射電子波穿越電漿可以揭示黑洞是否永久性地破壞訊息!

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不需要我們親自進入黑洞…

黑洞悖論(black hole paradox)是天文物理學最大的困境之一,黑洞是否真的毀滅進入的每一小片訊息。

藉由加速一陣帶負電荷的電子通過一團電漿,現在,物理學家可能終於有方法來徹底測試這項悖論。

就太空中的物體而言,黑洞幾乎不需要介紹。太靠近它就會被密實的質量吞沒,永遠不會回來。

但是1970年代,包括史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)在內的物理學家提出黑洞不一定是永恆的。

由於量子力學的奇特,粒子確實輻射遠離黑洞。霍金假設,從理論上來說,這意味著黑洞會隨著時間慢慢蒸發掉。

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這就造成了悖論。訊息是宇宙材料的基本編碼,不能就這麼消失;這是一個大規則。但是當一個黑洞蒸發掉時,它一肚子的訊息到哪裡呢?

一個線索可能在霍金描述的輻射本質中被發現。當一對虛擬粒子就在緊靠著黑洞的無回頭線(line of no return),也就是事件視界(event horizon),突然出現時,這種形式的輻射就會出現。

通常,這類成對的粒子相互抵消,而宇宙還是讓人不明白的。但是在霍金輻射的情況,這些粒子之一落進視界,進入黑洞的重力控制。另一顆則以真正的粒子,赤裸裸地逃進宇宙。

物理學家從理論上說明,由於量子動力學的怪異,這顆逃脫的粒子保留了成對粒子的訊息。在這種情況下,纏結現象會允許粒子繼續共享連結,即使被時空分離,留下任何被黑洞吞噬的永久遺留物。

為了證明這點,物理學家可以捕捉一顆逃離黑洞事件視界的粒子,然後等待黑洞在很多年後溢出它的內容,來測試光子和它的糾纏配對之間是否的確有相關性。這個,讓我們面對現實吧!是完全不實際的。

現在,來自國立台灣大學的陳丕燊(Pisin Chen)和來自法國巴黎綜合理工學院(École Polytechnique)的杰勒德‧穆魯(Gerard Mourou)描述一種稍微更簡單的方法。

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他們認為一面高科技的’加速鏡子’應該提供分離的纏結粒子相同的機會。

聽起來很奇怪,但當一對粒子迅速出現在這個假設實驗中,一顆會從加速鏡反射,而另一個被困在邊界,就像它可能會在黑洞發生。

一旦鏡子停止移動,’受困的’光子會被釋放,就像能量會被垂死的黑洞釋放。

陳和穆魯的鏡子是藉由脈衝產生X射線雷射,通過一團在電漿尾跡場加速器(plasma wakefield accelerator)中的電離氣體雲所製成的。脈衝會留下帶負電荷的電子痕跡,可以充當一面很好的鏡子。

藉由在足夠小的尺度上改變電漿的密度,這個’鏡子’會加速離開雷射脈衝。

和概念一樣靈巧的是,實驗仍然是在’思想泡沫’階段。即使有既定的方法和值得信賴的設備,糾纏的測量是很棘手的。

而霍金輻射本身還沒有被觀察到是真實的。

然而,陳和穆魯的模型可以利用現有技術來建造,而且如同研究人員在他們的論文中指出,也可以用來測試其他黑洞物理學的假設。

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至少,它聽起來比一直等到黑洞前面的時間結束更加吸引人。

這項研究發表於物理評論快報(Physical Review Letters)

來源:ScienceAlert