霍金又對了:人造黑洞證明霍金輻射存在

霍金又對了:人造黑洞證明霍金輻射存在

人造黑洞證明霍金輻射存在

有史以來第一張黑洞的照片證實了愛因斯坦提出的廣義相對論之後,已故的科學家斯蒂芬·霍金的“黑洞輻射”理論現在被證明是正確的。

在《自然》雜誌上最近發表的一篇論文中,以色列科學家們表示他們已經驗證了霍金輻射,該理論假設黑洞由於量子物理和引力的不同因素混合而從其表面發射輻射。

為了驗證這一理論,以色列理工學院的科學家們人工創造了黑洞。

由於缺乏能夠遠距離探測黑洞周圍輻射的儀器,研究人員轉而使用稱為玻色-愛因斯坦凝聚物的量子材料。

通過使用激光捕獲銣原子而產生的材料類似於黑洞,因為它創造了一個“不歸點”。和黑洞一樣,聲音作為光線的替身,在遇到材料時有兩種選擇,它可以遠離或進入材料,但一旦進入它就無法逃脫。

模擬實驗產生了霍金所預測的輻射。

雖然2016年同一研究人員觀察到霍金輻射的初步證據,但他們的第二次,也是最近的實驗能夠證實一系列關於輻射的特徵。

在新的觀察結果中,有關黑洞模擬熱譜和產生的波長的讀數,兩者都與霍金的預測相符。

研究人員的研究結果似乎也有利於霍金關於黑洞悖論的理論,該理論質疑黑洞消耗的物質是否完全喪失。

悖論與霍金關於量子物理學的發現相關。雖然相對論決定能量不能被破壞,只能轉移,霍金輻射似乎表明它可以被消除。

如何調和這一悖論仍然是理論物理學家之間持續存在的爭論。

至於霍金輻射,最近的實驗為它的存在提供了最有力的證據,但仍未達到絕對證明,因為沒有人能夠在實際的黑洞中觀察到這種現象。

研究人員表示,他們計劃繼續進行實驗,希望能夠更深入地瞭解輻射如何隨著時間的推移而變化,直到科學能夠分析真實的東西。

黑洞是一個萬有引力非常大的地方,它周圍的物質會被重力拉進去。按照經典力學分析,黑洞的引力超強,甚至電磁輻射波也無法逃脫。目前雖尚未了解如何統一重力與量子力學,但遠離黑洞之處的重力效應卻微弱到仍然可以使計算結果符合彎曲時空的量子場論框架。霍金表示量子效應允許黑洞發射精確的黑體輻射。電磁輻射彷彿被一個溫度和黑洞的質量成反比的黑體發出。

比如,一太陽質量的黑洞的溫度僅有60nK,但實際上黑洞會吸收比自身發射要多得多的宇宙微波背景輻射。一個質量為4.5×1022 kg的黑洞(與月球質量相近)的溫度會保持在2.7K,並吸收與其發射數量相等的輻射。更小的原生黑洞則會散發比自身吸收更多的輻射,因此逐漸失去質量。

在沒有霍金輻射的概念之前,物理學界存在一個難題,即如果把有很多熵的東西丟進黑洞裡,是否把那些熵給消滅掉了?但熵在宇宙裡是永增不減的,因此這表明黑洞應該也有很多熵,而有熵的任何東西都會釋放黑體輻射,黑洞是否也會釋放黑體輻射,但釋放的機制又如何,霍金輻射就解釋了黑洞釋放黑體輻射的機制。根據海森堡測不準原理,在真空中會瞬間憑空且自然產生許多粒子-反粒子對,並在極短的時間內成對湮滅,在宏觀上沒有質量產生。

雅可夫·鮑裡索維奇·澤爾多維奇、雅各布·貝肯斯坦和史蒂芬·霍金等物理學者將量子力學和廣義相對論結合起來,結果顯示黑洞視界的溫度並非為零,而是會發光,雖然極其微弱。這種光就是所謂的“霍金輻射”。

當成雙成對的粒子,比如電子和正電子,或一對光子在強烈的引力場中被製造出來時,其中一個粒子會墜入黑洞,另一個會逃離,從而產生這種輻射。

如果一個粒子對在黑洞附近形成,由於黑洞的引力場很強,導致配對誕生的正反粒子被扯開,有可能有一個跌入事件視界,而另一個沒有,從而被黑洞的引力提升成實粒子。但這樣就違反了能量守恆定律,因此另一個粒子的質量一定是從黑洞本身的質量而來,這就是黑洞釋放輻射的一個簡化解釋。

基本上,大質量的黑洞可存活比較久一些。一般恆星死亡產生的黑洞可以活1066年,而超大質量黑洞則可以活1090年,霍金輻射也可以說明為什麼我們無法觀測到宇宙誕生時所產生的微黑洞,因為它們已經蒸發殆盡。

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