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黑洞並不完全是“黑”的
2024-05-29 07:53:36 *
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作者 主題: 黑洞並不完全是“黑”的  (閱讀 3762 次)
peter
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« 於: 2014-11-05 09:36:20 »



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 黑洞并不完全是“黑”的

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黑洞可能并非“只进不出”
http://www.cnbeta.com/articles/343333.htm

利用超冷流体将声波困住,以色列科学家在实验室中创造出了一个能发出霍金辐射的类黑洞。所谓霍金辐射,就是预测中的因量子力学效应而能够逃脱黑洞的粒子。这项发表在《自然·物理学》杂志上的重要成果有朝一日可望帮助解决黑洞“信息悖论”问题——物理学家斯蒂芬·霍金40年前预言,黑洞并不是全黑的,有少量的辐射能够摆脱黑洞的强大引力,问题由此产生:编码在辐射中的信息是否也能一并逃脱?
黑洞不黑,可能会有粒子逃出

量子理论认为,能量的大幅波动可能会在瞬间发生,这意味着宇宙真空并不空,而是会发生涨落,在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后又彼此湮灭,瞬间消失,以符合能量守恒。如果粒子—反粒子对正好出现在黑洞视界(即黑洞的边缘)附近,又将如何?

黑洞一向以“只进不出”著称,引力强大到连光都无从逃脱。但按照霍金的推想,粒子对除了一起湮灭,或者一起落入黑洞,也可能存在第三种情况:粒子对发生了分离,一个被吸进黑洞,另一个却以霍金辐射的方式逃逸出来。在外界看,这就像黑洞发射粒子一样,这一理论也在很大程度上改变了人们对于黑洞的认知。

不过,天体物理学家至今尚未检测到宇宙黑洞所发出的霍金辐射。而另一种验证霍金理论的方法,就是在实验室中模拟视界。

实验室中“困住”声波,演示类霍金辐射现象

为此,以色列理工学院物理学家杰夫·斯坦豪尔带领团队开始了实验室研究。据《自然》杂志网站近日报道,他们将一团铷原子冷却到比绝对零度高出不到10亿分之一摄氏度,在这样的低温下,铷原子紧密排列,表现得如同一个单一的、流动的量子物体,让研究人员更易操控。低温也确保这种玻色—爱因斯坦凝聚态的流体能够提供一个无声的介质,让量子波动产生的声波从中通过。

接下来,斯坦豪尔利用激光操控超冷流体,使其速度快于音速。就像游泳的人在水中对抗着强大的水流,声波也要逆着流体的方向前进,如同被“困住”一样。超冷流体也因此变成了一个万有引力视界的替代物。

在实验室真空中,一道突然出现的声波和一道突然消失的声波,正好可以模拟真空宇宙里的粒子—反粒子对。而那些跨越这个声音视界的声波对,就相当于在演示霍金辐射。为了将这些声波放大到足以被探测器捕捉到,斯坦豪尔在第一个声音视界内建立了第二个声音视界,同时调整超冷流体,使声波不能通过第二个视界并被反弹回来。由于声波反复撞击外围的第一个视界,更多的声波对被创造出来,从而将霍金辐射放大到可被检测的水平。

虽无法完美匹配,但却是最接近的

有些研究人员认为,这个让斯坦豪尔耗时5年才完善的实验室模型到底有多接近于模拟霍金辐射,目前还不清楚。虽然斯坦豪尔对声波进行了放大,但他只检测到了辐射的一个频率,因而无法肯定其是否拥有预测中的真正的霍金辐射所拥有的不同频率强度。斯坦豪尔目前正在改进技术,以便无需放大声波辐射就能研究他的人造黑洞,进而探讨黑洞“信息悖论”问题。

这项研究也有助于物理学家在不相容的量子理论与万有引力之间取得协调,万有引力是自然界中唯一没有被量子力学理论框架规范的力。霍金辐射是量子力学和广义相对论相结合的产物,而一个人造黑洞有可能为研究如何让二者“联姻”提供一个机会。

英国赫瑞瓦特大学实验物理学家丹尼尔·法乔称,斯坦豪尔的研究“可能是最强大、最明确的证据”,表明实验室模型可以在广义相对论和量子力学之间模拟现象。2010年,法乔的团队报告说,他们探测到了与霍金辐射类似的现象,但此后又承认他们看到的其实是另一种不同的现象。

美国马里兰大学物理学家泰德·雅各布森在1999年就指出,类霍金辐射现象可在实验室中被观察到,但他表示,到目前为止,利用声音实验来了解黑洞仍然是“没影儿的事”。在雅各布森看来,这项新实验的价值在于探索超冷原子的物理现象。

加拿大不列颠哥伦比亚大学的理论物理学家威廉·昂鲁认为,即使这种声波辐射无法完美匹配霍金辐射,但在探测霍金辐射方面,“它是最接近的

« 最後編輯時間: 2016-08-16 18:06:25 由 peter » 已記錄

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« 回覆文章 #1 於: 2016-08-16 18:07:02 »

http://www.cnbeta.com/articles/530059.htm

,史蒂芬·霍金在1974年就提出黑洞可能不是完全黑暗的理论,相反,量子效应可能导致辐射从黑洞的边界逃逸出来。霍金的理论认为,黑洞应该有能力热制造和释放亚原子粒子,即霍金辐射,直到黑洞完全耗尽能量。在1974年的声明中,霍金解释到,黑洞周围有着强大的引力场,根据量子理论,这种引力场可影响粒子和反粒子的配对生成,如同在真空中一直存在的现象一样。如果粒子就在黑洞的视界(event horizon)外生成,可能成为逃逸的正粒子——观察到的就是从黑洞释放出的热辐射——而负粒子可能落回黑洞。

海法以色列理工学院的教授杰夫·斯坦豪尔(Jeff Steinhauer)在今天出版的《自然物理学》杂志中一篇论文上证明了此效应。他制造一种声音黑洞而非光黑洞,使用的是带声音粒子即声子“视界”的长管。2014年斯坦豪尔教授发现,视界上随机产生了声子。在他最新的结果中,斯坦豪尔证明这些声子是一对相关声子中的一个,从而证明了霍金辐射的量子效应。

在黑洞中视界是指界限清晰的表面或边缘,在视界后面没有光能逃逸,因为逃逸的速度必须快于光速。斯坦豪尔教授使用了波色-爱因斯坦冷凝物制造了相同的条件,但只是声音黑洞。在2年前的试验中,他发现与霍金预测的一样,制造声波的能量没有从黑洞中泄露。现在他更进一步,以量子的方式展示这种能量行为。

在视界在一边里面的粒子流动速度比声速更快,因此没有声子能逃逸。斯坦豪尔教授对《每日邮报》在线版称:“这如同逆水游泳,如果水流速度比你游泳速度快,你就会向反方向漂流。声子无法达到‘视界’点。”他进行了4600次试验,即持续6天观察声子。他首次在实验室里发现了霍金辐射的量子效应。但要真正测量黑洞释放的霍金辐射是不可能的,因为这种辐射太微弱
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« 回覆文章 #2 於: 2016-08-16 18:09:08 »

2016 其他

http://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=45&topic=25486.0

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« 回覆文章 #3 於: 2016-08-16 18:11:32 »

http://www.nature.com/news/artificial-black-hole-creates-its-own-version-of-hawking-radiation-1.20430

Nothing, not even light, can escape the event horizon of a black hole.

http://www.nature.com/news/one-man-band-the-solo-physicist-who-models-black-holes-in-sound-1.20437
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« 回覆文章 #4 於: 2016-08-18 10:02:14 »

科学家首次观察到“霍金辐射”现象
http://www.cnbeta.com/articles/530645.htm
黑洞常常被视作一种密度极大的天体,就连光线都无法从中逃脱。虽然黑洞的名字里带了一个“黑”字,但它们并不是全黑的。事实上,它们还会以量子辐射的形式,向外发射极其微弱的粒子。这一现象被命名为“霍金辐射”。杰夫?斯泰恩豪尔教授创造出了一个能够捕获声音的声学黑洞,并用一根长长的管子作为“事件边界”,用于束缚“声音粒子”——“声子”。他的最新研究结果显示,这些声子都是一对相互关联的声子中的一个,因此证实了霍金辐射的量子效应。

1974年,史蒂芬?霍金提出,黑洞并不是全黑的,根据量子效应,一定有一些辐射能够从黑洞的边界逃逸出去。

霍金的理论认为,黑洞应当能以热辐射的形式创造并排放亚原子粒子,这种现象名叫“霍金辐射”,直到黑洞的能量完全枯竭为止。

在1974年发表的理论中,霍金解释了黑洞周围的强大引力场是如何影响粒子和反粒子的产生的。根据量子理论,真空中一直在发生上述现象。

如果粒子是在黑洞的事件边界之外产生的,那么这对粒子中带正电荷的粒子便可能会逃逸,以热辐射的形式从黑洞中释放出去,而带负电荷的粒子则会落回黑洞中。

以色列理工学院的杰夫?斯泰恩豪尔教授(Jeff Steinhauer)在一篇8月15日发表的论文中描述了这一效应。他创造出了一个能够捕获声音的声学黑洞,并用一根长长的管子作为“事件边界”,用于束缚“声音粒子”——“声子”(phonons)。

2014年,斯泰恩豪尔教授观察到,这个黑洞的事件边界上随机产生了一些声子。

而他的最新研究结果显示,这些声子都是一对相互关联的声子中的一个,因此证实了霍金辐射的量子效应。

在黑洞中,事件边界是一个清晰的平面或边缘,进入了事件边界之后,任何光线都无法从中逃脱,因为其中的逃逸速度已经超过了光的速度。

斯泰恩豪尔教授利用一种名叫玻色-爱因斯坦凝聚物的材料,在实验室中创造了与黑洞相同的条件,只不过捕获的是声音、而非光线。

在两年前的实验中,他发现构成声波的能量的确如霍金所言,会从黑洞中“渗漏”出来。而如今他更进一步,用实验证明了这些能量也符合量子物理的表现模式。在边界内部的粒子运动速度要慢于声速,因此声子无法从中逃脱。

“想象你在游泳,但游动的方向与水流相反,而且水流的速度比你游动的速度要快,”斯泰恩豪尔教授描述道,“这样一来,声子永远也不可能抵达事件边界。”

在做了4600次相同的实验、持续进行了六天之后,斯泰恩豪尔教授终于观察到了黑洞创造出声子的过程。

他发现相互配对的两个声子与事件边界之间的距离都是彼此相等的,并且他观察到这一现象的次数足够多,说明这些声子的确是“相互关联”的,这也是他首次在实验室中观察到霍金辐射的量子效应。

此次发现具有十分重要的意义,因为从黑洞中逃逸的粒子与被拉进黑洞中的粒子是相互纠缠的,这是霍金辐射的一个关键特征,而且此前从未被观察到过。

然而,由于霍金辐射极其微弱,我们不可能测量出黑洞中释放了多少霍金辐射。
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