新研究：黑洞的光學相似體模擬，可以驗證霍金輻射確實存在

斯蒂芬·霍金曾經喜歡這麼說，如果他最著名的預言得到實驗驗證，他就會獲得諾貝爾獎。正如他曾經的預測，「黑洞並不是那麼黑」。這些恆星坍縮成無限密集的奇點，它們可以從視界外發射出強烈的輻射，這是個不可逆的點，即使光線也無法從強烈的引力中逃脫。

幾乎沒有人懷疑1974年所預測的霍金輻射是否是真實的現象，即便從來沒有人見過它。直接的天文觀測十分具有挑戰性的，因為輻射太微弱了; 來自可疑黑洞的X射線反而是由螺旋向內令人難以置信的熱氣體發出的。但研究人員認為，霍金輻射的等效物可能會出現在實驗室進行的其他介質(如、聲波或水波等）模擬黑洞的實驗中。現在以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的一個研究小組報告說，他們的實驗距離在「光學黑洞」中產生霍金輻射又近了一步。

霍金輻射是由視界附近的量子事件引起的。根據量子理論，真空中存在著「虛擬粒子」，它們是由亞原子粒子及其反粒子(如電子和正電子)組成的對，它們在相互湮滅之前可能會在隨機的量子波動中短暫存在。但在視界中，其中一對可能會落入後洞，而其它的則會逃逸，變成真正的粒子。這個過程會從黑洞吸收引力能量，實際上降低了它的質量。通過這種方式，隨著霍金輻射從其表面流出，黑洞會緩慢蒸發。

在與黑洞類似的實驗室中，研究人員在光波或聲波等介質中創造了一種視界，在這種視界內區域波無法逃逸。這些系統根本不是引力系統，但是描述它們的數學在形式上等價於適用於黑洞的廣義相對論方程式。加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學的威廉·安魯於1981年首次提出了類似物體的的存在，他解釋了如何在流動的液體中模擬聲波。在威廉·安魯所進行的實驗中，這些系統可以具有相當於霍金輻射的能量，在這種情況下，相當於「聲波視界」發出的特定聲波頻譜。

領導這項新研究的光學物理學家烏爾夫·萊昂哈特評論說:「霍金輻射是一種比最初想像的更為普遍的現象。它可以發生在視界形成的任何時候，無論是在天體物理學中，還是在光學材料、水波或超冷原子中的光中。「

一些不同的系統作為黑洞的類似物被探索過，但是觀測霍金輻射已經被證明很困難而且有爭議。萊昂納特表示之前科學家在實驗室中對霍金輻射類似物的幾次觀察都遇到了麻煩。科學家都想要無可爭議地成為第一個觀測到視界上霍金輻射的自發發散的人，然而這是個困難的課題。

萊昂納特的研究小組現在稱，通過外部探測光束刺激這種輻射，雖然不是實現觀測來自光學黑洞的自發霍金輻射的最終目標，但卻是一個「里程碑 。事實上，這種受激發射正是Unruh及其同事在2011年的水波實驗中所嘗試的事情。「愛因斯坦在1919年指出，自發輻射和受激發射之間存在非常密切的聯繫，後者暗示前者，」威廉·安魯說。

在光學模擬實驗中，由於非線性效應，在諸如光纖的光學介質中傳播的短而強的光脈衝產生介質的折射率變化。這似乎可以使光纖中的光在激發脈衝的前沿處停止：一個光學視界。霍金輻射的類似物表現為來自視界的包含「負頻率」的光，這意味著光子，就像落入黑洞視界的虛擬粒子，具有負能量。它顯示出來自光纖的輸出光中的一個特徵：實際上它意味著從激發脈衝中提取能量。

在魏茨曼科學研究所的團隊的實驗中，第二個「探針」脈衝刺激這種發射。換句話說，探測器注入波動，它們不是自發產生的。探測器起到了真空波動的作用，但是研究人員可以在不破壞這種效應的情況下使其振幅達到合理的最大值。」但烏爾夫·萊昂哈特承認，還有一個問題他的團隊還沒有完全理解。他說:「我們的數值計算預測出的霍金光比我們看到的要強烈得多。」他認為這可能是由於光纖在紫外頻率下可以支持其他不需要的模式。「我們計劃接下來對此進行調查，」他說。「但我們對意外持開放態度，會對我們的不足進行最嚴厲的批評。」

然而也有其他科學家表示說，這些結果很難評估，因為黑洞的光學模型相當複雜。特別是，不同頻率的光看到的有效「光速」不同，因此視界也不同。他表示:「在這樣的實驗中，科學界需要就霍金輻射的確切定義達成一致」。使用光學系統的優點是，在所有可能的模擬裝置中，只有這些裝置才有可能直接探測到霍金光子。但在這種情況下，確定霍金光子究竟是什麼更加困難。更重要的是，這裡所看到的受激輻射是一種經典效應，這種效應並不一定來自於霍金自發輻射的類似物的放大。它可能只是放大了其他經典的發射源。然而萊昂納特對此回應說，他的團隊已經仔細檢查了其他可能的輻射源。他表示:「我們相信，我們看到的是真實情況，不會轉移人們的注意力。」

無論如何，從這些實驗室類似物中發現的自發霍金輻射是否會證實霍金的預測? 威廉·安魯的態度是：「很明顯,流體和光學的行為是不一樣的時空行為, 但這兩種行為數學上是如此相似, 而在類似物中的觀察結果是早被預測出來的,至少對我來說,霍金的預言增加了額外的分量。」

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