作者：Matthieu Pattugalan|

编译：唐诗 |

黑洞是宇宙中巨大而可怕的真空吸尘器，消耗一切，并在此过程中造成我们甚至无法理解的规模的破坏。但它们远不止是一种宇宙恐怖。

(相关资料图)

这些难以捉摸的庞然大物似乎打破了物理定律，因此，让我们有机会窥视宇宙的内部运作。为了试图弄清楚这些宇宙天体，科学家们在实验室里创造了自己的迷你黑洞，并观察它以莫名其妙的方式运作。

但是他们是怎么做到的呢？他们能从这样一个惊人的实验中收集到什么见解？

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什么是黑洞和事件视界？

在深入研究这个实验之前，让我们先了解一下黑洞到底是什么。

不知道大家有没有听说过一种叫做逃逸速度的东西，逃逸速度一般指第二宇宙速度。人造天体无动力脱离引力束缚所需的最小速度。

例如，地球的逃逸速度（从其表面）是巨大的 25，000 英里/小时！

这是因为，当上升时，动能会转化为引力势能。物体需要足够的动能来增加引力势能，直到引力接近于零的程度。但是随着物体变得越来越密集，逃逸速度会增加，直到逃逸速度是光速。在这一点上，没有任何东西可以逃脱它的表面，它变成了一个黑洞。

但是比这要复杂一些。物体之间的距离越大，逃逸速度就越低，因为需要补充引力势能的频率就越低。这给了黑洞一个边缘，称为事件视界，其中逃逸速度正好是光速。

如果有什么东西在空间中徘徊过这个点，它就逃不掉了，就会掉进黑洞里，让它变得更大、更重、更强大。

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霍金辐射

听说过霍金辐射吗？早在1970年代，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在预测其他人没有预料到的事情时，他意识到黑洞事件视界的量子效应会导致它们将一些质量转化为能量并将其作为辐射发射，这被称为霍金辐射。

此外，他发现辐射与黑洞的大小成反比。这意味着西瓜大小的黑洞以及更大的黑洞会发出微弱的光芒，以至于我们看不到它们，而微观黑洞的辐射强度如此之猛，可以与炸弹相媲美。

现在，我们还没有真正直接观察到来自实际黑洞的霍金辐射，但我们从引力波数据中获得了近乎确凿的证据。然而，原子链黑洞的温度上升是霍金辐射的版本。这表明这与真正的黑洞非常相似，这意味着我们可以研究它，并可能回答物理学的两个最大谜团。

首先是信息悖论，几十年来一直困扰着物理学家。物理学的基石之一是信息的持久性。换句话说，如果你知道宇宙中所有粒子的位置、速度和类型，应该能够使用物理定律来理解宇宙的确切过去。

但是黑洞打破了这一点，因为它们吞噬了物质和信息，然后将其作为均匀的霍金辐射发射出来。你无法分析霍金辐射并弄清楚黑洞吃什么，这违反了物理学的基本定律。

近年来，物理学家越来越接近解决这个悖论。他们发现霍金辐射确实包含黑洞消耗的信息，但以一种非常奇怪的方式。事实上，这太奇怪了，以至于发现这一点的科学家仍然不知道信息如何逃逸的机制。因此，研究来自原子链黑洞的霍金辐射可以帮助我们了解信息如何逃离黑洞。

它可以帮助我们解决的第二个谜团是引力的统一理论。引力在量子尺度上是如此微弱（量子力学描述了发生的事情），以至于它对大多数粒子大小的系统的影响几乎为零，比如原子是如何工作的。

另一方面，量子力学对太阳系等巨型重力驱动系统的影响也几乎为零。但是在黑洞中，核心是粒子大小的（因为它是一个一维点），它的引力非常强，以至于它确实会影响量子大小的系统。

这意味着要了解黑洞内部的工作原理，我们必须结合量子力学和广义相对论（爱因斯坦的引力理论）。

然而，这两者根本无法协同工作。这表明我们要么对量子力学或广义相对论的看法是错误的，要么我们错过了一些巨大的东西。这是我们理解宇宙如何运作的一个巨大漏洞。但是霍金辐射可以帮助我们超越事件视界，弄清楚事件视界不可逾越的屏障后面可能发生了什么（至少以量子方式），并找出我们做错了什么。

像原子链黑洞这样的黑洞模拟可以帮助我们假设一个解决方案，并为我们提供一种从实际黑洞观测中证明或反驳它的方法。

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如何模拟实验室培养的黑洞

那么，科学家如何在实验室中制造黑洞呢？当然，一个微小的黑洞会消耗更多的质量并变得更强大，直到它吞噬地球？好吧，事实上，微型黑洞会爆炸（稍后会详细介绍），因此科学家不得不开发一种类似物。

这些类似物涉及在实验室中创建不归路来模拟事件视界。我们已经这样做了多年，利用声音来创造一个声学黑洞。这涉及使流体沿其路径以越来越快的速度流动，直到达到流动速度快于流体内声速的点。在这一点上创造了一个声音事件视界，科学家可以在不同点将声音泵入液体中，以找出黑洞力学。

但最近的一项研究使用了一种全新的方法来模拟黑洞。这需要建立一个连接原子链，允许电子从一个跳到下一个链。就像声学黑洞一样，它们可以调整这种电子跳跃沿着链发生的速度，并且可以形成一个事件视界，导致电子的性质在某个点后消失。

实验室培育的黑洞项目由荷兰阿姆斯特丹大学的博士研究员Lotte Mertens领导，使他们能够在模拟的事件视界中观察热辉光。

使用单文件原子链来模拟事件视界，Mertens允许电子从一个位置跳到下一个位置。这导致元素的某些特性消失，创造了一个事件视界，改变了周围电子的波状性质。

由于温度升高，该实验模仿了时空的平坦性质。然后，粒子被黑洞弯曲时空的能力产生的量子涨落所承载。

这种反应使物理学家团队能够观察模拟黑洞周围的光形式的红外热辐射环。显然，这一观察结果是假设的霍金辐射。

霍金辐射是由黑洞的巨大引力引起的，这种吸引力如此之大，以至于这些巨大的天体可以捕获光线。黑洞甚至可以弯曲空间的以太，由于量子场的波动而引起粒子的发射，并导致霍金辐射的分散。

霍金在1974年预测了这些发现，并推测黑洞的事件视界将带来光子的存在。然后，引力会在量子场中扭曲这些光子，使它们扭曲并允许粒子的不均匀运动，这被归类为霍金辐射。

由于缺乏先进的伸缩技术和具体的黑洞探测方法，这种现象从未在开放空间中出现过。

天体物理学家认为，研究黑洞的真实本质是极不可能的，因此他们怀疑科学是否会在宇宙中观察到霍金辐射。

前往黑洞是不可能的，因为最近的黑洞距离地球太阳系1，566光年。此外，与附近其他物体的光子相比，耗散霍金光子的数量理论上是无穷小的。换句话说，辐射产生的光量如此之少，以至于其他天体将超过它。

由于霍金辐射与广义相对论和量子力学的独特联系，世界各地的研究人员对这些发现非常感兴趣。更重要的是，对霍金辐射的研究可能会弥合爱因斯坦相对论和量子力学之间的差距。

这两个研究领域的合并将从根本上改变科学对世界和更大宇宙力学的看法。

量子力学试图用概率来描述粒子的行为，而广义相对论试图解释时空中引力的行为。结合这两个原理将有助于像Mertens这样的研究人员“在各种凝聚态环境中探索基本的量子力学方面以及重力和弯曲时空”。

这个实验是天体物理学研究的重大突破，也是对宇宙秘密的迷人窥视。