在一項最新的研究中，科研人員在實驗室中創造出一種“聲音黑洞”，它會吸收聲波，使其無法逃離。
基本介紹
- 中文名：聲音黑洞
- 外文名：Sound black hole
簡介,實驗,目光鎖定量子態,超音速流形成聲學黑洞,重要意義,任重道遠,
簡介
研究人員認為，通過提高原子速度穿過圖片中央的黑色間隙，他們能夠創造一個聲學黑洞。這個人造黑洞能夠產生世界上第一個可探測的霍金輻射。
這項研究的負責人奧倫·拉海夫(Oren Lahav)和他來自以色列理工學院的同事們在最新的一期《物理評論快報》上刊登了他們的成果。
實驗
科學家們藉助一種特殊的物質態——玻色-愛因斯坦凝聚態實現了這一結果。藉助磁阱，科學家們將10萬個減速至最低量子態的銣原子組成了這一特殊的凝聚態。這種低溫原子堆的表現就像是一個單獨的大型量子機械體。而為了將這一凝聚體變成一個聲音黑洞，科學家們需要加速凝聚體的一部分，使之達到超音速。這樣以來，凝聚體的某些部分以超音速流動，而其他部分的流速則是亞音速。
藉助大直徑雷射，科學家們能夠構建電勢，並將部分凝聚態物質加速至超音速。技術人員已經證明，採用這種技術，能使這種凝聚態物質的速度達到音速的一個數量級以上。
“我們這項工作最有意義的地方在於我們成功克服了朗道臨界速度，這一定律認為流體速度不能超越音速。”同樣來自以色列理工學院的研究組成員傑夫·斯特恩豪爾(Jeff Steinhauer)說。“我們的實驗在有限的時間尺度上突破了這一限制。”
在這個試驗中，凝聚態物質被分成兩部分，一部分的流速大於音速，而其餘部分小於音速，中間的區域流速恰好等於音速，從而構成類似黑洞的“視界”的作用。在超音速流一側，凝聚態的物質密度遠小於亞音速流一側。科學家解釋這一現象是由於質量守恆：較低的密度必須由較高的速度來補償。在此次實驗中，科學家們至少能讓這一“視界”在崩潰前維持20毫秒。
就和黑洞能拴住光子一樣，聲音黑洞能拴住聲子和其他波長介於1..6~18微米的波戈留夫激發。波長非常短的激發將可以逃逸，而波長長於這一數值範圍的激發本身就無法存在於這一超音速流部分。
接下來，科研人員計畫用聲音黑洞來研究霍金輻射。這是物理學家史蒂芬·霍金提出的一個理論，即根據量子理論，黑洞可能會發出少量的熱輻射。這種輻射將使黑洞收縮並最終完全蒸發消失。但到目前為止，想要探測到這種輻射仍然極具挑戰性。
為了觀測到聲音黑洞的霍金輻射效應，需要具備許多條件。比如受困的激發需具有負能量。對於這一點，技術人員已經找到了解決辦法。他們將兩束頻率稍有差異的雷射聚焦於凝聚體的超音速部分，受激發的凝聚體將從一束雷射中吸收光子並在第二束雷射中輻射出去，這將產生一種負能量的激發態。
目光鎖定量子態
天體物理學認為，當物質密度達到足夠大並塌陷後一個被稱之為“奇點”的點時，黑洞就會形成。黑洞擁有驚人引力，任何物質——甚至光線在內都無法逃脫黑洞周圍一個被稱之為“事件視界”的邊界拖拽，簡單地說就是被黑洞吞噬。
但物理學家也可以創造只吸收聲音的人造黑洞。具體方式是“哄騙”一種材料以超音速在介質中移動，在介質中穿行的聲波無法跟上這種材料的速度，就像魚兒在快速流動的河流中遊動一樣。聲音最終被類似河流的事件視界捕獲。
目前，材料物理學家正將目光聚焦所謂的“玻色-愛因斯坦”冷凝物。“玻色-愛因斯坦”冷凝物是物質的一種量子態，此時的原子團行為與單個原子類似。在此之前，科學家已經能夠讓冷凝物以超音速移動。美國科羅拉多州大學博爾德分校的埃里克·科內爾(Eric Cornell)表示，在操縱“玻色-愛因斯坦”冷凝物過程中，物理學家能夠創造聲學黑洞。
因在實驗上實現“玻色-愛因斯坦”凝聚現象，科內爾曾分享2001年諾貝爾獎。他說，海法以色列理工學院的傑夫·斯蒂恩豪爾(Jeff Steinhauer)及其同事進行的一項新研究，是第一次目標直指在“玻色-愛因斯坦”冷凝物中產生霍金輻射的有證可考的實驗。
超音速流形成聲學黑洞
實驗過程中，斯蒂恩豪爾等人將大約10萬個帶電銣原子冷卻到只比絕對零度高出不到十億分之十的溫度，同時藉助磁場捕獲這些原子。在一束雷射的幫助下，研究人員隨後創建一個電勢井以吸引銣原子同時促使它們在這種材料中以超音速Z字形穿過電勢井。這一過程產生了一個持續8毫秒左右的超音速流，進而快速形成一個能夠捕獲聲音的聲學黑洞。創造人造黑洞具有非常重要的意義，能夠促使科學家第一次探測霍金輻射。
量子力學認為，成對粒子可以自然而然地在真空區出現。在彼此湮滅並最終雙雙消失前，成對粒子——由一個粒子及其反粒子構成——可以存在非常短暫的時間。霍金在上世紀70年代指出，如果成對粒子在黑洞邊緣附近形成，其中的粒子在被摧毀前可能掉入黑洞，反粒子則被擱淺在事件視界之外。對於觀察者而言，這個粒子將以輻射的方式存在。在聲學黑洞中，霍金輻射將以類似粒子的振動能量包形態存在，也就是所說的“聲子”。
重要意義
加州理工學院宇宙學家肖恩·卡洛爾(Sean Carroll)表示，尋找霍金輻射對物理學來說具有非常重要的意義。卡洛爾在接受《新科學家》雜誌採訪時說：“單憑提出霍金輻射存在這一項成就，史蒂芬·霍金就可以獲得諾貝爾獎。這一假設告訴我們，我們正朝正確的道路邁進。”
霍金的理論提出了有關量子力學如何適用於被引力扭曲的太空環境的一些基本觀點。量子力學的數學基礎則被用於計算宇宙在膨脹期內如何運轉，所謂的膨脹是指太空在大爆炸後不久快速擴張。但利用天文學觀測手段探測霍金輻射並不是一件容易的事情，原因在於：典型黑洞的蒸發因能量更高的輻射源變得暗淡，其中就包括大爆炸的“餘輝”宇宙微波背景輻射。
任重道遠
在利用聲學黑洞探測霍金輻射之前，研究人員仍有很長的一段路要走。據斯蒂恩豪爾研究小組估計，原子進入其裝置的速度大約要提高9倍，才能創造以聲子形態存在的可探測的霍金輻射。加拿大溫哥華英屬哥倫比亞大學的比爾·尤魯(Bill Unruh)表示：“探測聲學黑洞產生的聲波絕對是一項艱難任務，但同時也是令人興奮的第一步。”尤魯率先提出利用量子流創造人造事件視界的想法。
對此持贊同態度的科內爾指出，以色列研究小組需要創造更為平穩的“玻色-愛因斯坦”冷凝物流，以測量霍金輻射的微妙跡象。他在接受《新科學家》雜誌採訪時說：“他們所做的工作採取了相對較為容易的一種方式。較難的是以一種非常安靜的方式完成這項工作，這樣才能發現對‘玻色-愛因斯坦’冷凝物流所做的所有猛烈事情使其以超音速移動之外所有微小的波動。”科內爾及其同事正在研製他們自己的實驗裝置以製造聲學事件視界。
