科学家计划实验室内制造黑洞激光.docx

科学家方案实验室内制造黑洞激光假设的爱因斯坦-罗森桥草图：黑洞和白洞通过虫洞相 连。实验室里的黑洞激光示意图据探索频道报道，宇宙中还有什么是比黑洞更神秘的吗？ 宇宙的镜像白洞是不是理想之选呢？把二者结合在一 起，你或许只能得到一种独一无二的激光的概念，苏格兰 物理学家认为，他们最终也许能够利用白洞和黑洞的类似 版本，在实验室里制成这种激光。我们可以把黑洞想象成是一个拥有很长颈部的大漏斗。如果 你“切断它的颈部，把它与第二个黑洞连接在一起，你 就会得到一个沙漏形状的结构，两端通过一根细丝相连。从 学术上讲，这根细丝被称之为爱因斯坦-罗森桥(是由爱因 斯坦及其同事纳森-罗森命名的)，这是虫洞的早期理论化身。 一些物理学家已经非常擅长模拟黑洞的信号行为，至少从 数学的角度而言。例如，乌尔夫-莱昂哈特和英国圣安德鲁 大学的一帮人已经利用激光脉冲和光纤制成与黑洞类似的 物体。威廉-昂鲁与英属哥伦比亚大学的科学家合作，已经 制成视界的水波版本，以及被他称之为“哑洞(dumbholes)" 的音速的类似物。设想你是一条失明的鱼，同时你也是一位物理学家，你生 活在一条河里。在河的一个地方有非常致命的瀑布，这条瀑 布某段的水流速度超过了音速。很显然，如果另外一条坠落 到瀑布里的鱼在成功通过这个点时兴奋地大叫出声，这些 声音将永远不会被河对面的其他人听到。这些声音会保持相 同速度继续在水里穿行，但是流水经过这条瀑布时，会以 更快的速度冲击这些声音。此外，如果一条鱼从瀑布外表摔 下时大叫出声，尖叫的局部声音从距离水面越近的地方发 出，它就需要花更长时间脱离该点，这是因为，如果声音 是从距离特定外表更近的地方发出的，它的纯速度将会越 来越小。在鱼跃出水面前，大量声音需要花费无限时间才能 逃逸出来。对我们而言，声音很像黑洞的行为。2009年，中国物理学 家利用所谓的超材料创造出黑洞一样的环境，能够让微波 自由进入，但是无法逃逸出来。2019年，意大利米兰大学的 科学家制成一个黑洞的类似物，它能发出霍金辐射。霍金辐 射是虚粒子对突然从黑洞附近的量子真空环境逃逸出来造 成的。通常它们会相互撞击在一起，并消灭对方，生成能 量，但有时虚粒子对中的一个会被吸入黑洞，这显然违反 能量守恒定律。为了对抗这种影响，确保能量继续保存下 来，黑洞的质量一定会减少一些。当然从技术层面上来说， 还没人观测到霍金辐射，但是物理学家确信这种辐射真实 存在。因此，如果黑洞和白洞能够发射出放射物，那么为什 么不能把它们的类似物当做激光使用呢？这正是苏格兰赫 瑞瓦特大学的物理学家丹尼尔-菲克西欧及其少数同事的想 法，其中包括莱昂哈特。所有激光都有一个激光介质的空腔：每个都是一个像红宝石 或者石榴石，抑或气体和液体的晶体。空腔的每端都有两面 镜子，其中一个是半面镀银的，这意味着它能反射一些光， 并令一些光穿过。能够穿过的光就是发出的激光。应用的强 闪光或者电流”汲取激光介质的原子或者分子，因此它 们大多处于更高能态，而不是基态。然后一个光子会进入这 个激光空腔。如果它撞上一个受激原子，这个原子就会返回 到它的基态，并发出与轰击光子频率、方向相同的第二个光 子。每个光子会继续撞击其他受激原子，释放出更多频率和 方向相同的光子。结果会在快速的连锁反响中出现突然的光 猝发。这一现象被称之为“受激发射。2019年，莱昂哈特开始思考黑洞类似激光的可能性，并利 用两道波长不同的激光脉冲模拟视界。两道激光脉冲均通过 激光介质点燃，但是它们却以不同速度穿过空腔。第一道光 束改变了材料的折射率，因此第二道脉冲必须放慢速度， 尽管最初它比第一道光束速度“更快。这意味着第二道脉 冲永远不会赶上黑洞，它会慢慢到达相对静止状态。也就是 说，它无法从激光介质中逃逸出来。这与视界类似。但是要 知道，物理学家从此开始利用这种方法演示与霍金辐射相 似的等式。这里是激光可能进入的地方。如果类似的黑洞通 过霍金辐射损失质量，我们也许就能通过这种方法模拟光 发射。为了它能产生作用，你需要两个并排的视界，一个类似黑 洞，另一个类似白洞，把它们连接在一起的细丝相当于一 个空腔（类似虫洞）。从理论上而言，光脉冲会在空腔里来回 穿行，逐渐从霍金辐射中获取能量。所有这些都取决于你为 激光介质选择的材料。莱昂哈特提议利用玻色爱因斯坦凝聚 体，然后向激光介质里注入声波。中国物理学家把超材料作 为激光介质，他们通过改变折射率，创造出很好的光波导， 因此光前进的路径，相当于重力扭曲时空的程度。这是可能 的隐身斗篷成功的秘诀。这个中国科研组设法让“空间严 重扭曲，这样进入超材料的光就无法逃逸出来，这与黑洞 的视界类似。现在菲克西欧、莱昂哈特及其同事认为，他们能够利用超材 料（甚至是长成适当波导形状的钻石），在实验室里制成黑洞 激光原型，并利用强光束导致超材料的折射率发生必要的 极端变化。毫无疑问，在实验室里制成一个能够正常工作的 原型是当前面临的最大挑战。但是这个想法确实非常棒。谁 又知道概念上的类似物是不是拥有实际应用价值呢？