霍金輻射是否真的存在？人造黑洞給出答案

謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給兵山天文社，紀(jì)念那些一起討論黑洞蒸發(fā)的夜晚。直入主題，先來(lái)看一下什么是黑洞？

愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論之后僅1個(gè)月，還在戰(zhàn)壕里的史瓦西就求出了愛因斯坦方程的第一個(gè)解。在這個(gè)球?qū)ΨQ的解中有兩個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)在中心處，另一個(gè)在史瓦西半徑處。

這個(gè)解成為了后來(lái)黑洞理論的基礎(chǔ)，當(dāng)質(zhì)量超過(guò)3倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星在引力下塌縮，其半徑縮小到小于史瓦西半徑后就會(huì)形成一個(gè)黑洞。史瓦西半徑處的奇點(diǎn)又被稱為視界。

視界將黑洞分成了兩個(gè)截然不同的部分：視界內(nèi)和視界外。視界內(nèi)的信息不能傳遞到視界外面；視界外面、靠近視界的任何物質(zhì)都會(huì)掉到視界里面去，這就是所謂的黑洞吞噬。

而在視界處同時(shí)還發(fā)生著霍金輻射，或者稱之為黑洞蒸發(fā)，正是由于這種蒸發(fā)的存在，確保了黑洞并不會(huì)無(wú)限制擴(kuò)張，最終吞噬整個(gè)宇宙。

1976年，英屬哥倫比亞大學(xué)的威廉·盎魯(William G. Unruh)所提出：一名加速運(yùn)動(dòng)的觀察者可以觀測(cè)到慣性參考系中觀察者無(wú)法看到的黑體輻射，即加速運(yùn)動(dòng)的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)自己處在一個(gè)溫暖的背景中。

在熱力學(xué)中我們知道，有溫度就會(huì)出現(xiàn)黑體輻射。這樣一來(lái)在黑洞的視界上就會(huì)出現(xiàn)黑體輻射，也就是說(shuō)有能量從黑洞內(nèi)輻射出來(lái)，這種輻射就是霍金輻射。霍金輻射的溫度與黑洞質(zhì)量成反比。黑洞會(huì)因?yàn)檩椛涠饾u變小，溫度逐漸升高，最后以爆炸的方式消失。

這里我們不去用量子力學(xué)對(duì)這個(gè)過(guò)程做理論解釋，咱們把注意力的焦點(diǎn)放在——這種輻射真的存在嗎？

是不是真的存在理論預(yù)言說(shuō)了不算，當(dāng)然要靠客觀驗(yàn)證。但是，即使是距離地球最近的黑洞也遠(yuǎn)在1000光年之外，目前沒(méi)有辦法利用探測(cè)器靠近。所以人造黑洞就成為了目前驗(yàn)證霍金輻射的唯一辦法。

那么實(shí)驗(yàn)室能造出來(lái)人造黑洞嗎？這個(gè)是可以的，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

第一種人造黑洞是20世紀(jì)80年代，前面提到的威廉·盎魯教授提出：聲波在流體中的表現(xiàn)與光在黑洞中的表現(xiàn)非常相似，如果使流體的速度超過(guò)聲速，那么就可以在該流體中建立一個(gè)聲音現(xiàn)象的“人造黑洞”。

直到2009年，這種聲學(xué)黑洞才在銣的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)中得以實(shí)現(xiàn)，其表面引力和溫度已經(jīng)被測(cè)量出來(lái)，但還沒(méi)有進(jìn)行霍金輻射的測(cè)量，但科學(xué)家們已經(jīng)提出適合進(jìn)行這種測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案。

另一種黑洞是利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，在高能粒子的對(duì)撞中制造出一個(gè)小黑洞。2005年3月18日，英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道了美國(guó)已經(jīng)利用重離子對(duì)撞機(jī)制造出了第一個(gè)“人造黑洞”。雖然這個(gè)黑洞很小，但它可以將周圍比自身質(zhì)量大10倍的粒子吸收進(jìn)去。

2009年10月15日，英國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，中國(guó)首次制造出了可以吸收周圍電磁輻射的“人造黑洞”。這實(shí)際上是一個(gè)能吸收電磁波，使之變成熱能的能量轉(zhuǎn)換裝置。這種裝置目前還不能吸收可見光，只能吸收某些特定波長(zhǎng)的微波。

這些人造黑洞的存在，盡管還無(wú)法進(jìn)行霍金輻射的精確測(cè)量驗(yàn)證，但其存在本身就已經(jīng)證實(shí)了霍金輻射的存在。若非霍金輻射，則我們的地球早已經(jīng)被這些人造黑洞慢慢吞噬。同時(shí)，這些人造黑洞的存在，也為驗(yàn)證目前的黑洞理論，提供了實(shí)驗(yàn)室解決方案。

相信，在這些人造黑洞的支持下，黑洞理論的嚴(yán)格驗(yàn)證也只是一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題。