研究人员在模拟黑洞中观察静止的霍金辐射

诸平

黑洞是空间中引力非常强大的区域，任何进入黑洞的物体都无法逃逸，包括光。理论预测表明，黑洞周围有一个被称为视界的半径。一旦某物穿过视界，它就再也无法逃脱黑洞，因为它靠近中心时引力会变得更强。

理论物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）预言，尽管没有任何东西可以从黑洞中逃逸出来，但黑洞会自发地释放出一定量的光，这就是所谓的霍金辐射（Hawking radiation）。根据他的预测，这种辐射是自发的(也就是说，它是凭空产生的)和稳定的(也就是说，它的强度不会随着时间变化太多)。

以色列理工学院（Technion- Israel Institute of Technology）的研究人员最近进行了一项研究，旨在验证霍金的理论预测。更具体地说，他们检查了在实验室环境中创造的“人工黑洞”中的霍金辐射当量是否静止。相关研究结果已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——Victor I. Kolobov, Katrine Golubkov, Juan Ramón Muñoz de Nova, Jeff Steinhauer. Observation of stationary spontaneous Hawking radiation and the time evolution of an analog black hole. Nature Physics, 2021. DOI: 10.1038/s41567-020-01076-0. Published: 04 January 2021.

此项研究成果的通讯作者杰夫·施泰因霍尔（Jeff Steinhauer）告诉物理学家组织网（Phys.org），“如果你进入视界内部，就没有办法出去，即使是光。”霍金辐射开始于视界之外，在那里光几乎无法逃逸。这真的很奇怪，因为那里什么都没有;它是空的空间。然而，这种辐射从无到有，出来了，然后飞向地球。

杰夫·施泰因霍尔和他的同事创造的人造黑洞大约有0.1 mm长，由8000个铷(rubidium)原子构成的气体组成，这是一个相对较少的原子数量。每当研究人员拍下它的照片，这个黑洞就被摧毁了。为了观察它随时间的演化，他们必须产生黑洞，拍下它的照片，然后再创造另一个。这个过程重复了很多次，持续了好几个月。

这个模拟黑洞发出的霍金辐射是由声波而不是光波构成的。铷原子的流动速度比声速快，因此声波无法到达视界并逃离黑洞。然而，在视界之外，铷原子气体流动缓慢，因此声波可以自由移动。

杰夫·施泰因霍尔解释说:“铷的流动速度非常快，比声速还要快，这意味着声音不能逆流而动。”“假设你想逆流而上，如果水流的速度超过了你游泳的速度，那么你就不能前进，你就会被推回来，因为水流的速度太快了，而且是在相反的方向，所以你就被困住了。这就是被困在黑洞里并试图从里面到达视界的感觉。”

根据霍金的预言，黑洞发出的辐射是自发的。在他们之前的一项研究中，杰夫·施泰因霍尔和他的同事在他们的人工黑洞中证实了这一预测。在他们的新研究中，他们开始调查黑洞发出的辐射是否也是静止的(也就是说，辐射不随时间而变)。

杰夫·施泰因霍尔说:“黑洞应该像黑体一样辐射，它本质上是一个温暖的物体，发出恒定的红外辐射(即黑体辐射)。”霍金认为，黑洞就像普通恒星一样，一直不断地辐射某种类型的辐射。这就是我们想要在研究中证实的，我们也做到了。”

霍金辐射是由一对光子(即光粒子)组成的:一对从黑洞中出来，另一对落入黑洞。杰夫·施泰因霍尔和他的同事们在试图识别由他们创造的模拟黑洞发出的霍金辐射时，就寻找到了类似的声波对，一对来自黑洞，另一对进入黑洞。一旦他们确定了这些声波对，研究人员试图确定它们之间是否有所谓的相关性。

杰夫·施泰因霍尔说:“我们必须收集大量数据，才能看到这些相关性。”“因此，我们进行了9.7万次重复的实验;共计124天的连续测量。”

总的来说，这些发现似乎证实了黑洞发出的辐射是恒定不变的，正如霍金所预测的那样。虽然这些发现主要适用于他们创造的模拟黑洞，但理论研究可以帮助证实它们是否也适用于真正的黑洞。

杰夫·施泰因霍尔说:“我们的研究也提出了重要的问题，因为我们观察了模拟黑洞的整个生命周期，这意味着我们也看到了霍金辐射是如何开始的。”“在未来的研究中，人们可以尝试将我们的结果与对真实黑洞中会发生什么的预测进行比较，看看‘真实的’霍金辐射是否像我们观察到的那样从无开始，然后逐渐增强。”

在研究人员实验过程中的某个时刻，随着黑洞形成所谓的“内视界（inner horizon）”，其模拟黑洞周围的辐射变得非常强。除了视界之外，爱因斯坦的广义相对论还预言了内视界的存在，内视界是指黑洞内半径，它描绘出离黑洞中心更近的区域。

在内视界内部的区域，引力要低得多，因此物体可以自由移动，不再被拉向黑洞的中心。然而，它们仍然不能离开黑洞，因为它们不能以相反的方向穿过内视界。

杰夫·施泰因霍尔说:“本质上，视界是一个黑洞的外部球体，在它的内部，有一个小球体叫做内视界。”“即使你穿过了内视界，那仍然被困在黑洞里，但至少你不会感到置身于黑洞中的奇怪物理现象。”你会处于一种更加“正常”的环境中，因为地心引力会降低，所以你不会再感受到它。

一些物理学家预测，当模拟黑洞形成内视界时，它发出的辐射会变得更强。有趣的是，这正是以色列理工学院（Technion – Israel Institute of Technology）的研究人员在模拟黑洞中所发现的情况。这项研究可以启发其他物理学家去研究内视界的形成对黑洞霍金辐射强度的影响。上述介绍仅供参考，更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The emission of Hawking radiation from a black hole was predicted to be stationary, which is necessary for the correspondence between Hawking radiation and blackbody radiation. Spontaneous Hawking radiation was observed in analogue black holes in atomic Bose–Einstein condensates, although the stationarity was not probed. Here we confirm that the spontaneous Hawking radiation is stationary by observing such a system at six different times. Furthermore, we follow the time evolution of Hawking radiation and compare and contrast it with predictions for real black holes. We observe the ramp-up of Hawking radiation followed by stationary spontaneous emission, similar to a real black hole. The end of the spontaneous Hawking radiation is marked by the formation of an inner horizon, which is seen to cause stimulated Hawking radiation, as predicted. We find that the stimulated Hawking and partner particles are directly observable, and that the stimulated emission evolves from multi-mode to monochromatic. Numerical simulations suggest that Bogoliubov–Cherenkov–Landau stimulation predominates, rather than black-hole lasing.