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科学家计划在实验室模拟制造黑洞

2012-07-09

  据《福布斯》杂志报道,黑洞像喜欢捕获光一样,喜欢捕获人们的想象力。它们的质量大得惊人,人们认为,位于星系中心的黑洞比太阳大几十亿倍。它们非常可怕,什么都逃不脱黑洞引力的“魔爪”。即使光与它相比,速度也显得太慢。它们非常奇特,有人认为,它们能让时间放慢脚步。现在,科学家准备在实验室里模拟制造这样的东西出来。

  在实验室制造黑洞

  黑洞非常古怪,有观点认为,它们使物质以我们至今无法理解的方式行动,因此,它们也许掌握着一些最棘手的物理学问题的答案。只要我们能看到它们,就有希望找到答案。

  现在科学家正准备在实验室里利用“超材料(metamaterials)”制造黑洞。超材料是结构已经发生改变的常见物质,因此它们可以使光和声音表现出古怪的行为方式。2008年,加利福尼亚大学伯克利分校的张翔(Xiang Zhang)利用超材料制成一件隐形斗篷(invisibility cloak)。张翔使用的这种材料不是反射光,而是改变物体周围光线的方向,使人无法看到它。

  经过特殊设计,这些超材料可以使光线射进去,不过一旦进入,光线就无法再逃逸出来,这跟黑洞十分相似。当然,它们并不像黑洞那样,利用强大的引力吞噬周围太空。事实上它们非常小,几乎没有质量。达特默斯研究生保罗·内森(Paul Nation)在8月发表在《物理评论快报》杂志中,详细介绍了一种制造黑洞的方法,他惋惜地说:“我们并没拥有一整颗可供我们自行支配的太阳。因此我们考虑光可能进入了它附近的黑洞。”

  量子力学和广义相对论统一起来

  去年,苏格兰圣安德鲁大学的托马斯·菲尔斌(Thomas Philbin)和同事们设计了一个系统,他们利用该系统可以看到黑洞的边缘是什么样的。10月,中国南京东南大学毫米波国家重点实验室的两名科学家陈强(Qiang Cheng)和崔铁军(Tie Jun Cui)发表一篇论文,声称他们已经制成一个超材料黑洞,这个黑洞可“吞噬“微波,再也不让它逃出来。

  内森和他的同事们建议建造一个非常特殊的超材料黑洞体系,用它探测爱因斯坦的广义相对论和量子力学这两个杰出的物理学理论在哪里才能统一起来。广义相对论描述了岩石和恒星等巨大的物体的行为方式。量子力学描述了电子等微小物体的行为方式。这两个理论都经得起试验,而且它们都精确的非常令人难以置信。但是量子力学无法与万有引力统一起来,万有引力似乎在非常小的范围内就不起作用了。物理学家对这种结果也感到迷惑不解。他们不清楚为什么会是这样。他们希望能有一些解释——一些“量子引力”理论,能适用于所有情况。

  黑洞是广义相对论中一个极端实例。黑洞的物质最密集,引力最强,时空被弯曲的使光线无法正常通过。当然,它们都是难解之谜。我们无法直接看到它们,我们只能通过观测它们附近天体的行为,推测它们就在那里。可以描绘黑洞的计算面临一些问题。计算过程中,奇点突然出现,这里的数字趋于无限大,根本没有任何实际意义。希望量子引力理论可以解决这些问题。

  霍金在视界发现有趣现象

  20世纪70年代,斯蒂芬·霍金教授通过研究发现,黑洞的边缘,即所谓的“视界”,存在一些与量子力学有关的有趣结果。自然产生的粒子和反粒子在这里相遇后,会立即彼此摧毁对方,永远消失。如果一对光子正好出现在黑洞的视界上,一个会掉进黑洞,另一个则会从视界逃逸出来。从视界逃逸出来的光子被称作“霍金辐射”。

  内森说:“这是量子力学和广义相对论开始互动的地方。”内森在他的论文中描写了一个可以模拟视界的超导电路,科学家可以利用这个电路研究霍金辐射,甚至获得一些有关量子引力的线索。他说:“你可以进行多方面研究,你可以制定特定模式,获得你希望的结果,你可以描述一些我们一点也不熟悉的现象。我们设计这个电路的目的就是检测量子力学的基本特性。”

  第一次做这方面试验

  内森建议利用一系列被称作超导量子干涉器(SQUID)的东西制造一个超导电路。每个超导量子干涉器就是一个超导线圈,中间有两个地方用不是超导体的金属片阻断。电子成对沿一个超导体运行,撞到普通金属片时,它们会分开,从金属线里穿过。电子沿电路表现出的这种古怪行为,跟在视界的行为方式非常相像。

  内森说:“确实能做这项实验让我们感到非常兴奋。以前从没有人做过这方面的试验,不过我们的研究和其他方面的研究都是长期目标。这些研究非常困难,但是并非不可行。”这些小黑洞可能缺乏超大质量黑洞的喜剧效果,例如位于银河中心的黑洞使我们的太阳系处于一个舒适的运行轨道上。如果内森和同事们的推测是正确的,这些结果甚至能帮助我们了解一个更大的问题:宇宙中的万事万物是如何运行的。

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来自:翟波  > 宇宙探秘
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