黑洞的秘密

[2015-07-17] 作者:世界未解之迷网 阅读量: 分享到_微信朋友圈:

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  黑洞也在辐射

  在我们这个讲求“眼球经济”的时代,在众多天体中,黑洞可谓占尽眼球。

  我们知道,黑洞是宇宙中这样一类天体,它附近的引力是如此之强,以至于连运动最快的物体——光,从它身边经过时,也会被它吸进去,再也出不来。它周围那个连光也跑不掉的范围,就叫黑洞的视界。视界通常是一个球形的界面。

  在一般人的想像中,黑洞漆黑一片,就像守财奴的钱袋一样,物质在那里只进不出。但在上世纪70年代,英国物理学家霍金却提出一个惊人的假说。他说,物质在黑洞中并非只进不出,黑洞也会向外辐射,从而缓慢“蒸发”,直至消失。这种辐射现在叫霍金辐射。

  这是怎么一回事呢?这其实是一种量子效应。根据量子力学,所谓的真空其实并非一无所有,那里有许多正反粒子对此起彼伏地产生又湮灭。因它们存在的时间非常短,所以称其为虚粒子。其实虚粒子并非只存在于真空中,在我们身边也时刻存在,只是在真空中,它们不受“实”粒子的干扰,其产生的某些效应比较容易观察而已。

  霍金的假说基于这样一种想法:在黑洞视界附近产生的一对虚光子,如果其中一个被黑洞吸进视界,根据动量守恒,另一个虚光子势必就要朝相反的方向飞去,也就是说逃离黑洞。这样从外面看起来,黑洞就是在辐射或者说在蒸发的状态。

  霍金辐射已经被许多理论证实,但要让人信服,还必须要有实验上的证据。可是黑洞的霍金辐射非常微弱,直接观察几乎不可能。于是一些科学家想到了在实验中去模拟黑洞或黑洞的视界,以便看看到底有没有这种辐射。

  观察到了霍金辐射?

  要观察霍金辐射,关键是要制造出一个视界,但真实的视界是由黑洞产生的,在目前的实验条件下显然不可先去制造出一个黑洞。所以这就需要科学家另辟蹊径。

  视界的一个重要特征是里面的光跑不出去。2010年,一个由英国和意大利科学家组成的研究小组通过这样一种办法巧妙地制造了一个移动的“视界”:向一块玻璃砖上发射一束远红外激光脉冲,激光的波长是1055纳米,脉冲的持续时间非常短。激光脉冲持续时间短,意味着其能量在时间上更集中。太阳光照射到地面的平均功率是1000W/平方米,而这束激光脉冲的功率是太阳光的几万亿倍。它所携带的能量是如此密集,以至于当它在玻璃砖上传播时,传到哪儿,哪儿的玻璃就迅速被加热变形。加热变形之后,玻璃材料的光学特性被改变,折射率陡然上升。我们知道,折射率越大光传播的速度越慢。于是,激光脉冲在玻璃砖上的移动速度也跟着慢下来。假如这个时候在它后面再发射一束激光,不管是什么强度什么频率的,都无法超越前头的那个激光脉冲。这就好比在一条窄公路上,要是前头有一辆慢速行驶的大卡车挡路,那么后面的车辆都只好减慢速度,跟在它屁股后面磨蹭一样。

  后面的光子被这束激光脉冲挡着,越不过去,那么这束激光脉冲就起到类似黑洞视界的作用,——只不过这个“视界”不是静止的,而是在缓慢移动的。

  为了看看这个模拟的视界能否发出霍金辐射,科学家在玻璃砖一侧放置了光子探测器。果然,探测器探测到少量波长在850~950纳米的光子,跟理论计算的霍金辐射产生的光子波长非常一致,所以科学家认为他们首次观察到了霍金辐射。

  不过,他们的结论没有被科学界完全接受。

  用霍金辐射制造

  “黑洞”激光

  时隔2年,这个研究小组又想出一个奇招:如果霍金辐射存在,或许可以用“黑洞”来制造激光。

  通常的激光是这样产生的:在两块反射镜之间放置一块激光材料,这块材料与电源相连,为激光的产生提供能量。当一个光子被这块材料吸收后,这个光子就像触发了雪崩一样,让材料“吐”出更多的光子。这些光子被两面反射镜来回不停地反射,每反射一次,就穿过材料一次,每一次都触发材料“吐”出更多的光子。这样积聚到一定程度,我们就可以从装置中引出一束激光。激光发生器好比是一个光子放大器,进去一个光子,出来却是一大群光子。

  科学家的设想是,用两束现成的激光脉冲取代激光发生器中的两面镜子。这两束激光脉冲,其中一来像他们在2010年所做的实验那样,用于模拟的黑洞视界,另一束用于模拟白洞的视界——在那儿,光子只能接近,但进不去。整个装置相当于在“黑洞”视界里再设置一个“白洞”的视界。假如我们在两者之间注入光子,当光子逼近“黑洞”视界边缘时,不可能逃逸出“黑洞”;而当它返回来逼近“白洞”的视界时,又不能进入“白洞”,所以它只能在“白洞”和“黑洞”视界之间来回奔跑,就好像两头各有一面镜子。

  如果霍金辐射存在,那么从模拟的黑洞和白洞的视界表面源源不断地发射出光子,正如上面所说的,而这些光子在两面“镜子”之间来回奔跑,越聚越多,于是就形成了激光。一旦我们撤除一面“镜子”,那么激光就从中发射出来,——当然前提是霍金辐射确实存在。

  科学家预计,这种“黑洞激光”跟我们普通的激光会有些不一样。普通的激光单色性很好,而这种激光也许颜色会很杂。这是因为光子在接近“白洞”视界时,波长会缩短,即发生所谓的“蓝移”,而在接近“黑洞”视界时,波长会拉长,即发生所谓的“红移”。这样我们就不能保证所有的光子波长一致了。

  科学家目前已经造好了“白洞”的视界,而且确实观察到了“蓝移”现象,接下去他们还要造出“黑洞”的视界,这样他们才能去观察这种“黑洞”激光到底是否存在。要是存在,那就证实了霍金的假说。

  结论究竟如何,我们只能等待科学家最后的实验结果。

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  激光是如何产生的?

  物体发光虽然在生活中是一个常见的现象,但却涉及物理学上很深奥的学问。

  我们知道,物质是由原子组成的。原子又是由原子核和核外电子构成的。这些电子在核外有着不同的轨道。一般来说,它们都先占据低轨道,因为此时整个原子能量最低,最稳定,我们称其为“基态”。但倘若用一些办法,把低轨道的电子“赶”到高轨道去,这时我们就称原子处于“激发态”。当然,一个原子的基态只有一个,而激发态却有很多。原子的激发态不稳定,一般情况下,电子会自动从高轨道回到低轨道,这个过程中它要“抛弃”一部分能量,这部分能量以光子的形式发射出来,光子的波长取决于两个轨道之间的能量差。这就是我们看到的光。

  对于像灯泡这样的发光物体,通了电之后,其发光材料——钨原子的电子会被激发到不同能量的轨道,比如,这个钨原子的电子被激发到了轨道1,另一个钨原子的电子却被激发到了轨道2,当这两个电子回到基态时,就各自发出两种不同波长的光子。这就是灯光颜色很杂的原因。这就好比说,你让一些高矮不等的人每人举起一面锣,然后叫他们撒手。因为每人高度不等,每一面锣掉地的时间不一样,所以我们听到的是一阵杂乱无章、稀稀拉拉的锣声。

  而对于激光,科学家可以让激光材料里的所有原子一致处于同一能量的激发态,然后让它们同时回到基态。这样它们发射的光子能量都是一样的,而且是同时发射的。这个道理好比在上述锣的例子中,如果命令这些人把锣举到相同的高度,然后一声令下,撒手,那么这些锣落地时就会发出一致的响声。

    
    

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