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物理学家在实验室首次证明了霍金辐射

北京时间7月3日，斯蒂芬·霍金在1974年提出了他最著名的预言之一:黑洞最终将完全消失。根据霍金的理论，黑洞不是完全“黑”的，而是发射粒子，即热辐射。霍金认为，这种辐射，也就是众所周知的霍金辐射，最终将导致黑洞失去其令人满意的能量和质量，并最终消失。尽管这一理论被科学界广泛接受，但人们认为不可能证明它。

然而，最近物理学家首次证明了霍金辐射的存在——至少在实验室里是这样。尽管霍金辐射太弱，无法用现有的人类仪器在太空中探测到，但物理学家利用声波和世界上温度极低的一些独特物质，建立了一个类似黑洞的模型，然后研究了霍金辐射。

粒子对

黑洞的引力如此之大，以至于即使光子以光速运动也无法逃脱。尽管真空空间通常被认为是空的，但量子力学的不确定性表明真空中充满了虚拟粒子，它们以物质-反物质对的形式存在或消失(反物质粒子的质量与其对应的物质粒子相同，但电荷相反)。

在正常情况下，当一对虚拟粒子出现时，它们会立即相互湮灭。然而，在黑洞视界的边缘，极点的重力将粒子分散开来。当一个粒子被黑洞吸收时，另一个粒子被注入太空。换句话说，视界之外的虚拟粒子可以被观察到，然后变成真实粒子，而视界之内的虚拟粒子将被黑洞吞噬，而不会被研究。由于视界外的粒子是有质量的真实粒子，根据质量和能量守恒定律，视界内被吞噬的粒子具有负能量和负质量，可以减少黑洞的能量和质量。

如果被吞噬的虚拟粒子得到满足，并且黑洞失去的质量超过增加的质量，黑洞将逐渐消失。黑洞越小，蒸腾速率越快，直到黑洞完全消失。然而，这种效果极其缓慢。质量与太阳相同的黑洞需要在大约10 58年内蒸发0.0000001%的质量。因此，质量大的黑洞可以存活很长时间，普通恒星死亡的黑洞估计可以存活10 66年，超大质量的黑洞可以存活10 90年。霍金辐射也知道为什么我们不能观察世界诞生时出现的微型黑洞，因为它们已经蒸发了。

霍金辐射非常微弱，在太空中无法观察到。2008年6月，美国宇航局发射了费米伽马射线太空望远镜(GLAST)。它的主要科学意图之一是在蒸腾的黑洞中找到伽马射线的光，并确认它与霍金辐射的联系。现在，以色列物理学家想出了一个非常有思想的方法来测量实验室里的霍金辐射。

瀑布事件视界

以色列技术研究所的物理学家杰弗斯泰因豪尔和他的伙伴在“玻色-爱因斯坦凝聚”条件下使用了一种非常冷的气体来模拟黑洞的视界。当玻色子原子被冷却到接近绝对零度时，它将呈现气态超流体状态(完全没有粘性，可以在环形容器中无休止地运动)，这就是玻色-爱因斯坦凝聚。在这种情况下，几乎所有的原子都聚集到最低的量子态，形成微观量子态。与其他常见的相态相比，玻色-爱因斯坦凝聚非常不稳定。外界极小的影响可能会使它受热超过临界温度并分解成一个原子。

事件视界是黑洞的一个看不见的时空间隙，没有什么能从事件视界的内部逃脱(一个经常被误解的概念是认为有可能研究物质落入黑洞的过程，但这是不可能的)。远距离研究者只能看到物质以越来越慢的速度接近它，但是物质本身不会有任何异常，并且会在有限的时间内穿过事件视界。

研究人员在流动的玻色-爱因斯坦凝聚气流中放置了一个“悬崖”，形成了一个气体“瀑布”。当气体以瀑布的方式向下流动时，它可以将满足的势能转化为动能，使其运动速度超过音速。

研究人员没有使用物质和反物质粒子，而是将成对的声子或量子声波放入气流中。气体缓慢移动一侧的声子与气流方向相反，远离瀑布，而气体快速移动一侧的声子无法远离瀑布，被超音速气体“黑洞”捕获。

“这就像当你试图向上游游泳时，水流比你的游泳速度要快，”施泰因豪尔在一次采访中说。“你觉得你在前进，但实际上你在后退。类似地，黑洞中的光子试图逃离黑洞，但被重力以错误的方式吸引。

霍金推测，黑洞发射的粒子辐射将在连续的波长和能谱中。他还认为辐射可以用温度来描述，温度只取决于黑洞的质量。最近的“声学黑洞”测试证明了这两种推测。

巴黎XI大学理论物理实验室的理论物理学家雷诺·帕拉塔已经证明，这些实验可以被描述为科学创造。帕兰塔·尼主要从理论角度研究如何模拟黑洞，并没有参与这项新的研究。他说:“这是一个非常准确的测试。在实验方面，杰夫·施泰因豪尔确实是世界上利用冷原子探索黑洞物理现象的顶尖专家。”

然而，帕伦塔强调，讨论是“漫长过程中的一步”，特别是讨论没有表明声子对在量子水平上是相关的，这是霍金推测的另一个重要方面。“故事将会继续，”帕瑞塔说，“这还没有结束。

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