利用玻色-爱因斯坦凝聚体中的孤子扩散探测声学黑洞的霍金辐射

1916年，德国天文学家史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个严格解。此解表明，若将大量物质集中于空间某一小区域，则任何物体一旦进入该区域也将无法逃逸。这种奇妙的天体后来被美国物理学家惠勒命名为“黑洞”。由于黑洞的引力极强，似乎不可能存在任何辐射现象。然而，1974年英国物理学家霍金结合广义相对论和量子力学导出了一个非常重要的理论结果，即黑洞表面可能存在电磁辐射（后来被命名为霍金辐射）。但是要想在真实宇宙中检测到霍金辐射的可能性很小，原因是黑洞表面的温度通常远低于宇宙微波背景辐射的温度。因此，多年来科学家们试图在其它物理系统中模拟天体黑洞，并研究与此有关的霍金辐射。

近年来，实验室黄国翔课题组与美国纽约大学G. Gregory教授合作开展了模拟霍金辐射问题的研究。他们考虑激光冷却下的玻色原子气体，当温度很低时原子气体进入玻色-爱因斯坦凝聚状态。通过调节凝聚体横向囚禁势，并在凝聚体中产生一个背景流动，可使囚禁势能较高的区域（上游）的流动速度较慢（小于声速），而在囚禁势能较低的区域（下游）流动速度较快（大于声速）。由于下游凝聚体具有捕获辐射声子的能力，可用来模拟声学黑洞。另外，在凝聚体的上游与下游之间形成了一个界面，可模拟黑洞的“事件视界”。当一对声子出现在凝聚体上游靠近视界的位置时，其中的一个声子将透过视界进入凝聚体的下游（即进入声学黑洞），而另一个声子则会远离视界（即远离声学黑洞），此现象即声学黑洞的霍金辐射。

为了检测声学黑洞的霍金辐射，他们假设体系的温度很低（几纳开尔文量级），并在凝聚体的上游远离视界处制备一个物质波暗孤子。受霍金辐射的影响，物质波孤子会产生扩散运动（即布朗运动），导致孤子振幅的明显减小、宽度变大，由此可间接测量体系的霍金辐射。由于孤子的质量远大于霍金辐射粒子（声子），对孤子的测量要比直接测量霍金辐射所产生的声子灵敏得多。该研究为利用超冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚探测模拟黑洞及其霍金辐射提供了新的思路，也为研究非线性随机系统中非线性激发的布朗运动提供了新的理论方法。相关研究成果发表在Physics Letters B 793, 390–395 (2019)上，实验室杭超研究员为论文的第一作者。

图1. 玻色-爱因斯坦凝聚体中的声学黑洞以及物质波孤子在声学黑洞霍金辐射影响下发生的扩散运动。