魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)和Cinvestav的研究人员最近进行了一项研究，在实验室模拟的黑洞上测试霍金辐射理论。在实验中，研究人员使用非线性光纤中的光脉冲来建立人造的黑洞事件视界。早在1974年，著名物理学家斯蒂芬·霍金就以他的霍金辐射理论震惊了物理学世界。霍金辐射理论认为，由于黑洞视界附近的量子效应，黑洞不应该是黑色的，而应该微微发光。根据霍金的理论，黑洞周围强大的重力场会影响匹配粒子和反粒子对的产生。如果这些粒子是在视界外产生的，那么这对粒子中的正极部分可能会逃逸，从而导致从黑洞发出观察到的热辐射。
博科园-科学科普：这种辐射后来被称为霍金辐射，因此由光子、中微子和其他亚原子粒子组成。霍金辐射理论是最早将量子力学概念与爱因斯坦广义相对论结合起来的理论之一。莱昂纳特说：我是在1997年通过讲授一门课程来学习广义相对论的，而不是通过上课。这是一次相当紧张的经历，我比学生们早了几个星期，但我真的了解了广义相对论，并爱上了它。
同样这也发生在爱因斯坦的出生地乌尔姆。从那以后，一直在寻找我的研究领域，量子光学和广义相对论之间的联系。我的主要目标是揭开广义相对论的神秘面纱。如果像我和其他人展示的那样，像玻璃这样的普通光学材料就像弯曲的空间，那么广义相对论的弯曲时空就会变成某种有形的东西，而不会失去它的魅力。
背景中的抛物面镜将暗红色的光聚焦到纤维中，纤维的另一端发出明亮的蓝色光，研究人员提取并测量了霍金辐射中的一小部分强光。图片：Drori et al.
莱昂纳特与他的第一个博士生保罗·皮乌尼奇合作，提出了一些关于如何创造光学黑洞的初步想法，并于1999年和2000年发表。2004年他终于实现了一种真正有效的方法，这就是他最近研究中使用的方法。想象一下，就像爱因斯坦的格丹肯实验一样，光会追逐另一个光脉冲。
假设所有的光都在光纤中传播。在玻璃纤维中，脉冲改变了追逐它光的速度，使光不能超过脉冲。它经历了一个白洞的地平线；一个它不能进入的地方。脉冲前半部分的作用正好相反：一个黑洞视界，一个光无法离开的地方，这是一个简单的想法。Leonhardt和同事在2008年发表并证明了这一观点，后来试图用它来证明霍金辐射。
霍金辐射从未在太空中被直接观测到，因为这在目前还不可行。然而它可以在实验室环境中进行演示，例如，使用玻色-爱因斯坦冷凝物、水波、极化子或光。过去有几位研究人员试图利用这些技术在实验室中测试霍金辐射，但他们的大多数研究实际上存在问题，因此一直存在争议。
例如，过去在光介质中使用强光脉冲得到的一些结果与理论不一致。而不是像作者自己后来发现的那样，观察地平线所产生的霍金辐射，他们实际上观察到了地平线——由光脉冲产生的更少辐射，因为它们超过了其他频率光的相速度。其他试图观察水波和玻色-爱因斯坦冷凝物上霍金辐射的研究也被证明是有问题的。
莱昂纳特在与《物理世界》(Physics World)讨论这些研究的结果时写道：我非常钦佩从事这些研究人们的英雄主义精神，以及他们的技术技能和专业知识，但这是一门很难的学科，视野是完美的陷阱，人们很容易在不注意的情况下陷入困境，这也适用于horizon研究。根据经典定义，我们学习并成为专家：
专家是指犯过所有可能的错误(并从中吸取教训)的人。之前的研究证明，在实验室中观测霍金辐射是一项极具挑战性的任务。莱昂哈特和同事们进行的这项研究可能是光学中霍金辐射的首次有效证明。黑洞被它视界所包围，地平线标志着光再也无法逃逸的边界。霍金预言在视界上光量子被创造出来。
这张图片展示了电子显微镜下研究人员纤维内部的照片。这些纤维是复杂的光晶纤维，它们像人的头发一样细，内部有孔结构，引导中心的光。图片：Drori et al.
一个光子出现在视界外并能够逃逸，而另一个光子出现在视界内并落入黑洞。根据量子力学，粒子与波有关，外面的光子属于正频率振荡的波，里面的光子属于负频率振荡波在他们的研究中，Leonhardt和同事利用正频率和负频率来制造光。正频光为红外，负频光为紫外。研究人员检测到这两种情况，然后将其与霍金的理论进行比较。
用灵敏的设备探测到那一点点紫外线，是光学中受激霍金辐射的第一个清晰迹象。这种辐射被称为“受刺激的”，因为它是由研究人员用来追踪脉冲探头光所刺激的。也许最重要的发现是，黑洞并不是什么不寻常的东西，而是它们与光脉冲在纤维中对普通光的作用非常相似。
展示霍金辐射等微妙的量子现象并不容易。它需要极短的脉冲，非凡的纤维，敏感的设备，最后但并非最不重要的是，勤奋学生的努力工作。但即便是霍金辐射，人们也能真正理解。这项由莱昂哈特和同事们进行的研究是物理学领域的一项重要贡献，因为它提供了光学中霍金辐射的首次实验室演示。
研究人员还发现，尽管把光学推向了极端，但与视界的类比却非常有力，这增强了他们对理论有效性的信心。现在需要改进我们的准备工作，为下一个重大挑战做好准备：观测自发霍金辐射。在这种情况下，辐射不再受到刺激，除了不可避免的量子真空波动。下一个目标是改进仪器，测试受激霍金辐射的各个方面，然后再进行自发霍金辐射。
博科园-科学科普｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli，Phys
参考期刊文献:《物理评论快报》,《物理世界》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.021302
DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.203901
DOI: 10.1002/andp.201700114
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.010404
发表于 2019-3-17 23:54
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