[科技] 科學家計劃實驗室內製造黑洞激光

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2012-10-30 14:22 上傳

實驗室里的黑洞激光示意圖
　　新浪科技訊 香港時間10月30日消息，據探索頻道報導，宇宙中還有什麼是比黑洞更神秘的嗎？宇宙的鏡像──白洞是不是理想之選呢？把二者結合在一起，你或許只能得到一種獨一無二的激光的概念，蘇格蘭物理學家認為，他們最終也許能夠利用白洞和黑洞的類似版本，在實驗室里製成這種激光。
　　我們可以把黑洞想像成是一個擁有很長頸部的大漏斗。如果你“切斷”它的頸部，把它與第二個黑洞連接在一起，你就會得到一個沙漏形狀的結構，兩端通過一根細絲相連。從學術上講，這根細絲被稱之為愛因斯坦-羅森橋(是由愛因斯坦及其同事納森-羅森命名的)，這是蟲洞的早期理論化身。一些物理學家已經非常擅長模擬黑洞的信號行為，至少從數學的角度而言。例如，烏爾夫-萊昂哈特和英國聖安德魯大學的一幫人已經利用激光脈衝和光纖製成與黑洞類似的物體。威廉-昂魯與英屬哥倫比亞大學的科學家合作，已經製成視界的水波版本，以及被他稱之為“啞洞(dumb holes)”的音速的類似物。
　　設想你是一條失明的魚，同時你也是一位物理學家，你生活在一條河裡。在河的一個地方有非常致命的瀑布，這條瀑布某段的水流速度超過了音速。很顯然，如果另外一條墜落到瀑布里的魚在成功通過這個點時興奮地大叫出聲，這些聲音將永遠不會被河對面的其他人聽到。這些聲音會保持相同速度繼續在水裡穿行，但是流水經過這條瀑布時，會以更快的速度衝擊這些聲音。此外，如果一條魚從瀑布表面摔下時大叫出聲，尖叫的部分聲音從距離水面越近的地方發出，它就需要花更長時間脫離該點，這是因為，如果聲音是從距離特定表面更近的地方發出的，它的純速度將會越來越小。在魚躍出水面前，大量聲音需要花費無限時間才能逃逸出來。
　　對我們而言，聲音很像黑洞的行為。2009年，中國物理學家利用所謂的超材料創造出黑洞一樣的環境，能夠讓微波自由進入，但是無法逃逸出來。2010年，意大利米蘭大學的科學家製成一個黑洞的類似物，它能發出霍金輻射。霍金輻射是虛粒子對突然從黑洞附近的量子真空環境逃逸出來造成的。通常它們會相互撞擊在一起，並消滅對方，生成能量，但有時虛粒子對中的一個會被吸入黑洞，這顯然違反能量守恆定律。為了對抗這種影響，確保能量繼續保存下來，黑洞的質量一定會減少一些。當然從技術層面上來說，還沒人觀測到霍金輻射，但是物理學家確信這種輻射真實存在。因此，如果黑洞和白洞能夠發射出放射物，那麼為什麼不能把它們的類似物當做激光使用呢？這正是蘇格蘭赫瑞瓦特大學的物理學家丹尼爾-菲克西歐及其少數同事的想法，其中包括萊昂哈特。
　　所有激光都有一個激光介質的空腔：每個都是一個像紅寶石或者石榴石，抑或氣體和液體的晶體。空腔的每端都有兩面鏡子，其中一個是半面鍍銀的，這意味著它能反射一些光，並令一些光穿過。能夠穿過的光就是發出的激光。應用的強閃光或者電流“汲取”激光介質的原子或者分子，因此它們大多處於更高能態，而不是基態。然後一個光子會進入這個激光空腔。如果它撞上一個受激原子，這個原子就會返回到它的基態，併發出與轟擊光子頻率、方向相同的第二個光子。每個光子會繼續撞擊其他受激原子，釋放出更多頻率和方向相同的光子。結果會在快速的連鎖反應中出現突然的光猝發。這一現象被稱之為“受激發射”。
　　2008年，萊昂哈特開始思考黑洞類似激光的可能性，並利用兩道波長不同的激光脈衝模擬視界。兩道激光脈衝均通過激光介質點燃，但是它們卻以不同速度穿過空腔。第一道光束改變了材料的折射率，因此第二道脈衝必須放慢速度，儘管最初它比第一道光束速度“更快”。這意味著第二道脈衝永遠不會趕上黑洞，它會慢慢達到相對靜止狀態。也就是說，它無法從激光介質中逃逸出來。這與視界類似。但是要知道，物理學家從此開始利用這種方法演示與霍金輻射相似的等式。這裏是激光可能進入的地方。如果類似的黑洞通過霍金輻射損失質量，我們也許就能通過這種方法模擬光發射。
　　為了它能產生作用，你需要兩個並排的視界，一個類似黑洞，另一個類似白洞，把它們連接在一起的細絲相當於一個空腔(類似蟲洞)。從理論上而言，光脈衝會在空腔里來回穿行，逐漸從霍金輻射中獲取能量。所有這些都取決於你為激光介質選擇的材料。萊昂哈特提議利用玻色愛因斯坦凝聚體，然後向激光介質里注入聲波。中國物理學家把超材料作為激光介質，他們通過改變折射率，創造出很好的光波導，因此光前進的路徑，相當於重力扭曲時空的程度。這是可能的隱身斗篷成功的秘訣。這個中國科研組設法讓“空間”嚴重扭曲，這樣進入超材料的光就無法逃逸出來，這與黑洞的視界類似。
　　現在菲克西歐、萊昂哈特及其同事認為，他們能夠利用超材料(甚至是長成適當波導形狀的鑽石)，在實驗室里製成黑洞激光原型，並利用強光束導致超材料的折射率發生必要的極端變化。毫無疑問，在實驗室里製成一個能夠正常工作的原型是當前面臨的最大挑戰。但是這個想法確實非常棒。誰又知道概念上的類似物是不是擁有實際應用價值呢？(孝文)
來源 香港新浪科技


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