近期，日本廣島大學(xué)的Haruna Katayama教授提出了一個(gè)黑洞激光器的電磁類似物，一個(gè)理論上可以放大黑洞事件視界的霍金輻射并使其可以被觀測(cè)到的系統(tǒng)。這個(gè)想法是繼使用玻色—愛因斯坦凝聚物的類似物的演示之后提出的，并有可能為量子力學(xué)和重力之間的關(guān)系提供新的見解。如果建成，該裝置甚至可以推進(jìn)量子計(jì)算等技術(shù)。

霍金輻射是現(xiàn)代理論物理學(xué)的兩大支柱廣義相對(duì)論和量子力學(xué)相互碰撞時(shí)，產(chǎn)生的少數(shù)假設(shè)性可觀察的預(yù)測(cè)之一。在黑洞的事件視界處，量子力學(xué)預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生光子對(duì)。其中一個(gè)具有負(fù)能量的光子，消失在黑洞中。另一個(gè)具有正能量的光子則逃到了外太空。這種效應(yīng)將導(dǎo)致黑洞發(fā)出輻射，使它們具有可測(cè)量的溫度--這在理論上將是革命性的，因?yàn)檫@將表明它們具有內(nèi)部自由度。不幸的是，所有已知黑洞的溫度將低于宇宙微波背景的溫度。放出的輻射將被吸收的輻射所掩蓋，無法觀測(cè)到。

然而，1981年加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的威廉·恩魯表明，幾個(gè)物理系統(tǒng)在數(shù)學(xué)上與產(chǎn)生霍金輻射的系統(tǒng)相同，因此可以在實(shí)驗(yàn)室中研究這種效應(yīng)。這些類似物包括水波、光纖系統(tǒng)和玻色—愛因斯坦凝聚物。

有爭(zhēng)議的說法

“這些類似物不會(huì)觸及與量子引力有關(guān)的任何問題的核心，因?yàn)槟且呀?jīng)超出了人們?cè)谶@里探索的制度，”美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院的理論物理學(xué)家Miles Blencowe解釋說，“但霍金的計(jì)算仍有重要問題需要繼續(xù)研究。在某種程度上，你可以認(rèn)為這些模擬物就像量子模擬器?！?/p>

在新的工作中，Katayama提出，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的史蒂芬·科利和美國(guó)馬里蘭大學(xué)的泰德·雅各布森在1999年提出的霍金理論中最引人注目的預(yù)測(cè)之一，可以在超導(dǎo)電路中進(jìn)行測(cè)試。這兩人概述了黑洞激光器的操作，要求黑洞內(nèi)部有一個(gè)白洞。這個(gè)白洞的內(nèi)部地平線將負(fù)能量的光子反射到黑洞地平線上，在那里光子無法逃脫，被反射回來。光子的能量在地平線之間反彈時(shí)越來越負(fù)，導(dǎo)致發(fā)射到外層空間的光子能量越來越正。

Blencowe說：“在自然界中實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)是非常不可能的，但在類似物中產(chǎn)生這些是可能的。事實(shí)上，第一個(gè)這樣的黑洞模擬物于2016年在一個(gè)玻色—愛因斯坦凝聚物中產(chǎn)生。”

糾纏的輻射

在這項(xiàng)最新的工作中，Katuyama提議利用約瑟夫森效應(yīng)讓超導(dǎo)電流變得量化，在超材料諧振器中創(chuàng)造一個(gè)稱為孤子的非分散波包。孤子本身表現(xiàn)為一個(gè)諧振腔，孤子中的輻射與從孤子中發(fā)射的輻射發(fā)生量子力學(xué)糾纏。這種發(fā)射的輻射是霍金輻射的類似物。

“不幸的是，在這個(gè)階段，我們還沒能用這個(gè)系統(tǒng)提出超越其他模擬系統(tǒng)的建議，”Katuyama說，“然而，基于提議的超導(dǎo)量子裝置，動(dòng)態(tài)的卡西米爾效應(yīng)，也就是真空的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，已經(jīng)被揭示出來，而且這個(gè)系統(tǒng)中開發(fā)的光子檢測(cè)技術(shù)是其他系統(tǒng)無法模仿的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。此外，這個(gè)基于納米技術(shù)的系統(tǒng)具有良好的可控性。因此，通過控制電路參數(shù)，可以將黑洞從經(jīng)典領(lǐng)域帶入量子領(lǐng)域，所以它可能讓我們從真空中研究黑洞和白洞的量子對(duì)創(chuàng)造?！?/p>

Blencowe也認(rèn)同該系統(tǒng)的靈敏度可以幫助尋找霍金輻射的觀點(diǎn)。他說：“與此非常接近的系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了：它們作為非常敏感的微波光子探測(cè)器非常重要，它們?cè)诔瑢?dǎo)量子比特中也非常重要，”他說，“如果提案得以實(shí)現(xiàn)，它將是霍金效應(yīng)的一個(gè)非常干凈的證明--信號(hào)相對(duì)較大，你就不必太擔(dān)心噪音了?！贝送?，他認(rèn)為技術(shù)轉(zhuǎn)讓的潛力很大。他建議，量子計(jì)算是關(guān)于產(chǎn)生糾纏作為一種資源，所以通過這類系統(tǒng)產(chǎn)生的糾纏微波光子可能是非常有用的。