实验室培育的黑洞可能证明史蒂芬霍金最具挑战性的理论是正确的

通过使用原子链模拟黑洞的事件视界,研究人员表明霍金辐射可能正如已故物理学家所描述的那样存在。

艺术家绘制的黑洞插图。 黑洞的中心是奇点的例子。 (图片来源:来自 Getty Images 的 solarseven)
艺术家绘制的黑洞插图。 黑洞的中心是奇点的例子。 (图片来源:来自 Getty Images 的 solarseven)

科学家们创造了一个实验室培育的黑洞模拟物来测试史蒂芬霍金最著名的理论之一——它的行为正如他所预测的那样。

该实验通过使用单行原子链来模拟黑洞的事件视界而创建,进一步证明了霍金的理论,即黑洞应该从在其边界附近随机出现的虚拟粒子发出微弱的辐射.更重要的是,研究人员发现,大多数光粒子或光子应该是在宇宙怪兽的边缘周围产生的。该团队于 11 月 8 日在《物理评论研究》杂志上发表了他们的发现。

根据量子场论,没有真空这样的东西。相反,空间充满了微小的振动,如果充满了足够的能量,这些振动会随机爆发成虚拟粒子——几乎立即相互湮灭的粒子-反粒子对,从而产生光。 1974 年,斯蒂芬·霍金预测,黑洞口(黑洞的事件视界)处感受到的极端引力会以这种方式召唤光子。根据爱因斯坦的广义相对论,引力会扭曲时空,因此量子场越接近黑洞奇点的巨大引力,就会越扭曲。

由于量子力学的不确定性和怪异性,这种扭曲产生了不同移动时间的不均匀口袋以及随后整个场的能量尖峰。 正是这些能量不匹配使得虚粒子从黑洞边缘看似虚无的东西中出现,然后自我湮灭,产生一种称为霍金辐射的微弱光芒。

物理学家对霍金的预测很感兴趣,因为它是在物理学的两大但目前不可调和的理论的极端边界上做出的:爱因斯坦的广义相对论,它描述了大物体的世界,以及量子力学,它详细描述了最小物体的奇怪行为 粒子。

但是直接检测假设的光是天体物理学家不太可能实现的事情。首先,前往黑洞(已知距离地球最近的黑洞距离地球 1,566 光年)以及到达黑洞后,不被其巨大引力吸入并变得面条化都面临着相当大的挑战。其次,人们认为黑洞周围出现的霍金光子数量很少;在大多数情况下,它会被其他发光效应淹没,例如从围绕黑洞悬崖旋转的物质中释放出的高能 X 射线。

在没有真正黑洞的情况下,物理学家开始在模拟黑洞极端条件的实验中寻找霍金辐射。 2021 年,科学家们使用一维行的 8,000 个过冷、激光束缚的铷元素(一种软金属)原子,沿链创建了波状激发形式的虚拟粒子。

现在,另一个原子链实验取得了类似的成就,这次是通过调整电子从一个原子跳到另一个原子的难易程度,创造了黑洞时空扭曲事件视界的合成版本。在调整这条链使其一部分落在模拟的事件视界上之后,研究人员记录了链中的温度峰值——模拟黑洞周围产生的红外辐射的结果。这一发现表明,霍金辐射可能作为位于事件视界两侧的粒子之间的量子纠缠效应而出现。

有趣的是,这种效应仅在跳跃的幅度从几组平坦时空配置转变为扭曲时空配置时才会出现——这表明霍金辐射需要时空的特定能量配置发生变化。由于模型中没有黑洞产生的强大引力扭曲,这对量子引力理论和潜在的自然产生的真实霍金辐射意味着什么尚不清楚,但它仍然提供了对以前未探索的物理学的诱人一瞥。

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