黑洞會蒸發?霍金的理論得到證實,黑洞可能完全消失

2020-12-05 品讀百卷

「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裡,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,著名物理學家史蒂芬.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。

史蒂芬.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史蒂芬.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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  • 當百科全書被扔進蒸發中的黑洞...
    一方面,基於半經典引力的黑洞蒸發理論顯示黑洞蒸發會丟失信息;但另一方面,信息守恆是基於量子理論的基本原理——么正性得到的普適結論。這樣表面上顯然的衝突也使得黑洞信息佯謬成為廣義相對論和量子理論這兩大基礎理論支柱交鋒的戰場。
  • 當百科全書被扔進蒸發中的黑洞……
    關鍵詞 黑洞信息佯謬,霍金輻射,AdS/CFT對偶,糾纏熵,廣義熵黑洞信息佯謬,1975年由霍金 (Stephen Hawking)[1]最先指出,一般指的是對黑洞蒸發過程中是否丟失信息的爭論。一方面,基於半經典引力的黑洞蒸發理論顯示黑洞蒸發會丟失信息;但另一方面,信息守恆是基於量子理論的基本原理——么正性得到的普適結論。
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