實驗室中的「黑洞」，證實了霍金的預測？
1.
黑洞，是愛因斯坦基於廣義相對論作出的最神奇預言之一。任何事物一旦跨過黑洞的事件視界，便再也無法返回，哪怕是光。在1974年，霍金提出了一個顛覆性的觀點：黑洞並不是完全黑的，而是會釋放出熱輻射。他認為，微小的粒子流會從每個黑洞的邊緣流出，也就是所謂的霍金輻射。
量子物理學告訴我們，真空並不是完全空的，而是充滿了成對出現的粒子，它們在出現之後會立即相互湮滅。霍金髮現，在黑洞事件視界的附近，如果一對粒子被潮汐引力分開，那麼其中一個粒子會被黑洞吸收，另一個粒子則會以熱輻射的形式被發射到太空中。被吸收的那個粒子具有負能量，會導致黑洞質量的下降。
換句話說，霍金髮現的是一個會使黑洞收縮進而消失的量子過程。從天體物理學的角度來看，霍金輻射是一個決定了黑洞命運的過程。與霍金輻射有關的溫度，也就是霍金溫度，反比於黑洞的質量。對於已觀測到的最小黑洞（其質量與太陽相似）而言，這個溫度大約是60nK（1nK=10??K）。所以說，想要通過天文觀測來探測如此微弱的霍金輻射幾乎是行不通的。
但是，物理學家們總能想到辦法來尋求突破，他們創建了一些可以描繪這種現象的模擬系統。其中一種模擬黑洞事件視界的方法就是使用由超低溫原子組成的流體。在這種流體中，部分流體的速度會大於或等於聲波在介質中的傳播速度。
在這個區域內產生的聲波必須跟隨流體流動，因為它無法對抗強大的流體流動而逆向傳播，就如同皮划艇被困在強大到無法克服的水流中無法前進一樣。這樣一來，在這個區域的外圍邊緣便形成了一個類似黑洞事件視界的區域，阻止了聲波的逃逸。
2.
在一項新的研究中，物理學家Jeff Steinhauer與同事就在實驗室中製造出了一個「聲波黑洞」，他們成功地測量了這個聲波黑洞輻射出的溫度。在一篇發表於《自然》期刊的論文中，他們詳細描述了如何從這個聲波黑洞中發現類似的輻射跡象的過程。
他們使用的是超低溫的銣-87原子，然後將這些銣原子冷卻到玻色-愛因斯坦凝聚態，並使其流動。他們用一束激光來限制玻色-愛因斯坦凝聚，再用另一束激光來產生一個向下的勢能階躍（在該區域的勢能會急劇下降）。
階躍會以恆定的速度在玻色-愛因斯坦凝聚中運動，反過來看，就等同於玻色-愛因斯坦凝聚在一個將階躍視作為靜止的參照系中以恆定的速度運動。在階躍上流過的玻色-愛因斯坦凝聚被加速到超音速，從而形成了一個模擬的黑洞事件視界。
新的研究建立在之前的幾個實驗方法相同的研究之上，在那些實驗中，研究人員為了研究霍金輻射也曾採用相同的方法來模擬黑洞事件視界。但物理學家們只從那些研究中證實了霍金輻射的跡象，他們並沒有測量到霍金輻射的溫度。
但在新的研究中，聲波在這種流體中的演化可以精確地模擬出經典場或量子場在黑洞事件視界附近的傳播。在這種聲波黑洞中，也可以出現類似「粒子對」的情況：一對聲子聲波會一起出現，其中一個會掉進去，另一個會逃逸。逃逸的聲波以霍金輻射的形式從超音速區域被發射出去，另一個具有負能量的聲波則被吸收進入到這個區域。
通過對逃逸聲子和落入聲子的測量，研究人員估算出聲子的溫度為0.35nK。這一結果與霍金的預測是相吻合的。
3.
在霍金提出他的理論之後，這種輻射的熱屬性導致了一個難題，那就是所謂的黑洞信息悖論。根據量子力學，信息永遠不會被破壞。但是從黑洞中逃逸出來的粒子會慢慢削弱這個龐然大物的質量，經過足夠長的一段時間，這個黑洞就會化為烏有。
這意味著落入黑洞的信息將不再包含於其中。如果霍金輻射是熱輻射，那麼這些信息就不可能被逃逸的粒子帶走。因為一個黑洞的霍金輻射所發射出的粒子，無法與從溫度相同的普通物體所發射出的粒子區分開來，也無法與從另一個相同質量的黑洞所發射出的粒子區分開來。這就意味著隨著黑洞的蒸發，信息丟失了。這與量子力學是相違背的。
對於這次新的突破，我們還不清楚它能否幫助我們解決信息悖論。如果最終的解決方案是需要能將引力和量子力學結合在一起的量子引力理論，那麼新的研究或許就無法幫我們解決信息悖論，因為聲波黑洞並不是由引力產生的。
但新研究的最大新穎之處就在於，他們採用了一種非常巧妙的檢測方法來提取輻射的溫度，這為模擬黑洞中的霍金溫度提供了第一個證據。此外，聲波黑洞還可以被用於研究許多其他有趣的現象，比如量子相關性。根據物理學家的預測，在事件視界產生的聲波對將可以顯示出這種特性。
參考鏈接：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1241-0
[2] https://www.nature.com/articles/d41586-019-01592-x
[3] https://www.sciencenews.org/article/first-scientists-took-temperature-sonic-black-hole
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