝肯斯坦 (Bekenstein) 在西元2012年獲得了沃爾夫獎 (Wolf Prize) ,也在西元2015年獲得了美國物理學會的愛因斯坦獎,「紐約時報」報告說他的發現是諾貝爾獎的前導,但這兩位科學家都沒有被授予最負盛名的科學獎。貝肯斯坦於去年去世了,但霍金現在比以往更接近更可能可以目睹到它們的假設被證明為事實。 那問題呢?記住,當我說逃脫的光子每次逃脫時都從黑洞中偷走了無限的能量。好吧,不幸的是霍金,這種輻射是如此的精緻,幾乎不可能從幾千光年檢測到它。

blackhole_birth

前進的道路是甚麼?

但來自以色列海法 (Haifa) 的以色列理工學院 (Technion University)的物理學家Jeff Steinhauer認為他找到了一個解決方案,若是我們不能用我們現在最好的儀器檢測到在遠離我們數千光年的實際黑洞中的霍金輻射,為什麼不把黑洞帶到我們最好的儀器? 正如奧利弗·穆迪(Oliver Moody)給予泰晤士報(The Times)的報導內容裡說到,Steinhauer在實驗室成功的設法創造出一個由聲波製成的「黑洞」,當他開始運作黑洞時,他目睹了粒子從邊緣竊取能量。 他在物理網站arXiv.org發表了一篇他在實驗室裡所做的文章,而在文章中Steinhauer提到他將氦氣冷卻到剛好高於絕對零度,然後快速的攪動它,它便形成了一個聲音照道理應該不能通過的「屏障」。

artificial-black-hole-created-inside-lab

「Steinhauer聲稱他發現了一些跡象,聲子(Phonons)的確有從黑洞裡洩漏出來。聲子是構成聲波的非常小的能量包」穆迪報告

要弄清楚的是這個實驗的結果還沒有經過同行評估,這才是為甚麼他把所有事情公開放在arXiv.org的重點。這實驗的結果現在正在被世界各地的物理學家討論著,他們已經證明了這結果確實有爭議性,但值得讓他們去做進一步調查。

「實驗是完美的,Steinhauer做了一個驚人的研究,但他提出的一些議題是可以辯論的。但這是值得討論的」來自英國諾丁漢大學 (University of Nottingham)的物理學家Silke Weinfurtner 告訴泰晤士報

pw-2016-08-15-hawking-radiation

Weinfurtner正在操作她自己的實驗來嘗試檢測霍金輻射。

同時,上個月物理評論快報 (Physical Review Letters) 所發表的一篇論文發現了另一種加強霍金輻射研究的方法。來自渥太華大學 (University of Ottawa)的物理學家克里斯‧阿達米(Chris Adami)和卡米爾·布萊德勒(Kamil Bradler)描述了一種能允許他們隨著時間的推移而跟隨著黑洞的新技術。

這是一件令人興奮的消息,因為它意味著在事件視界上所通過的任何信息或物質將不會「消失」,而是在黑洞蒸發的後期階段慢慢洩漏出來。

quantum_black-hole

「為了執行這個計算,我們不得不猜測一個黑洞如何與周圍的霍金輻射場相互互動。這是因為目前沒有量子力學的理論可以提出這種相互互動的能力。然而,我們似乎做了一個良好的猜測,因為我們的模型相當於霍金不變黑洞的極限的理論」阿達米在綜合報導中說道。這兩個結果現在還需要確認,但這也表示我們更接近能找到解決方案的階段,我們可以如何確認或反對霍金輻射的存在,這無可否認的是一個好消息。正如穆迪所指出的,預測希格斯玻色子(Higgs boson)存在的彼得·希格斯(Peter Higgs)不得不等待49年才得到諾貝爾獎,所以我們必須繼續耐心的等待才能看到霍金是否也可以得到自己的諾貝爾獎。

來源: Futurism