科學家在實驗室模擬「聲學黑洞」,有望驗證霍金輻射

(圖:NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER; BACKGROUND: DPAC/GAIA/ESA)

測量黑洞的溫度原先一直被認為是不可能的任務,但以色列研究團隊近日發表的一項研究顯示,他們已成功達成此目標。但該團隊量測的不是真正的黑洞,而是在實驗室中創造的聲學黑洞(sonic black hole),這種黑洞困住的是聲波而非光。

聲學黑洞

為了製造出模擬黑洞的聲學黑洞,研究團隊使用銣(rubidium)這種超冷原子,將其降溫至玻色-愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate)的狀態。此時,聲音會被困住無法逃離,如同黑洞困住光子一般。在先前的實驗中,該團隊已發現霍金輻射的訊號,但尚無法量測其溫度。

若該團隊的實驗結果為真,將能驗證天文學家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出的黑洞理論。霍金指出,黑洞在其邊緣不斷創造出新的粒子,這些粒子被稱為霍金輻射(Hawking Radiation)。

霍金輻射

根據量子理論,真空中會不斷產生一對粒子,並相互抵銷而消失在真空中。而霍金的黑洞理論表示,當此種真空中出現的粒子對出現在黑洞邊緣時,一個粒子會掉入黑洞中,因此另一個粒子會離開黑洞,而形成不斷由黑洞散發出來的霍金輻射。而在實驗室的模擬黑洞也發生類似的情況,在聲學黑洞的周圍會生成聲子對,其中一個聲子會落入黑洞中,另一個聲子則能脫離黑洞,如同霍金輻射一樣。

研究人員正是藉由測量這些逃離的聲子,得以測量到模擬黑洞的溫度,此黑洞的溫度約為 35 千億分之一克耳文(kelvin)。對此,以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)物理學家傑夫·史坦豪爾教授(Jeff Steinhauer)表示:「我們的發現與霍金理論的預測非常一致。」

黑洞資訊悖論

此外,此實驗結果也與霍金的預測一致,霍金輻射屬於熱輻射的形式,代表其粒子能量的發佈如同一般物體因熱散出的輻射一樣,例如電暖器的紅光。此性質與量子力學所提出的理論相違背。根據量子力學,宇宙中的「資訊」永遠不會被摧毀,即使粒子落入黑洞中也一樣。但若霍金輻射確實存在,也屬於熱輻射,代表隨著輻射不斷逸散,黑洞最後將會消失,且因其屬於熱輻射,這些粒子與一般發光物散發出的輻射沒有任何不同,因此無法辨認出任何差異。也就表示任何落入黑洞的粒子,最後將會失去其原本所帶有的「資訊」。

目前仍未有物理學家能夠解決黑洞資訊悖論(Black hole information paradox)的問題,目前普遍的共識是,此問題必須藉由解決當前物理學界中最困難的難題「量子重力」(quantum gravity)才能得知確切的結果。但因為這種模擬黑洞不是由重力所創造,因此這項研究無法協助回答這個難題。

參考資料:

  1. Conover, E. (2019, May 29). In a first, scientists took the temperature of a sonic black hole. ScienceNews
  2. Nova, J. R., Golubkov, K., Kolobov, V. I., & Steinhauer, J. (2019). Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole. Nature,569(7758), 688-691. doi:10.1038/s41586-019-1241-0
Kyle
編輯,臺灣科技大學材料科學與工程系學生,平日喜歡閱讀、騎車,衝浪。

為你推薦