【最新研究】科學家在黑洞實驗室通過量子真空產生聲波

天空之城 2020/11/26 檢舉 我要評論

科學家開發出了一種用於觀察量子真空的新理論,該理論可能導致對黑洞行為的新見解。

安魯效應(英語:Unruh effect)預測:一名加速運動的觀察者可以觀測到慣性觀察者無法看到的黑體輻射,即加速運動的觀察者會發現自己處在一個溫暖的宇宙背景中。通俗來說,一名等加速度觀察者攜帶的溫度計,排除掉其他可能的溫度來源貢獻後,仍可測到一個不為零的溫度。

安魯效應結合了量子物理學和相對論。到目前為止無法測量或觀察它。現在,由諾丁漢大學領導的團隊進行的新研究已經闡明了如何使用聲音粒子來實現這一目標。該小組的研究成果已發表在《物理評論快報》上。

安魯效應表明,如果以極高的加速度飛越量子真空,則真空不再像真空:而是看起來像是充滿粒子的溫水浴。這種現象與黑洞的霍金輻射密切相關。

諾丁漢大學黑洞實驗室的研究團隊與不列顛哥倫比亞大學和維也納科技大學合作研究表明,與其研究加速時粒子突然變得可見的空白空間,不如研究一個二維的雲。玻色-愛因斯坦凝聚物的超冷原子中無聲聲子真空中的加速觀察者可以聽到聲音粒子聲子。聲音不是由探測器產生的,而是由於加速而聽到的聲音,未加速的探測器仍然聽不到任何聲音。

真空充滿粒子

愛因斯坦相對論的基本思想之一是:測量結果可能取決於觀察者的運動狀態。時鐘滴答有多快?一個物體有多長?光線的波長是多少?對此沒有統一的答案,結果是相對的,這取決於觀察者移動的速度。但是,某個像是一個完美的真空空間是否為空?至少兩個觀察員不應該對此表示同意嗎?

不可以,因為對於一個觀察者來說看起來像是一個完美的真空,而對另一觀察者可能是一團湍流的粒子和輻射。威廉·安魯(William Unruh)於1976年發現安魯效應時說,對於一個強烈加速的觀察者來說,真空具有溫度。這是由於所謂的虛擬粒子引起的,這些虛擬粒子還負責其他重要的影響,例如霍金輻射會導致黑洞蒸發。

維也納科技大學原子研究所研究員Sebastian Erne博士解釋說,「直接觀察安魯效應,就像威廉·安魯所描述的那樣,今天對我們來說是完全不可能的,」「將需要一個在微秒內加速到幾乎光速的測量設備,才能看到微小的安魯效應,我們無法做到這一點。」但是,還有另一種瞭解這種奇怪效果的方法:使用所謂的量子模擬器。

量子模擬器

維也納工業大學的JrgSchmiedmayer說:「許多量子物理學定律是通用的。它們可以證明發生在非常不同的系統中。可以使用相同的公式來解釋完全不同的量子系統。」 「這意味著經常可以通過研究不同的量子系統來學習有關特定量子系統的重要知識。」

黑洞實驗室的Cisco Gooding博士強調說:「將一個系統與另一個系統進行類比對於理解黑洞特別有用,因為實際上無法訪問真正的黑洞。」 「相比之下,模擬黑洞很容易在實驗室中產生。」

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