霍金辐射在“超级模仿秀”中显现

通过实验室手段模拟霍金辐射，早已不是开创性的新鲜课题，最近的声波实验模拟了从黑洞逃逸的轻子，科学家比历史上任何时期都更加接近对黑洞辐射模拟的真实过程，最近的实验模型模仿了从黑洞边缘发出的“霍金辐射”， 黑洞辐射或霍金辐射产生于量子力学效应，霍金预测了黑洞不全黑的性质，有些从黑洞逃逸的粒子带走了微量辐射，黑洞辐射最新的研究成果发表在《自然》杂志的物理学栏目。实验科学家用超冷的流体物捕获了在其中移动的声波，好似超大引力的黑洞捕获了跌入黑洞视界的粒子。

通过开发超级的模拟装置，科学家最终可能解决黑洞的“信息悖论”问题，他们一直怀疑所谓的黑洞信息的丢失问题，当某种信息不慎落入了黑洞的“万丈深渊”，似乎在无边无际的黑暗中消失了，40年前，物理学家斯蒂芬·霍金发表了震惊物理学界的断言：黑洞不全是黑的，微量辐射可能摆脱了黑洞引力，逃逸到黑洞周围的太空，霍金预言激发了一个饶有兴趣的命题，有些科学家大胆猜想：跌入黑洞的信息将以微量辐射的方式逃出黑洞的束缚，而黑洞辐射内含了信息编码。

以量子力学的基本原理为指导，霍金构想了黑洞辐射的概念，量子涨落是微观能量的波动状态，真空态的太空瞬间会发生量子涨落现象。太空的真空态不是完全的虚空，真空内实际上充满了沸腾的物质和反物质粒子，正反离子对以波动方式在真空中“跳进跳出”，处于“来无影、去无踪”的游离态，正反离子对在碰撞时立刻发生了湮灭反应，但在黑洞的视界区域出现特别的情形。

在靠近黑洞的视界区域产生了离子对，正反离子对可能还来不及在碰撞中发生湮灭反应，就被黑洞视界区域的强大引力拉开，一个靠近黑洞视界的粒子在引力或时空弯曲的作用下冲进了黑洞视界，一个靠远黑洞视界的粒子留在黑洞的视界之外，冲出了黑洞视界的“牢笼”。霍金应用了量子力学和广义相对论的两大物理理论，迄今为止，物理学家并未探测到从霍金辐射中逃逸的粒子，难以从天体物理学的观测方式证实霍金辐射的存在，可能找到替代的方法，用实验的方法模拟黑洞的事件视界，用“人造黑洞”检验黑洞辐射理论。

制定了模拟黑洞引力效应的目标，以色列理工大学位于海法，物理学家杰夫·斯特恩豪尔和同事在以色列理工大学的实验室将一堆冷却的原子聚合在一起，创造了极低温的物理环境，相当于绝对零度以上的10亿分之一度，原子在几乎绝对零度的环境中紧缩起来，表现出单一流体的量子物理性质。非常容易获得实验操作的效果，极低温的原子堆积流体形成了所谓的波色——爱因斯坦凝聚体，声波悄无声息地穿梭在凝聚体，冷原子凝聚体成了声波运动的媒介物，可以用声波移动模拟由量子涨落引起的粒子运动。

物理学家杰夫·斯特恩豪尔和同事用激光技术创造了超音速流体，声波沿着流体的反方向移动，好似游泳运动员逆流而上或沿着水流的反方向游泳。超冷流体捕获了声波，好似黑洞视界捕获了跌入的物质粒子，超冷原子凝聚体捕获了声波，实验过程成功地模拟了黑洞的事件视界。科学小组在实验过程中很容易使用了控制技术，产生了声波“跳进跳出”的效果，好似物质和反物质的粒子对在真空中“进进出出”。声波在超冷原子凝聚体模拟的黑洞视界的两侧“一进一出”，出现了声波的“事件视界”，实验小组在实验室创造了替代“霍金辐射”的模拟环境。

通过探测器检测了放大的声波信号，反复调整流体的物理参数，实验小组在不同的声波“事件视界”中创造了更多的“声波对”，模拟实验相当于放大了霍金辐射效应，声波信号被提高到能够检测的水平。有些研究人员赞同实验小组的思路，有些研究人员则怀疑实验模型的严谨性。有必要精确模拟霍金辐射的效果，实验小组用5年时间对实验装置进行了提升，在放大信号的基础上检测“霍金辐射”，但有一点不能确定，是否在不同频率的辐射上都能检验霍金辐射的理论预言。

实验小组开发了无需放大声波信号的实验技术，通过“人造黑洞”的模拟装置检验黑洞的“信息悖论”。实验小组的检验方法为人们理解现代物理学两大领域的协调性提供了帮助，霍金辐射的概念应用了量子力学和爱因斯坦的引力理论，广义相对论实际上创新和延伸了牛顿的引力理论，量子力学从创立到现在逐渐地趋于完善，但物理学家至今没能将自然的引力融入量子力学的体系，霍金辐射的理论尝试将量子力学和广义相对论融合起来，朝着可检验方向迈出了重要一步。

“人造黑洞”事件视界的模拟实验给物理学家带来了机会，可以检验现代物理学的两大理论能否统一在单一的理论体系中。赫瑞瓦特大学位于英国的爱丁堡，英国的实验物理学家丹尼尔·菲克西欧解释说，斯特恩豪尔实验小组的实验采用了最有力和最清晰的检验方法，模拟了广义相对论和量子力学相融合的界面。2010年，菲克西欧和同事报告了一个发现，他们检测到了类似的“霍金辐射”现象。马里兰大学帕克分校的物理学家特德·雅各布森解释说，早在1999年，人们在实验室检测到了一种类似于“霍金辐射”的现象，

从声波装置的实验中认识了黑洞辐射，目前依然是难以企及的科学难题，超低温声波实验的价值是探索超冷原子物理学。不列颠哥伦比亚大学位于温哥华，这所大学的理论物理学家威廉·翁鲁解释说，即使是实验小组开发的模拟装置与霍金辐射不十分匹配，但实验方法在模拟霍金辐射现象时出现了十分接近真实的效果，科学家设想和应用了很多的实验方法，其中的超低温声波实验方法最受鼓舞和好评，在不久的将来，人们可能迎来对霍金辐射进行检验的时刻，从检验预期的霍金辐射理论中获得科学新知。

（2014-10-14）