科学家计划实验室内制造黑洞激光

万磁王

实验室里的黑洞激光示意图　　

10月24日消息，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(dumb holes)”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，如果一条鱼从瀑布表面摔下时大叫出声，尖叫的部分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表面更近的地方发出的，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。2010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应中出现突然的光猝发。这一现象被称之为“受激发射”。
2008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，它会慢慢达到相对静止状态。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？