实验室生长的黑洞可能证明史蒂芬霍金的挑战性的理论是正确的

By Ben Turner

2022/11/26

通过使用一串原子来模拟一个黑洞的事件地平线，研究人员已经表明了霍金辐射可能就像这位已故的物理学家描述的那样存在。

艺术家的一个黑洞的描画。黑洞的中心是奇点的例子。(Image credit: solarseven via Getty Images)

科学家们已经创造了一个实验室生长的黑洞模拟物来测试史蒂芬·霍金的最著名的理论之一------而它刚好与他怎样预测的行为。

这个实验通过用一个原子的单纵列链来模拟一个黑洞的事件地平线，已经进一步对霍金的黑洞应该从它们边界附近随机的蹦入存在的虚拟粒子发射一个微弱的辐射辉光的理论添加了证据。更重要的是，研究人员发现了大多数光粒子或光子应该被围绕这个宇宙怪物的边缘产生。该团队于11月8日在《物理评论研究》杂志上发表了他们的研究结果。

按照量子场论，没有诸如空的空间这样的东西。相反空间中充满有如果注入有足够的能量随机的爆发成虚拟粒子的微小振动------几乎彼此立即湮灭产生光的粒子-反粒子对。1974年，史蒂芬·霍金预测了在黑洞的口------它们的事件地平线------感受到的极端引力将以这种方式召唤光子进入存在。按照爱因斯坦的广义相对论，引力扭曲空时，如此量子场越接近一个黑洞的奇点的巨大拖力就越被翘曲。

因为量子力学的不确定性和诡异性，这种翘曲创造不同移动时间的不均匀口袋和随后的跨这个场的能量峰值。正是这些能量不匹配使虚拟粒子在湮灭它们自己来产生一种叫做霍金辐射的微弱辉光之前从在黑洞边缘看似没有任何东西浮现。

物理学家对霍金的预测很感兴趣，因为它被在物理学的两个宏大但目前不可调和的理论的极端边界上弄成：爱因斯坦的广义相对论，它描述大物体的世界，量子力学它详细描述最小粒子的奇怪行为。

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但直接探测这些假设的光是某些天体物理学家从来不太可能取得的事情。首先有被旅行到一个黑洞摆出的相当大的挑战------已知最近的距离地球是1566光年------而且一旦到达那里不会被它的巨大引力吸进去和意大利面化。其次，围绕黑洞跳入存在的霍金光子的数量被认为是微小的；在大多数情况下会被其它产生光的效应淹没，诸如从围绕黑洞的悬崖涡旋的物质喷出的高能x射线。

在缺乏一个真正的黑洞中，物理学家们已经开始在模拟它们的极端条件的实验中寻找霍金辐射。2021年，科学家们用了一维的8000个超冷的激光约束的一种软金属的铷元素原子排，来沿着这条链以波一样激发形式创造虚拟粒子

现在，另一个原子链实验已经取得了一个类似的壮举，这一次通过调整成串的电子能从一个原子跳到另一个原子的容易创造一个黑洞的空时翘曲事件地平线的合成版本。在调整这条链以便它的部分落在模拟的事件地平线上后，研究人员记录了链中温度的一个峰值------一个模拟了围绕黑洞产生的红外辐射的结果。这一发现提出霍金辐射可能作为位于一个事件地平线两侧的粒子之间的量子纠缠效应浮现。

有趣的是，只有当跳跃的振幅从几组平面空时结构转变为一个翘曲的时浮现------提出霍金辐射需要一个被产生的空时的特定的能量结构中的变化。由于被黑洞产生的强大的引力扭曲在模型中是缺失的，这对一个量子引力理论和潜在的自然产生的真正霍金辐射意味的是不清楚的，但不管怎样它提供一个以前未探索的物理学的诱人一瞥。

https://www.livescience.com/synthetic-electron-black-hole-matches-hawking-prediction