實驗室模擬「聲子黑洞」驗證霍金輻射，與霍金預測結果一致

宇宙中的黑洞到底會不會發出理論預言的霍金輻射，並逐漸蒸發消失？時至今日，霍金輻射仍未被實際觀測到，但來自以色列的科學家現已在實驗室中，間接證實了「霍金輻射」的存在。

根據愛因斯坦廣義相對論推敲，宇宙中存有一種質量無比巨大的天體──黑洞，它的引力強到連傳播速度最快的光子都無法逃離，也因此，廣義相對論下的黑洞不會發射任何電磁輻射（都被黑洞吸收掉了）。

但霍金卻於 1974 年提出另一理論，當加入量子效應時，某些情況下並非所有物質都會落入黑洞，比如一對相互糾纏的粒子在強烈重力場中被製造出來時，其中一個粒子會墜入黑洞，另一個則會逃離，這些大量逃脫的糾纏粒子也就是自黑洞邊緣發散的熱輻射，稱為霍金輻射（Hawking radiation）。

問題是，這種「熱」太過微弱了。目前理論指出，所有已知黑洞的溫度都低於宇宙微波背景（CMB）溫度，一個質量跟太陽差不多的黑洞其溫度只有 60nK，換句話說，如果僅用現有的儀器技術觀測，則微弱的霍金輻射永遠被掩蓋在黑洞吸收的輻射之下。

為了驗證霍金輻射真實性，研究人員一直在實驗室中製造模擬黑洞，而現在，由以色列理工學院物理學家 Jeff Steinhauer 領導的團隊，似乎證實了霍金最著名的預言之一。

和真正黑洞不同的點在於，模擬黑洞吸收的是「聲子」而非「光子」，研究人員利用成對的聲子來作為真實黑洞中糾纏粒子的替代物。

2009 年時，Jeff Steinhauer 團隊就曾用 100,000 個冷卻銣原子組成的玻色–愛因斯坦凝態（Bose–Einstein condensate，BEC，註），簡單做出一個模擬黑洞，當年 Jeff Steinhauer 推斷在模擬系統中，假如真的有糾纏的聲子被拆開，那麼聲波應該會從事件視界中出現，就像霍金輻射從真正的黑洞邊緣流出一樣──他等到了 2016 年，終於宣布觀察到由模擬黑洞發出的糾纏聲子。

現在，Jeff Steinhauer 改進了裝置靈敏度使其能產生更強訊號，並且這次實驗使用 8,000 個銣原子製造玻色–愛因斯坦凝態，再次證明成對聲子出現在模擬事件視界，其中一個加速逃逸，另一個則被吸收，並且測量聲子可以估算溫度，結果正如霍金預測那般。

然而，如果霍金輻射是對的，就表明隨著黑洞逐漸蒸發消失，訊息可能會丟失，這違反了量子力學的定義。科學家目前還不知道新研究能否幫助解決黑洞資訊悖論，我們必須盡快提出結合重力和量子力學的全新量子重力理論。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。

註：「玻色–愛因斯坦凝態」為原子在接近絕對零度時，所呈現出一種氣態、超流性的物質狀態，一些奇異量子物理現象可以在該尺度下觀察。

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（首圖為黑洞示意圖，來源：ESA）