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人造声音黑洞转瞬即逝 或可观测神秘"霍金辐射"

http://www.kexue.com 2011-01-12 09:11:33 新浪科技  发表评论

实验室中创建的声音黑洞(图像版权:Oren Lahav, et al.)
实验室中创建的声音黑洞。

  北京时间1月12日消息,黑洞之所以得名,是由于它能吸收所有射向它的光线,并且具有极高的密度,以至于连光都无法逃离它的表面。而在一项最新的研究中,科研人员在实验室中创造出一种“声音黑洞”,它会吸收声波,使其无法逃离。这种声音黑洞转瞬即逝,不过他们仍然希望能借此观察到神秘的“霍金辐射”(Hawking radiation),霍金提出,宇宙中的黑洞会发出辐射,但是这种辐射很难观测到。

  这项研究的负责人奥伦·拉海夫(Oren Lahav)和他来自以色列理工大学的同事们在最新的一期《物理评论快报》上刊登了他们的成果。

  科学家们借助一种特殊的物质态——玻色-爱因斯坦凝聚态实现了这一结果。借助磁阱,科学家们将10万个减速至最低量子态的铷原子组成了这一特殊的凝聚态。这种低温原子堆的表现就像是一个单独的大型量子机械体。而为了将这一凝聚体变成一个声音黑洞,科学家们需要加速凝聚体的一部分,使之达到超音速。这样以来,凝聚体的某些部分以超音速流动,而其他部分的流速则是亚音速。

  借助大直径激光,科学家们能够构建电势,并将部分凝聚态物质加速至超音速。技术人员已经证明,采用这种技术,能使这种凝聚态物质的速度达到音速的一个数量级以上。

  “我们这项工作最有意义的地方在于我们成功克服了朗道临界速度,这一定律认为流体速度不能超越音速。”同样来自以色列理工大学的研究组成员杰夫·斯特恩豪尔(Jeff Steinhauer)说。“我们的实验在有限的时间尺度上突破了这一限制。”

  在这个试验中,凝聚态物质被分成两部分,一部分的流速大于音速,而其余部分小于音速,中间的区域流速恰好等于音速,从而构成类似黑洞的“视界”的作用。在超音速流一侧,凝聚态的物质密度远小于亚音速流一侧。科学家解释这一现象是由于质量守恒:较低的密度必须由较高的速度来补偿。在此次实验中,科学家们至少能让这一“视界”在崩溃前维持20毫秒。

  就和黑洞能拴住光子一样,声音黑洞能拴住声子和其他波长介于1..6~18微米的波戈留夫激发。波长非常短的激发将可以逃逸,而波长长于这一数值范围的激发本身就无法存在于这一超音速流部分。

  接下来,科研人员计划用声音黑洞来研究霍金辐射。这是物理学家斯蒂芬·霍金提出的一个理论,即根据量子理论,黑洞可能会发出少量的热辐射。这种辐射将使黑洞收缩并最终完全蒸发消失。但到目前为止,想要探测到这种辐射仍然极具挑战性。

  为了观测到声音黑洞的霍金辐射效应,需要具备许多条件。比如受困的激发需具有负能量。对于这一点,技术人员已经找到了解决办法。他们将两束频率稍有差异的激光聚焦于凝聚体的超音速部分,受激发的凝聚体将从一束激光中吸收光子并在第二束激光中辐射出去,这将产生一种负能量的激发态。相信在未来这种声音黑洞将会帮助科学家们首次目睹霍金辐射的情景。

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