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如何在实验室里造一个黑洞?

2016-10-3 13:35| 发布者: funinusa_admin| 查看: 3008| 评论: 0

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摘要: 美国华人网-科技新闻-如何在实验室里造一个黑洞? 黑洞是物理学家的宝:我们可以在它身上,看到许多奇特的物理现象,验证许多物理学概念,但是目前,我们还没有办法对黑洞进行直接观测。 黑洞不产生任何辐射。它 ...

美国华人网-科技新闻-如何在实验室里造一个黑洞?


黑洞是物理学家的宝:我们可以在它身上,看到许多奇特的物理现象,验证许多物理学概念,但是目前,我们还没有办法对黑洞进行直接观测。

黑洞不产生任何辐射。它们既不发光,其本身也不释放X射线。没有这些媒介,望远镜无法工作。

幸运的是,物理学家办法很多,他们在实验室里造出了形形色色的模拟黑洞,试图通过间接的方法,揭开许多谜团。

如何在实验室里造一个黑洞?
维基共享资源

Jeff Steinhauer是一位来自以色列理工学院物理系的学者。他宣称用一个模拟的黑洞,确认了霍金辐射的存在。在霍金的预言中,黑洞能够缓慢地产生辐射。而这种辐射,是由黑洞视界处正负粒子对的自发产生引起的。

视界是一切——包括光线在内——都无法逃离的黑洞边界。视界处自发产生的粒子对中,如果有一个被黑洞俘获,那么另一个就会被抛入太空。

Steinhauer的实验,首次向人们展示了视界处可能确实存在着某种符合霍金计算结果的自发性波动。

但该实验的结果,是否足以证明宇宙中的黑洞会产生霍金辐射还是有疑问的。原因就在于,Steinhauer的黑洞并不是严格意义上的黑洞。我们无法制造出足以形成黑洞的强大引力场。在这个实验中,Steinhauer用声波替代了光。

“这些声波,就像是在河中逆流而上的人,河水的流速远高于人游泳的速度.Steinhauer说。

他的研究团队把一团原子气体云冷却到了接近绝对零度,制造出了一种所谓的“玻色-爱因斯坦”凝聚态物质。在把气流加速到超音速后,人们便得到了一个声波无法逃逸的系统。

Steinhauer的观测结果,以论文的形式发表在了八月出版的《自然-物理学》杂志上。他不但在实验中对霍金辐射进行了研究,还观测了坠入黑洞和未坠入黑洞的粒子间存在的“纠缠”特性。

模拟黑洞的概念,其实在1980年代就已经有了。当时是由William Unruh提出来的,是直到2009年,人们才在实验室中造出实体。

科学家的目的,大多是想用这种方法来观测霍金辐射。Steinhauer也是如此,他有幸成为第一位成功者。

事实上,他设计的这个模拟黑洞,在科研中有广泛的使用价值。许多科学家相信,通过这种方式,人们或许能够更加有信心地去面对当今物理学中的最大难题——如何将不相容的引力理论和量子力学结合起来。

要模拟一个黑洞,可以有各种方法。但它们的原理是相似的:要有一个临界点,能够用来对应黑洞的视界;要有某种振荡,能够用来对应光。

玻璃

2010年,一些来自米兰大学的物理学家,用强烈的激光脉冲照射二氧化硅玻璃,制造出了一个模拟黑洞。他们还在这个“黑洞”身上观测到了霍金辐射。

如何在实验室里造一个黑洞?
图片来源于网络

这些科学家先是朝着二氧化硅玻璃内部发射了一个激光脉冲,该脉冲的强度足以改变玻璃的折射率。随后他们发射第二个。

由于折射率已经被改变,因此第二个脉冲在玻璃内的传播速度会变慢,且最终停滞。通过这样的方法,他们造出了一个光线无法穿透的“视界”。

偏振子

2015年,一个由Hai Son Nguyen领导的科研团队,向人们展示了一种利用偏振原理制造出来的声波黑洞。

偏振子是一种名为“准粒子”物质的奇特状态,它们由光子和被光激发的物质混合而成。该装置的主体部分是一个用砷化镓制成的微型空腔。空腔上有一个缺口。聚集于空腔内部的激光一旦击中腔体,便会在缺口处产生偏振子。缺口处的激发粒子运动速度一旦超过音速,就会形成一个声波无法逃逸的视界。

如何在实验室里造一个黑洞?
图片来源于网络

该团队到目前为止,还没能在这个实验中观察到霍金辐射。但学者们相信,在未来的实验中,可以通过测量粒子流密度的变化,来感知逃离粒子带来的波动。如果把偏振子冷却到“玻色-爱因斯坦”凝聚态,人们还可以用它来模拟虫洞。

洗澡的时候,在我们的趾间流入排水口的水,竟然与黑洞有着某些相似之处。诺丁汉大学的Silke Weinfurtner博士制造了一个可被称为“浴缸旋涡”的模拟黑洞。这是一个2000升的方形水槽,中心有一个倾斜的漏斗。水从水槽顶部和底部注入。水一旦抵达漏斗处,便会在角动量的作用下形成一个旋涡。

在这个“黑洞”身上,与光线对应的,是水面的涟漪;如果我们往水流中扔一个石子,离旋涡越近的涟漪就越难扩散。因此存在着这么一个临界点,能够让涟漪无法扩散——这个临界点,就是它的视界。

该实验对模拟自旋黑洞附近的奇特物理现象尤其擅长,而这正是Weinfurtner研究的课题。

如何在实验室里造一个黑洞?
维基百科

Weinfurtner的麻烦在于,这个黑洞不具量子特点;一切都存在于常规状态下,因此我们只能从它身上观察到经典力学现象。“这不是一个纯净的系统,”她说。“但我们可以随意摆弄它,它经得起折腾。相信同样的现象也会发生在天体物理学里。”



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