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。

简介

实验

目光锁定量子态

超音速流形成声学黑洞

重要意义

任重道远

简介

研究人员认为，通过提高原子速度穿过图片中央的黑色间隙，他们能够创造一个声学黑洞。这个人造黑洞能够产生世界上第一个可探测的霍金辐射。

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学院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。

实验

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学院的研究组成员杰夫·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。

目光锁定量子态

天体物理学认为，当物质密度达到足够大并塌陷后一个被称之为“奇点”的点时，黑洞就会形成。黑洞拥有惊人引力，任何物质——甚至光线在内都无法逃脱黑洞周围一个被称之为“事件视界”的边界拖拽，简单地说就是被黑洞吞噬。

但物理学家也可以创造只吸收声音的人造黑洞。具体方式是“哄骗”一种材料以超音速在介质中移动，在介质中穿行的声波无法跟上这种材料的速度，就像鱼儿在快速流动的河流中游动一样。声音最终被类似河流的事件视界捕获。

目前，材料物理学家正将目光聚焦所谓的“玻色-爱因斯坦”冷凝物。“玻色-爱因斯坦”冷凝物是物质的一种量子态，此时的原子团行为与单个原子类似。在此之前，科学家已经能够让冷凝物以超音速移动。美国科罗拉多州大学博尔德分校的埃里克·科内尔(Eric Cornell)表示，在操纵“玻色-爱因斯坦”冷凝物过程中，物理学家能够创造声学黑洞。

因在实验上实现“玻色-爱因斯坦”凝聚现象，科内尔曾分享2001年诺贝尔奖。他说，海法以色列理工学院的杰夫·斯蒂恩豪尔(Jeff Steinhauer)及其同事进行的一项新研究，是第一次目标直指在“玻色-爱因斯坦”冷凝物中产生霍金辐射的有证可考的实验。

超音速流形成声学黑洞

实验过程中，斯蒂恩豪尔等人将大约10万个带电铷原子冷却到只比绝对零度高出不到十亿分之十的温度，同时借助磁场捕获这些原子。在一束激光的帮助下，研究人员随后创建一个电势井以吸引铷原子同时促使它们在这种材料中以超音速Z字形穿过电势井。这一过程产生了一个持续8毫秒左右的超音速流，进而快速形成一个能够捕获声音的声学黑洞。创造人造黑洞具有非常重要的意义，能够促使科学家第一次探测霍金辐射。

量子力学认为，成对粒子可以自然而然地在真空区出现。在彼此湮灭并最终双双消失前，成对粒子——由一个粒子及其反粒子构成——可以存在非常短暂的时间。霍金在上世纪70年代指出，如果成对粒子在黑洞边缘附近形成，其中的粒子在被摧毁前可能掉入黑洞，反粒子则被搁浅在事件视界之外。对于观察者而言，这个粒子将以辐射的方式存在。在声学黑洞中，霍金辐射将以类似粒子的振动能量包形态存在，也就是所说的“声子”。

重要意义

加州理工学院宇宙学家肖恩·卡洛尔(Sean Carroll)表示，寻找霍金辐射对物理学来说具有非常重要的意义。卡洛尔在接受《新科学家》杂志采访时说：“单凭提出霍金辐射存在这一项成就，斯蒂芬·霍金就可以获得诺贝尔奖。这一假设告诉我们，我们正朝正确的道路迈进。”

霍金的理论提出了有关量子力学如何适用于被引力扭曲的太空环境的一些基本观点。量子力学的数学基础则被用于计算宇宙在膨胀期内如何运转，所谓的膨胀是指太空在大爆炸后不久快速扩张。但利用天文学观测手段探测霍金辐射并不是一件容易的事情，原因在于：典型黑洞的蒸发因能量更高的辐射源变得暗淡，其中就包括大爆炸的“余辉”宇宙微波背景辐射。

任重道远

在利用声学黑洞探测霍金辐射之前，研究人员仍有很长的一段路要走。据斯蒂恩豪尔研究小组估计，原子进入其装置的速度大约要提高9倍，才能创造以声子形态存在的可探测的霍金辐射。加拿大温哥华英属哥伦比亚大学的比尔·尤鲁(Bill Unruh)表示：“探测声学黑洞产生的声波绝对是一项艰难任务，但同时也是令人兴奋的第一步。”尤鲁率先提出利用量子流创造人造事件视界的想法。

对此持赞同态度的科内尔指出，以色列研究小组需要创造更为平稳的“玻色-爱因斯坦”冷凝物流，以测量霍金辐射的微妙迹象。他在接受《新科学家》杂志采访时说：“他们所做的工作采取了相对较为容易的一种方式。较难的是以一种非常安静的方式完成这项工作，这样才能发现对‘玻色-爱因斯坦’冷凝物流所做的所有猛烈事情使其以超音速移动之外所有微小的波动。”科内尔及其同事正在研制他们自己的实验装置以制造声学事件视界。