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物理學家創造"聲音黑洞" 研究神秘霍金輻射

物理學家創造"聲音黑洞" 研究神秘霍金輻射

  黑洞之所以得名,是由於它能吸收所有射向它的光線,並且具有極高的密度,以至於連光都無法逃離它的表面。而在一項最新的研究中,科研人員在實驗室中創造出一種「聲音黑洞」,它會吸收聲波,使其無法逃離。這種聲音黑洞轉瞬即逝,不過他們仍然希望能借此觀察到神秘的「霍金輻射」(Hawking radiation),霍金提出,宇宙中的黑洞會發出輻射,但是這種輻射很難觀測到。
  這項研究的負責人奧倫·拉海夫(Oren Lahav)和他來自以色列理工大學的同事們在最新的一期《物理評論快報》上刊登了他們的成果。
  科學家們借助一種特殊的物質態——玻色-愛因斯坦凝聚態實現了這一結果。借助磁阱,科學家們將10萬個減速至最低量子態的銣原子組成了這一特殊的凝聚態。這種低溫原子堆的表現就像是一個單獨的大型量子機械體。而為了將這一凝聚體變成一個聲音黑洞,科學家們需要加速凝聚體的一部分,使之達到超音速。這樣以來,凝聚體的某些部分以超音速流動,而其他部分的流速則是亞音速。
  借助大直徑激光,科學家們能夠構建電勢,並將部分凝聚態物質加速至超音速。技術人員已經證明,採用這種技術,能使這種凝聚態物質的速度達到音速的一個數量級以上。
  「我們這項工作最有意義的地方在於我們成功克服了朗道臨界速度,這一定律認為流體速度不能超越音速。」同樣來自以色列理工大學的研究組成員傑夫·斯特恩豪爾(Jeff Steinhauer)說。「我們的實驗在有限的時間尺度上突破了這一限制。」
  在這個試驗中,凝聚態物質被分成兩部分,一部分的流速大於音速,而其餘部分小於音速,中間的區域流速恰好等於音速,從而構成類似黑洞的「視界」的作用。在超音速流一側,凝聚態的物質密度遠小於亞音速流一側。科學家解釋這一現象是由於質量守恆:較低的密度必須由較高的速度來補償。在此次實驗中,科學家們至少能讓這一「視界」在崩潰前維持20毫秒。
  就和黑洞能拴住光子一樣,聲音黑洞能拴住聲子和其他波長介於1..6~18微米的波戈留夫激發。波長非常短的激發將可以逃逸,而波長長於這一數值範圍的激發本身就無法存在於這一超音速流部分。
  接下來,科研人員計劃用聲音黑洞來研究霍金輻射。這是物理學家斯蒂芬·霍金提出的一個理論,即根據量子理論,黑洞可能會發出少量的熱輻射。這種輻射將使黑洞收縮並最終完全蒸發消失。但到目前為止,想要探測到這種輻射仍然極具挑戰性。
  為了觀測到聲音黑洞的霍金輻射效應,需要具備許多條件。比如受困的激發需具有負能量。對於這一點,技術人員已經找到瞭解決辦法。他們將兩束頻率稍有差異的激光聚焦於凝聚體的超音速部分,受激發的凝聚體將從一束激光中吸收光子並在第二束激光中輻射出去,這將產生一種負能量的激發態。相信在未來這種聲音黑洞將會幫助科學家們首次目睹霍金輻射的情景。

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