黑洞實驗或證明霍金最著名理論正確

最新刊於《物理評論研究》的研究指，成功以實驗室製造的黑洞模擬物測試英國已故物理學家霍金最著名的理論之一，結果亦正如他生前所預測一樣。

該實驗利用單行原子鏈來模擬黑洞的事件視界，進一步證明了霍金的預測：黑洞應從其邊界附近隨機出現的虛擬粒子發出微弱輻射。更重要的是，團隊發現，大多數光子應該是在黑洞邊緣周圍產生的。

根據量子場論，沒有「真空」這回事。相反，空間充滿了微小的振動，如果充滿了足夠的能量，這些振動會隨機爆發成虛擬粒子——幾乎立即相互湮滅的粒子—反粒子對——繼而產生光。在 1974 年霍金預測，黑洞事件視界處感受到的極端引力會以這種方式召喚光子，而根據愛因斯坦的廣義相對論，引力會扭曲時空，因此量子場越接近黑洞奇點的巨大引力，就會越扭曲。

由於量子力學的不確定性和怪異性，這種扭曲產生了不同移動時間的不均勻口袋，以及隨後整個場的能量尖峰。正是這些能量錯配使得虛擬粒子從黑洞邊緣看似虛無的位置中出現，然後自我湮滅，產生一種稱為霍金輻射 (Hawking radiation) 的熱輻射。

物理學界一直想知道霍金的這個預測是否正確，因為它是在物理學的兩大、但目前互相矛盾的理論的極端邊界上所作出：愛因斯坦的廣義相對論描述了大物體的世界；量子力學則詳細描述了最小物體的奇怪行為粒子。

然而，要直接檢測假設的光是天體物理學家不太可能實現的事情。首先，前往黑洞（已知距離地球最近的黑洞距離地球 1,566 光年）以及到達黑洞後，不被其巨大引力吸入並變得「麵條化」都面臨著相當大的挑戰。其次，學者認為黑洞周圍出現的霍金光子數量很少；在大多數情況下，霍金光子會被其他發光效應淹沒。

在沒有真正黑洞的情況下，物理學家近年不斷在模擬黑洞極端條件的實驗中尋找霍金輻射。 2021 年，有團隊曾使用超冷、激光束縛的銣元素 (rubidium) 原子，創造了波狀激發形式的虛擬粒子。

在是次研究中，另一個原子鏈實驗取得了類似成功。是次團隊通過調整電子從一個原子跳到另一個原子的難易程度，創造了黑洞時空扭曲事件視界的合成版本。

在調整這條鏈使其一部分落在模擬的事件視界上之後，團隊記錄了鏈中的溫度峰值，以模擬黑洞周圍產生的紅外輻射的結果。發現表明，霍金輻射可能作為位於事件視界兩側的粒子之間的量子糾纏效應而出現。

有趣的是，這種效應僅在原子跳躍從幾組平坦時空配置轉變為扭曲時空配置時才會出現。這表明霍金輻射需要時空的特定能量配置才可發生變化。

不過，由於模型中無黑洞產生的強大引力扭曲，這未能對量子引力理論和潛在的自然產生的真實霍金輻射作出完美的解釋。

來源：

Live Science, Lab-grown black hole may prove Stephen Hawking’s most challenging theory right

報告：

Mertens, L., Moghaddam, A.G., Chernyavsky, D. & et al. (2022). Thermalization by a synthetic horizon. Phys. Rev. Research 4, 043084. doi: 10.1103/PhysRevResearch.4.043084

文／AC