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为了证明霍金的理论科学家创造了黑洞,
2021-03-27 20:04:33

黑洞是外层空间中最奇特、最迷人的天体之一。它们密度极高,引力很强。如果它足够近,即使光线也无法从黑洞中逃脱。黑洞的神秘特性一直吸引着科学界的注意。

1974年,斯蒂芬·霍金(Stephenhawking)提出了一种理论,即黑洞不是天文学家想象中正在吞噬的暗星,而是可以自行发光的。这种现象现在被称为霍金辐射。然而,这种神秘的辐射从未被观测到,因为它太暗了。

为了解开霍金辐射的奥秘,以色列科学家为之奋斗。他们模拟了一个有数千个原子的黑洞,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改变,它是静态的。

黑洞应该像黑体一样辐射,黑体本质上是一个发射恒定红外辐射的温暖物体。杰夫·施泰因豪尔(Jeffsteinhauer)是以色列理工学院的副教授,也是该研究项目的成员。他说,这项研究证实了霍金的理论,即黑洞和普通恒星一样,总是发射某些类型的辐射。

黑洞的引力是如此之大,以至于它的视界连光也逃不掉。为了逃离这个边界,粒子必须打破物理定律,以比光速更快的速度移动。霍金认为,虽然穿越地平线的物体无法逃脱,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,即使在一个完全真空的空间,也有一对虚拟粒子。它们有时存在,有时不存在。这些具有相反能量的飞行粒子通常几乎立即相互湮灭。但是由于地平线上的极端引力,霍金认为光子对可以被分离,一个粒子被黑洞吸收,另一个粒子逃往太空。吸收的光子具有负能量,并以质量的形式从黑洞中减去能量。逃逸光子变成霍金辐射。因此,只要有足够的时间,黑洞就能完全蒸发。即使它比宇宙古老得多。

霍金的理论是革命性的。他把量子物理学和广义相对论结合在一起。然而,当人们想要验证这个理论时,很难验证这个理论。因为黑洞的霍金辐射非常弱。作为回应,施泰因豪尔和他的团队决定创造一个黑洞。

模拟大麦哲伦星云前的黑洞

研究人员在实验室创造的黑洞是由大约8000个铷原子组成的气流,冷却到接近绝对零度,并由激光束在原地形成。它们创造了一种神秘的物质状态,称为玻色-爱因斯坦凝聚物质(BEC),它允许数千个原子以单个原子相互作用。

利用第二台激光,研究小组创造了一个潜在的能量悬崖,其中气体像水一样从瀑布中流下,形成了一个地平线,其中一半的气体流动速度快于声速,另一半则减慢。在这个实验中,研究小组寻找在气体中自发形成的声子对或量子声波,而不是光子对。斯泰因豪尔解释说:声子的慢半部可以逆流移动,远离悬崖,而声子的快半部则被超音速气流所困。就像在水流中游泳。比你快。

一旦发现了这些声子对,研究人员就必须确保它们之间的联系,以及霍金辐射是否随着时间的推移而保持不变。这一过程很棘手,因为每次他们拍摄一张黑洞的照片,都会被这个过程中产生的热量破坏。结果,研究小组重复了97000次实验,连续测量了124天以上,以找出两者之间的关系。最终,他们的耐心终于得到了回报。

我们已经证明了霍金辐射是静态的,它不会随着时间而改变,这正是霍金所预言的。施泰因豪尔说。