某科學の超電報

「我們在實驗桌上打造了黑洞!」霍金開啟的黑洞戰爭等它驗證

科學家提出一個新穎的實驗構想,在實驗桌上打造出黑洞,來測試黑洞蒸發是否會導致信息遺失。

霍金(Stephen Hawking)教授在 1974 年結合廣義相對論與量子場論,發現黑洞蒸發效應(圖一左)。物理學界對於黑洞蒸發是否會導致信息遺失,持續進行了正反兩面的爭論,幾乎所有當代最有影響力的理論物理學家都加入了這埸「黑洞戰爭」。

信息遺失問題之所以重要,是因為它觸及了量子力學的一個基本出發點,那就是在任何一個物理的過程中,它的機率必須守恆。而黑洞霍金蒸發卻似乎破壞了這條基本戒律,它暗示相對論與量子力學,這廿世紀的兩大物理革命以及所有近代物理的基礎,或許不能相容。

加速反射鏡可以模擬黑洞霍金蒸發。左:黑洞霍金輻射及其被困在黑洞事件視平線的對偶型。右:一個加速的反射鏡也有視平線,也會輻射霍金粒子及困住對偶型。兩者的相似性可以從愛因斯坦的「等價原理」來理解。圖/陳丕燊教授提供

圖一:加速反射鏡可以模擬黑洞霍金蒸發。左:黑洞霍金輻射及其被困在黑洞事件視平線的對偶模式。右:一個加速的反射鏡也有視平線,也會輻射霍金粒子及困住對偶模式。兩者的相似性可以從愛因斯坦的「等價原理」來理解。圖/陳丕燊教授提供

吵了 40 年,就等人找到方法來實驗

雖然這個議題如此重要,可是四十年來它的研究僅止於理論的爭辯而極少實驗進展。這主要是因為黑洞信息遺失問題的關鍵點是在黑洞蒸發的晚期、當它快要燒完的時候,而宇宙中絕大多數的黑洞都比太陽的質量還大。根據理論,這種黑洞要完全蒸發,需要 1067 年之久,而宇宙從大霹靂到現在,才不過 138 億(1.38×1010)年。相對於黑洞的壽命,它們都還在嬰兒期。所以即使能觀測到(例如 2016 年 LIGO 發現釋放重力波的黑洞),也仍無法用來驗證信息遺失問題。

用超強雷射和奈米技術做一個黑洞

今(2017)年 1 月 23 日,國際重量級物理學術期刊《物理論壇通訊》(Physical Review Letters) 發表了臺大物理系及天文物理所教授兼「梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心」主任陳丕燊與法國綜合理工大學(Ecole Polytechnique)教授兼「國際超強雷射科技中心」(IZEST)主任 Gerard Mourou 共同撰寫的論文。兩位作者在文章中提出一個新穎的實驗構想,利用日新月異的超強雷射及奈米技術打造「類比黑洞」(圖一右),來模擬黑洞蒸發的晚期。

根據愛因斯坦的「等價原理」,加速的反射鏡和黑洞在某些物理機制上很相似。譬如說,兩者都有「事件視平線」(event horizon),當真空量子波動撞上黑洞或鏡面時,兩者都會射出霍金粒子、並且把真空波動裡霍金粒子的對偶模式(partner mode)困在視平線上(圖一),直到黑洞完全蒸發或加速鏡面突然停止、視平線突然消失時,這些真空對偶模式才能終於被大量釋放出來。

這個實驗的目的,就是要了解信息如何透過真空波動中,霍金粒子和他們的對偶模式之間的「量子糾纏」而保存下來。

當超強雷射穿越電漿時,在相互作用下,會使得電漿中的自由電子被推到雷射的後方,堆積成一面極高密度的電漿反射鏡,並且尾隨雷射同步前進(圖二)。作者們指出,運用奈米技術,可以製造出密度逐漸加大的薄膜靶。超強雷射打進薄膜後,會瞬間把薄膜融成電漿並產生反射鏡。而當雷射及電漿反射鏡逐漸進入薄膜中密度較大的「深水區」時,它們將會逐漸加速。當雷射結束薄膜穿越時,電漿反射鏡也隨之而突然停止,這正像黑洞蒸發到最後完全消失一樣。因此原則上這個系統可以模擬黑洞蒸發的末期,提供關於信息遺失悖論極珍貴的實證基礎。

圖二:結合雷射及奈米科技的「類比黑洞」實驗構想。首先,用一束可見光雷射打進一個氣態且均勻的電漿(圖左的藍色靶),經由電漿反射鏡的反射,這個可見光束反射後轉化成了X光。接著把這個高強度的X光射進一個由奈米技術製造的薄膜靶。這個靶的密度逐漸增大,導致X光及尾隨在後的電漿反射鏡不斷加速,並因此而射出霍京粒子(圖右的粽色靶)。當雷射結束穿越時,大量的被困住的真空波動對偶粒子將被瞬間釋放。量測兩者間的量子糾纏,可以提供關於黑洞信息如何保存的珍貴實証資訊。圖/陳丕燊教授提供

圖二:結合雷射及奈米科技的「類比黑洞」實驗構想。首先,用一束可見光雷射打進一個氣態且均勻的電漿(圖左的藍色靶),經由電漿反射鏡的反射,這個可見光束反射後轉化成了 X 光。接著把這個高強度的 X 光射進一個由奈米技術製造的薄膜靶。這個靶的密度逐漸增大,導致 X 光及尾隨在後的電漿反射鏡不斷加速,並因此而射出霍京粒子(圖右的粽色靶)。當雷射結束穿越時,大量的被困住的真空波動對偶粒子將被瞬間釋放。量測兩者間的量子糾纏,可以提供關於黑洞信息如何保存的珍貴實証資訊。圖/陳丕燊教授提供

難得的是,這篇論文〈以加速電漿反射鏡研究黑洞信息遺失悖論〉(Accelerating Plasma Mirrors to Investigate Black Hole Information Loss Paradox)被《物理論壇通訊》選為編輯推薦(Editors’ Suggestion,類似「店長推薦」)。

陳丕燊教授等不及論文正式發表,已經組織了一個國際團隊,要把這個實驗儘快做出來。團隊成員除了臺大梁次震中心,還有法國綜合理工大學的「國際超強雷射科技中心」(IZEST)、日本國立量子科技中心(QST)之「關西光子研究所」(KPRI)、及上海交通大學。

(本文改寫自台灣大學新聞稿)

原始論文:

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