黑洞會蒸發？霍金的理論得到證實，黑洞可能完全消失

「黑洞」這一概念被美國物理學家約翰.惠勒(John Archibald Wheeler)提出之後,它就不斷挑戰著科學家們的想像力,其不可思議的一點在於「事件視界」(event horizon)——一旦進入了「事件視界」之中,任何物質都無法逃脫,哪怕是光線——物理學家們曾認為,物體可以穿過「事件視界」、且進入黑洞的內部,但進入了黑洞的內部之後,它們再也無法逃脫,也不會留下任何關於它們的信息。不過,「黑洞」這一概念的提出,威脅到了現代物理學的一個基本原則,即熱力學第二定律(又名「熵增定律」,一般表述為「不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他的影響」)。

量子物理學尚未開創的時代里,科學家們認為黑洞沒有熵,比如物理學家雅各布.貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)認為,黑洞只有三個可以測量的特徵,即「質量」(它的大小)、「角動量」(它旋轉速度的快慢)和「電荷」,一旦某個物體穿過了「事件視界」,那麼它僅僅對黑洞的三個量產生影響,而它的熵會永久性的消失,這樣的話,全宇宙的熵會減少、進而違反了熱力學第二定律。1974年,著名物理學家斯蒂芬.霍金(Stephen Hawking)提出,除了「質量」、「角動量」和「電荷」三個特徵之外,黑洞還有「熱輻射」這一屬性,即所謂的「霍金輻射」,它將能量變化與熵的變化聯繫起來,進而避免了違背熱力學第二定律。

由於「霍金輻射」過於微弱,人類的科研設備無法在太空中探測到它,不過,以色列理工學院的物理學家傑夫.施坦因豪爾(Jeff Steinhauer)率領的研究團隊使用一種「波色-愛因斯坦凝聚(極低溫的環境中,玻色子原子會處於一種氣態的超流性狀態,這種狀態名為「波色-愛因斯坦凝聚」)」狀態的極低溫氣體模擬黑洞的「事件視界」、且建立了黑洞模型。研究人員在「波色-愛因斯坦凝聚」的氣體流中安置了一個斷面,使氣體流呈現為傾斜而下的形態,如同飛流直下的瀑布,這樣的話,氣體流的勢能轉化為動能、進而流速超過了音速。

基於此,研究人員把成雙成對的「聲子」(phonon)(又名「量子聲波」)投入「波色-愛因斯坦凝聚」的氣體流中,氣體流「瀑布」上方的流速較慢、聲子可以漸漸遠離「瀑布」,而氣體流「瀑布」的流速超過了音速、聲子就被超音速氣體流所捕獲了,這一過程與黑洞捕獲光子一樣。傑夫.施坦因豪爾介紹,處於氣體流「瀑布」的聲子企圖逆流而上,但「瀑布」的流速超過了聲子的運動速度,因此,聲子被「瀑布」裹挾而下。同樣的,黑洞中的光子企圖逃離,可極其強大的引力把光子拖向了相反的方向。

斯蒂芬.霍金認為,「霍金輻射」處於連續的波長和能量頻譜中,而且,基於黑洞質量的溫度可以表述「霍金輻射」,傑夫·施泰因豪爾等人建立的黑洞模型證明了斯蒂芬.霍金的觀點。法國物理學家雷諾.帕倫塔尼(Renaud Parentani)認為,傑夫·施泰因豪爾等人進行的這一實驗是當代實驗物理學界的傑作,它既十分精妙、又充滿了想像力,僅僅從這一項實驗來看,傑夫·施泰因豪爾已是冷原子模擬黑洞的先驅了。傑夫·施泰因豪爾等人的實驗是人類研究黑洞的一小步,此後,他們還可能會帶來一個接一個的驚喜和新知識。

小考題:除了黑洞之外,你對宇宙中的哪些神秘天體感興趣?歡迎你留言討論。

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