“黑洞”这一概念被美国物理学家约翰.惠勒(John Archibald Wheeler)提出之后,它就不断挑战着科学家们的想象力,其不可思议的一点在于“事件视界”(event horizon)——一旦进入了“事件视界”之中,任何物质都无法逃脱,哪怕是光线——物理学家们曾认为,物体可以穿过“事件视界”、且进入黑洞的内部,但进入了黑洞的内部之后,它们再也无法逃脱,也不会留下任何关于它们的信息。不过,“黑洞”这一概念的提出,威胁到了现代物理学的一个基本原则,即热力学第二定律(又名“熵增定律”,一般表述为“不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他的影响”)。

量子物理学尚未开创的时代里,科学家们认为黑洞没有熵,比如物理学家雅各布.贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)认为,黑洞只有三个可以测量的特征,即“质量”(它的大小)、“角动量”(它旋转速度的快慢)和“电荷”,一旦某个物体穿过了“事件视界”,那么它仅仅对黑洞的三个量产生影响,而它的熵会永久性的消失,这样的话,全宇宙的熵会减少、进而违反了热力学第二定律。1974年,著名物理学家斯蒂芬.霍金(Stephen Hawking)提出,除了“质量”、“角动量”和“电荷”三个特征之外,黑洞还有“热辐射”这一属性,即所谓的“霍金辐射”,它将能量变化与熵的变化联系起来,进而避免了违背热力学第二定律。

(黑洞)

由于“霍金辐射”过于微弱,人类的科研设备无法在太空中探测到它,不过,以色列理工学院的物理学家杰夫.施坦因豪尔(Jeff Steinhauer)率领的研究团队使用一种“波色-爱因斯坦凝聚(极低温的环境中,玻色子原子会处于一种气态的超流性状态,这种状态名为“波色-爱因斯坦凝聚”)”状态的极低温气体模拟黑洞的“事件视界”、且建立了黑洞模型。研究人员在“波色-爱因斯坦凝聚”的气体流中安置了一个断面,使气体流呈现为倾斜而下的形态,如同飞流直下的瀑布,这样的话,气体流的势能转化为动能、进而流速超过了音速。

基于此,研究人员把成双成对的“声子”(phonon)(又名“量子声波”)投入“波色-爱因斯坦凝聚”的气体流中,气体流“瀑布”上方的流速较慢、声子可以渐渐远离“瀑布”,而气体流“瀑布”的流速超过了音速、声子就被超音速气体流所捕获了,这一过程与黑洞捕获光子一样。杰夫.施坦因豪尔介绍,处于气体流“瀑布”的声子企图逆流而上,但“瀑布”的流速超过了声子的运动速度,因此,声子被“瀑布”裹挟而下。同样的,黑洞中的光子企图逃离,可极其强大的引力把光子拖向了相反的方向。

(黑洞)

斯蒂芬.霍金认为,“霍金辐射”处于连续的波长和能量频谱中,而且,基于黑洞质量的温度可以表述“霍金辐射”,杰夫·施泰因豪尔等人建立的黑洞模型证明了斯蒂芬.霍金的观点。法国物理学家雷诺.帕伦塔尼(Renaud Parentani)认为,杰夫·施泰因豪尔等人进行的这一实验是当代实验物理学界的杰作,它既十分精妙、又充满了想象力,仅仅从这一项实验来看,杰夫·施泰因豪尔已是冷原子模拟黑洞的先驱了。杰夫·施泰因豪尔等人的实验是人类研究黑洞的一小步,此后,他们还可能会带来一个接一个的惊喜和新知识。

(黑洞)

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