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射电子波穿越电浆可以揭示黑洞是否永久性地破坏讯息!

不需要我们亲自进入黑洞…

黑洞悖论(black hole paradox)是天文物理学最大的困境之一,黑洞是否真的毁灭进入的每一小片讯息。

藉由加速一阵带负电荷的电子通过一团电浆,现在,物理学家可能终于有方法来彻底测试这项悖论。

就太空中的物体而言,黑洞几乎不需要介绍。太靠近它就会被密实的质量吞没,永远不会回来。

但是1970年代,包括史蒂芬‧霍金(Stephen Hawking)在内的物理学家提出黑洞不一定是永恒的。

由于量子力学的奇特,粒子确实辐射远离黑洞。霍金假设,从理论上来说,这意味着黑洞会随着时间慢慢蒸发掉。

这就造成了悖论。讯息是宇宙材料的基本编码,不能就这么消失;这是一个大规则。但是当一个黑洞蒸发掉时,它一肚子的讯息到哪里呢?

一个线索可能在霍金描述的辐射本质中被发现。当一对虚拟粒子就在紧靠着黑洞的无回头线(line of no return),也就是事件视界(event horizon),突然出现时,这种形式的辐射就会出现。

通常,这类成对的粒子相互抵消,而宇宙还是让人不明白的。但是在霍金辐射的情况,这些粒子之一落进视界,进入黑洞的重力控制。另一颗则以真正的粒子,赤裸裸地逃进宇宙。

物理学家从理论上说明,由于量子动力学的怪异,这颗逃脱的粒子保留了成对粒子的讯息。在这种情况下,缠结现象会允许粒子继续共享连结,即使被时空分离,留下任何被黑洞吞噬的永久遗留物。

为了证明这点,物理学家可以捕捉一颗逃离黑洞事件视界的粒子,然后等待黑洞在很多年后溢出它的内容,来测试光子和它的纠缠配对之间是否的确有相关性。这个,让我们面对现实吧!是完全不实际的。

现在,来自国立台湾大学的陈丕燊(Pisin Chen)和来自法国巴黎综合理工学院(École Polytechnique)的杰勒德‧穆鲁(Gerard Mourou)描述一种稍微更简单的方法。

他们认为一面高科技的’加速镜子’应该提供分离的缠结粒子相同的机会。

听起来很奇怪,但当一对粒子迅速出现在这个假设实验中,一颗会从加速镜反射,而另一个被困在边界,就像它可能会在黑洞发生。

一旦镜子停止移动,’受困的’光子会被释放,就像能量会被垂死的黑洞释放。

陈和穆鲁的镜子是藉由脉冲产生X射线雷射,通过一团在电浆尾迹场加速器(plasma wakefield accelerator)中的电离气体云所制成的。脉冲会留下带负电荷的电子痕迹,可以充当一面很好的镜子。

藉由在足够小的尺度上改变电浆的密度,这个’镜子’会加速离开雷射脉冲。

和概念一样灵巧的是,实验仍然是在’思想泡沫’阶段。即使有既定的方法和值得信赖的设备,纠缠的测量是很棘手的。

而霍金辐射本身还没有被观察到是真实的。

然而,陈和穆鲁的模型可以利用现有技术来建造,而且如同研究人员在他们的论文中指出,也可以用来测试其他黑洞物理学的假设。

至少,它听起来比一直等到黑洞前面的时间结束更加吸引人。

这项研究发表于物理评论快报(Physical Review Letters)。

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