关 注 互 联 网
搜 罗 天 下 事

模拟引力:实验室中的终极理论之梦

模拟引力:实验室中的终极理论之梦

       相对论和量子力学理论是现代物理学的基石。它们都诞生于20世纪的前30年,从根本上改变了人类对世界的理解。不幸的是,广义相对论和量子力学仍然无法和谐相处。因此,建立量子引力理论,在一个理论框架内统一广义相对论和量子力学,是物理学家的梦想。

       霍金辐射可能会激发理解量子引力。人们一直认为,物质落入黑洞是一段单向的旅程,甚至光线也无法逃脱。1974年,霍金将量子力学应用到黑洞视野附近,假设黑洞也会释放辐射,这就是著名的霍金辐射。

       由于量子效应,真空会继续产生虚拟粒子对,这些虚拟粒子通常会很快消失。但在黑洞视野附近有一个特殊的情况:一个可能落入黑洞,另一个可能会逃跑。对于视野外的观察者来说,黑洞发出霍金辐射。

模拟引力:实验室中的终极理论之梦

图片来源附近的虚粒子:Mihail Petev

       验证霍金辐射将大大加深物理学家对时空本质的理解。如果观察到霍金辐射,我认为最直接的后果是霍金获得了诺贝尔物理学奖。中国科学院高能研究所研究员张双南告诉全球科学。

       追求微弱的辐射

       寻找霍金辐射的证据是黑洞研究长久以来的一个课题。然而,运用天体物理的方法直接观测霍金辐射的可能性微乎其微。

       根据霍金理论,霍金辐射与黑洞质量成反比。太阳质量的黑洞释放的霍金辐射温度低于开尔文的千分之一,而宇宙微波背景辐射约为3开尔文。因此,霍金辐射将消失在宇宙微波背景辐射的光辉中。观测比白天看星星更困难。

       然而,在宇宙形成之初,它们的霍金辐射温度温度高于宇宙微波背景辐射的微型黑洞。如果这些微型黑洞的质量超过1015克,它们今天仍然可能存在于银河系附近。这些黑洞可能会在最后一刻通过霍金辐射产生伽玛辐射爆发,这可能会被伽玛辐射探测器观察到。但是这些黑洞很小,只能产生很少的霍金辐射,也很难观察到。

       目前,所有探测黑洞霍金辐射的尝试都没有给出积极的结果。一些物理学家对能否观察到霍金辐射持悲观态度。也许宇宙爆炸时没有那么多微型黑洞,霍金的理论也可能有问题。例如,张双南和他的学生杨荣佳曾发表修改霍金辐射的理论,提出黑洞中的霍金辐射最终可能不会产生伽玛辐射爆发,而是形成稳定的颗粒,这可能是暗物质。如果是这样,就不可能观察到霍金辐射的天体物理黑洞。

       自然-物理学》(nature physics)最后一篇论文引起了科学界的广泛关注,国内外媒体也做了大量报道。以色列理工学院唯一的物理教授 Jeff Steinhauer 说他从实验室一个是玻色的-霍金辐射是在爱因斯坦凝聚态创造的声学黑洞中观察到的。

       然而事情很快出现转折。以色列威兹曼科学院教授 Ulf Leonhardt 在 arXiv 发表论文质疑 Steinhauer 结果。他告诉环球科学,Steinhauer 虽然他在实验中取得了巨大的成就,但实验不足以证明他观察到霍金辐射。Leonhardt 已经他的将论文投至《自然-物理学。那么 Steinhauer 你观察到霍金辐射了吗?

       类比思想开启了新的领域

       探索未知的道路总是充满荆棘,一些物理学家找到了一种新的方法,使用物理学中最重要的方法——类比,试图从类似的现象中找到灵感。除了使用超级碰撞机和大型望远镜,基础物理也可以在小型实验室进行。

       William Unruh 是哥伦比亚大学英属物理教授,曾提出Unruh 效应。他回忆起声学黑洞思想在全球科学中的形成。1972年,现代宇宙学之父霍金导师 Denis Sciama 邀请 Unruh 在牛津大学举办黑洞学术研讨会,Unruh 用更直观的方法描述黑洞,用声音的类比描述黑洞。后来,在教流体力学课程时,他又想到了这个类比,所以他做了一个详细的计算,发现结果比他想象的要好得多。

模拟引力:实验室中的终极理论之梦

图片来源:Mihail Petev

       Unruh 向环球科学解释说,我们可以把黑洞想象成瀑布,瀑布里的小鱼可以代表声速。当水流超过小鱼逆流游动的速度时,小鱼最终会落入瀑布,类似的物质也会落入黑洞。

赞(0)
未经允许不得转载:唯爱网络博客 » 模拟引力:实验室中的终极理论之梦

业余吃瓜,理性学习,发现美的世界