新研究:黑洞的光学相似体模拟,可以验证霍金辐射确实存在

斯蒂芬·霍金曾经喜欢这么说,如果他最著名的预言得到实验验证,他就会获得诺贝尔奖。正如他曾经的预测,“黑洞并不是那么黑”。这些恒星坍缩成无限密集的奇点,它们可以从视界外发射出强烈的辐射,这是个不可逆的点,即使光线也无法从强烈的引力中逃脱。

几乎没有人怀疑1974年所预测的霍金辐射是否是真实的现象,即便从来没有人见过它。直接的天文观测十分具有挑战性的,因为辐射太微弱了; 来自可疑黑洞的X射线反而是由螺旋向内令人难以置信的热气体发出的。但研究人员认为,霍金辐射的等效物可能会出现在实验室进行的其他介质(如、声波或水波等)模拟黑洞的实验中。现在以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的一个研究小组报告说,他们的实验距离在“光学黑洞”中产生霍金辐射又近了一步。

霍金辐射是由视界附近的量子事件引起的。根据量子理论,真空中存在着“虚拟粒子”,它们是由亚原子粒子及其反粒子(如电子和正电子)组成的对,它们在相互湮灭之前可能会在随机的量子波动中短暂存在。但在视界中,其中一对可能会落入后洞,而其它的则会逃逸,变成真正的粒子。这个过程会从黑洞吸收引力能量,实际上降低了它的质量。通过这种方式,随着霍金辐射从其表面流出,黑洞会缓慢蒸发。

在与黑洞类似的实验室中,研究人员在光波或声波等介质中创造了一种视界,在这种视界内区域波无法逃逸。这些系统根本不是引力系统,但是描述它们的数学在形式上等价于适用于黑洞的广义相对论方程式。加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的威廉·安鲁于1981年首次提出了类似物体的的存在,他解释了如何在流动的液体中模拟声波。在威廉·安鲁所进行的实验中,这些系统可以具有相当于霍金辐射的能量,在这种情况下,相当于“声波视界”发出的特定声波频谱。

领导这项新研究的光学物理学家乌尔夫·莱昂哈特评论说:“霍金辐射是一种比最初想象的更为普遍的现象。它可以发生在视界形成的任何时候,无论是在天体物理学中,还是在光学材料、水波或超冷原子中的光中。“

一些不同的系统作为黑洞的类似物被探索过,但是观测霍金辐射已经被证明很困难而且有争议。莱昂纳特表示之前科学家在实验室中对霍金辐射类似物的几次观察都遇到了麻烦。科学家都想要无可争议地成为第一个观测到视界上霍金辐射的自发发散的人,然而这是个困难的课题。

莱昂纳特的研究小组现在称,通过外部探测光束刺激这种辐射,虽然不是实现观测来自光学黑洞的自发霍金辐射的最终目标,但却是一个“里程碑 。事实上,这种受激发射正是Unruh及其同事在2011年的水波实验中所尝试的事情。“爱因斯坦在1919年指出,自发辐射和受激发射之间存在非常密切的联系,后者暗示前者,”威廉·安鲁说。

在光学模拟实验中,由于非线性效应,在诸如光纤的光学介质中传播的短而强的光脉冲产生介质的折射率变化。这似乎可以使光纤中的光在激发脉冲的前沿处停止:一个光学视界。霍金辐射的类似物表现为来自视界的包含“负频率”的光,这意味着光子,就像落入黑洞视界的虚拟粒子,具有负能量。它显示出来自光纤的输出光中的一个特征:实际上它意味着从激发脉冲中提取能量。

在魏茨曼科学研究所的团队的实验中,第二个“探针”脉冲刺激这种发射。换句话说,探测器注入波动,它们不是自发产生的。探测器起到了真空波动的作用,但是研究人员可以在不破坏这种效应的情况下使其振幅达到合理的最大值。”但乌尔夫·莱昂哈特承认,还有一个问题他的团队还没有完全理解。他说:“我们的数值计算预测出的霍金光比我们看到的要强烈得多。”他认为这可能是由于光纤在紫外频率下可以支持其他不需要的模式。“我们计划接下来对此进行调查,”他说。“但我们对意外持开放态度,会对我们的不足进行最严厉的批评。”

然而也有其他科学家表示说,这些结果很难评估,因为黑洞的光学模型相当复杂。特别是,不同频率的光看到的有效“光速”不同,因此视界也不同。他表示:“在这样的实验中,科学界需要就霍金辐射的确切定义达成一致”。使用光学系统的优点是,在所有可能的模拟装置中,只有这些装置才有可能直接探测到霍金光子。但在这种情况下,确定霍金光子究竟是什么更加困难。更重要的是,这里所看到的受激辐射是一种经典效应,这种效应并不一定来自于霍金自发辐射的类似物的放大。它可能只是放大了其他经典的发射源。然而莱昂纳特对此回应说,他的团队已经仔细检查了其他可能的辐射源。他表示:“我们相信,我们看到的是真实情况,不会转移人们的注意力。”

无论如何,从这些实验室类似物中发现的自发霍金辐射是否会证实霍金的预测? 威廉·安鲁的态度是:“很明显,流体和光学的行为是不一样的时空行为, 但这两种行为数学上是如此相似, 而在类似物中的观察结果是早被预测出来的,至少对我来说,霍金的预言增加了额外的分量。”

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