首次有效證明！最新在實驗室黑洞模擬物中測試霍金輻射！

驚奇 03-18

魏茨曼科學研究所(Weizmann Institute of Science)和Cinvestav的研究人員最近進行了一項研究，在實驗室模擬的黑洞上測試霍金輻射理論。在實驗中，研究人員使用非線性光纖中的光脈衝來建立人造的黑洞事件視界。早在1974年，著名物理學家斯蒂芬·霍金就以他的霍金輻射理論震驚了物理學世界。霍金輻射理論認為，由於黑洞視界附近的量子效應，黑洞不應該是黑色的，而應該微微發光。根據霍金的理論，黑洞周圍強大的重力場會影響匹配粒子和反粒子對的產生。如果這些粒子是在視界外產生的，那麼這對粒子中的正極部分可能會逃逸，從而導致從黑洞發出觀察到的熱輻射。

博科園-科學科普：這種輻射後來被稱為霍金輻射，因此由光子、中微子和其他亞原子粒子組成。霍金輻射理論是最早將量子力學概念與愛因斯坦廣義相對論結合起來的理論之一。萊昂納特說：我是在1997年通過講授一門課程來學習廣義相對論的，而不是通過上課。這是一次相當緊張的經歷，我比學生們早了幾個星期，但我真的了解了廣義相對論，並愛上了它。

同樣這也發生在愛因斯坦的出生地烏爾姆。從那以後，一直在尋找我的研究領域，量子光學和廣義相對論之間的聯繫。我的主要目標是揭開廣義相對論的神秘面紗。如果像我和其他人展示的那樣，像玻璃這樣的普通光學材料就像彎曲的空間，那麼廣義相對論的彎曲時空就會變成某種有形的東西，而不會失去它的魅力。

背景中的拋物面鏡將暗紅色的光聚焦到纖維中，纖維的另一端發出明亮的藍色光，研究人員提取並測量了霍金輻射中的一小部分強光。圖片：Drori et al.

萊昂納特與他的第一個博士生保羅·皮烏尼奇合作，提出了一些關於如何創造光學黑洞的初步想法，並於1999年和2000年發表。2004年他終於實現了一種真正有效的方法，這就是他最近研究中使用的方法。想像一下，就像愛因斯坦的格丹肯實驗一樣，光會追逐另一個光脈衝。

假設所有的光都在光纖中傳播。在玻璃纖維中，脈衝改變了追逐它光的速度，使光不能超過脈衝。它經歷了一個白洞的地平線；一個它不能進入的地方。脈衝前半部分的作用正好相反：一個黑洞視界，一個光無法離開的地方，這是一個簡單的想法。Leonhardt和同事在2008年發表並證明了這一觀點，後來試圖用它來證明霍金輻射。

霍金輻射從未在太空中被直接觀測到，因為這在目前還不可行。然而它可以在實驗室環境中進行演示，例如，使用玻色-愛因斯坦冷凝物、水波、極化子或光。過去有幾位研究人員試圖利用這些技術在實驗室中測試霍金輻射，但他們的大多數研究實際上存在問題，因此一直存在爭議。

例如，過去在光介質中使用強光脈衝得到的一些結果與理論不一致。而不是像作者自己後來發現的那樣，觀察地平線所產生的霍金輻射，他們實際上觀察到了地平線——由光脈衝產生的更少輻射，因為它們超過了其他頻率光的相速度。其他試圖觀察水波和玻色-愛因斯坦冷凝物上霍金輻射的研究也被證明是有問題的。

萊昂納特在與《物理世界》(Physics World)討論這些研究的結果時寫道：我非常欽佩從事這些研究人們的英雄主義精神，以及他們的技術技能和專業知識，但這是一門很難的學科，視野是完美的陷阱，人們很容易在不注意的情況下陷入困境，這也適用於horizon研究。根據經典定義，我們學習並成為專家：

專家是指犯過所有可能的錯誤(並從中吸取教訓)的人。之前的研究證明，在實驗室中觀測霍金輻射是一項極具挑戰性的任務。萊昂哈特和同事們進行的這項研究可能是光學中霍金輻射的首次有效證明。黑洞被它視界所包圍，地平線標誌著光再也無法逃逸的邊界。霍金預言在視界上光量子被創造出來。

這張圖片展示了電子顯微鏡下研究人員纖維內部的照片。這些纖維是複雜的光晶纖維，它們像人的頭髮一樣細，內部有孔結構，引導中心的光。圖片：Drori et al.

一個光子出現在視界外並能夠逃逸，而另一個光子出現在視界內並落入黑洞。根據量子力學，粒子與波有關，外面的光子屬於正頻率振蕩的波，裡面的光子屬於負頻率振蕩波在他們的研究中，Leonhardt和同事利用正頻率和負頻率來製造光。正頻光為紅外，負頻光為紫外。研究人員檢測到這兩種情況，然後將其與霍金的理論進行比較。

用靈敏的設備探測到那一點點紫外線，是光學中受激霍金輻射的第一個清晰跡象。這種輻射被稱為「受刺激的」，因為它是由研究人員用來追蹤脈衝探頭光所刺激的。也許最重要的發現是，黑洞並不是什麼不尋常的東西，而是它們與光脈衝在纖維中對普通光的作用非常相似。

展示霍金輻射等微妙的量子現象並不容易。它需要極短的脈衝，非凡的纖維，敏感的設備，最後但並非最不重要的是，勤奮學生的努力工作。但即便是霍金輻射，人們也能真正理解。這項由萊昂哈特和同事們進行的研究是物理學領域的一項重要貢獻，因為它提供了光學中霍金輻射的首次實驗室演示。

研究人員還發現，儘管把光學推向了極端，但與視界的類比卻非常有力，這增強了他們對理論有效性的信心。現在需要改進我們的準備工作，為下一個重大挑戰做好準備：觀測自發霍金輻射。在這種情況下，輻射不再受到刺激，除了不可避免的量子真空波動。下一個目標是改進儀器，測試受激霍金輻射的各個方面，然後再進行自發霍金輻射。