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李淼的博客

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模拟黑洞  

2009-09-04 20:07:51|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(《新发现》专栏,勿转)

无论对物理学家来说还是对公众,黑洞一直是引人入胜的话题。记得我开始读研究生时,看到一本专业书,上面画了很多黑洞塌缩的图以及霍金蒸发的图,上面画了很多光锥,以及蒸发出来的粒子。

在引力理论中,光锥几乎就是一切。在每一个时空点上,光锥就是光在各个方向走出来的锥面。想象一个只有一度空间的时空,空间和时间组成一个平面,在 平面的任一点上,光可以走两个方向,所以光锥就是一个十字,向上的楔形叫未来光锥,因为光顺着楔形走向未来,向下的楔形是过去光锥,光从过去走向楔形顶 点。再想象一下,如果有两度空间,加上时间我们有三维的时空图,光锥此时就真的是锥面了。在真实世界里,空间是三维的,时空是四维的,所以光锥其实是三维 的。有了光锥的概念,我们就能定义黑洞了,一个黑洞,其实是时空中的一个区域,在这个区域的边界上,所有光锥都指向这个区域,说明光只能进入,不能出来, 黑洞的名字就是这么来的。区域的边界叫做视界。

还有一个更加形象的比喻。假想一个水域,其中有一个洞,水流向这个洞,在洞的边上,水流的速度达到一个临界值,这个速度超过水中任何物体所能达到的 速度。这样,不论你如何使劲,当你到达这个边界时,你的速度总被水流的速度抵消,你只好无能为力地被吸入洞中。这个洞就是水中的黑洞,而水流速度达到临界 的边界很类似黑洞的视界。

很多年前,加拿大物理学家W. G.. Unruh就设想了这么一个类似黑洞的东西,他设想了一个流体,其中任何一处水流都有一个速度,在某个区域的边界上,流体的速度达到了流体的声速。此时, 任何流体的振动都无法传出这个边界,这样,在外面的人看来,那个区域不能发出任何声音,所以这个区域可以叫做哑洞。哑洞也很类似黑洞,光波被声波取代。哑 洞看上去比黑洞容易理解,因为这里只是流体的一个流速分布,没有难以想象的时空弯曲。

黑洞的一个令人惊奇的性质是霍金蒸发,也就是说,黑洞并不黑。霍金证明,量子力学使得黑洞发光,其实黑洞可以辐射任何粒子。量子论使得黑洞的视界看 上去像一个带有温度的壳,这个壳可以激发出能量大约等于壳上温度的任何粒子。霍金蒸发也有一个形象的理解,在视界上,产生一个粒子对,向外跑的粒子带有能 量,而向黑洞里面跑的粒子带有负能量。当带有正能量的粒子跑出来时,带有负能量的粒子使得黑洞的质量变小,所以整个过程还是满足能量守恒律的。

Unruh在设想哑洞时其实希望将来可以在实验室中实现哑洞并利用它来研究黑洞蒸发,此时,被蒸发出来的粒子叫声子,就是声的的单个量子。每个声子 的能量很类似光子,与声速成正比。当声子落入哑洞时,由于哑洞中流体的速度超过声速,声子的能量是负的,而跑出来的那个声子的速度大于流体的速度,能量是 正的。这是霍金蒸发的一个形象理解。

Unruh的哑洞的概念是1981年提出来的,直到今年,哑洞才真的在实验室中实现。原因很简单,让流体的速度在某个区域大于声速并不容易。做出这 个实验的是以色列海法的一个小组,领头人是J. Steinhauer。他们利用玻色-爱因斯坦凝聚才实现了哑洞。在流体中,玻色-爱因斯坦凝聚是非常特殊的一类,其中所有组分原子都处在同一个状态中, 这样的流体叫做量子流体,因为它利用了量子性质。要使得原子都处于同一个量子状态需要两个条件,第一是所有原子的自旋是整数的,第二需要将所有原子冷却从 而它们都趋向同一个低能状态。Steinhauer等人的实验的用了铷原子,实验的关键处是让量子流体产生一个速度分布,并且让某个区域的速度大于流体的 声速。为了达到这个目的,他们为原子们设计了一个陷阱。这个陷阱很像一个喷嘴。离开喷嘴的地方,陷阱的坡度比较平缓,在喷嘴区域,陷阱的坡度变得很陡。

哑洞是实现了,但似乎还没有关于霍金蒸发的结果,我们期待进一步的实验。霍金蒸发的研究也许能够帮助我们理解黑洞最为神秘的一面,就是弯曲时空中的量子力学甚至引力的量子涨落,这是理论家们困惑了很多年而不得其解的问题。

最近关于隐形电磁斗篷的研究导致可能在实验室实现真正意义上的“黑洞”,我用引号是因为这不是引力中时空的效应,但却是光学意义上的黑洞。隐形电磁 斗篷是利用电介质的特殊电磁性质使得一个物体看上去基本不反射也不折射光(广义地说就是电磁波)。既然我们可以在技术上操纵物质的介电性质,我们就可能设 计出一个物体,使得这个物体的某个区域的边界上的光速变成零,这个边界就是视界了。美国伯克利国立实验室的Xiang Zhang领导的小组在去年实现了一种人工光学物质,可以将光折回头,技术上说,这种光学物质的折射率是负的!最近,他们用纳米结构的硅实现了隐形电磁斗 篷。在此基础上,他们将来可能在实验室研究黑洞以及引力透镜等天体物理学对象,由于是实验室制备的物体,我们无需花很长时间无需投资很多就可以研究这些奇 特的引力现象了。

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