科學家計畫在實驗室模擬製造黑洞
據《富比世》雜誌報道,黑洞像喜歡捕獲光一樣,喜歡捕獲人們的想像力。它們的質量大得驚人,人們認為,位於星系中心的黑洞比太陽大幾十億倍。它們非常可怕,什麼都逃不脫黑洞引力的「魔爪」。即使光與它相比,速度也顯得太慢。它們非常奇特,有人認為,它們能讓時間放慢腳步。現在,科學家準備在實驗室裡模擬製造這樣的東西出來。
在實驗室製造黑洞
黑洞非常古怪,有觀點認為,它們使物質以我們至今無法理解的方式行動,因此,它們也許掌握著一些最棘手的物理學問題的答案。只要我們能看到它們,就有希望找到答案。
現在科學家正準備在實驗室裡利用「超材料(metamaterials)」製造黑洞。超材料是結構已經發生改變的常見物質,因此它們可以使光和聲音表現出古怪的行為方式。2008年,加利福尼亞大學伯克利分校的張翔(Xiang Zhang)利用超材料製成一件隱形斗篷(invisibility cloak)。張翔使用的這種材料不是反射光,而是改變物體周圍光線的方向,使人無法看到它。
經過特殊設計,這些超材料可以使光線射進去,不過一旦進入,光線就無法再逃逸出來,這跟黑洞十分相似。當然,它們並不像黑洞那樣,利用強大的引力吞噬周圍太空。事實上它們非常小,幾乎沒有質量。達特默斯研究生保羅·內森(Paul Nation)在8月發表在《物理評論快報》雜誌中,詳細介紹了一種製造黑洞的方法,他惋惜地說:「我們並沒擁有一整顆可供我們自行支配的太陽。因此我們考慮光可能進入了它附近的黑洞。」
把量子力學和廣義相對論統一起來
去年,蘇格蘭聖安德魯大學的托馬斯·菲爾斌(Thomas Philbin)和同事們設計了一個系統,他們利用該系統可以看到黑洞的邊緣是什麼樣的。10月,中國南京東南大學毫米波國家重點實驗室的兩名科學家陳強(Qiang Cheng)和崔鐵軍(Tie Jun Cui)發表一篇論文,聲稱他們已經製成一個超材料黑洞,這個黑洞可「吞噬「微波,再也不讓它逃出來。
內森和他的同事們建議建造一個非常特殊的超材料黑洞體系,用它探測愛因斯坦的廣義相對論和量子力學這兩個傑出的物理學理論在哪裡才能統一起來。廣義相對論描述了岩石和恆星等巨大的物體的行為方式。量子力學描述了電子等微小物體的行為方式。這兩個理論都經得起試驗,而且它們都精確的非常令人難以置信。但是量子力學無法與萬有引力統一起來,萬有引力似乎在非常小的範圍內就不起作用了。物理學家對這種結果也感到迷惑不解。他們不清楚為什麼會是這樣。他們希望能有一些解釋——一些「量子引力」理論,能適用於所有情況。
黑洞是廣義相對論中一個極端實例。黑洞的物質最密集,引力最強,時空被彎曲的使光線無法正常通過。當然,它們都是難解之謎。我們無法直接看到它們,我們只能通過觀測它們附近天體的行為,推測它們就在那裡。可以描繪黑洞的計算面臨一些問題。計算過程中,奇點突然出現,這裡的數字趨於無限大,根本沒有任何實際意義。希望量子引力理論可以解決這些問題。
霍金在視界發現有趣現象
20世紀70年代,斯蒂芬·霍金教授通過研究發現,黑洞的邊緣,即所謂的「視界」,存在一些與量子力學有關的有趣結果。自然產生的粒子和反粒子在這裡相遇後,會立即彼此摧毀對方,永遠消失。如果一對光子正好出現在黑洞的視界上,一個會掉進黑洞,另一個則會從視界逃逸出來。從視界逃逸出來的光子被稱作「霍金輻射」。
內森說:「這是量子力學和廣義相對論開始互動的地方。」內森在他的論文中描寫了一個可以模擬視界的超導電路,科學家可以利用這個電路研究霍金輻射,甚至獲得一些有關量子引力的線索。他說:「你可以進行多方面研究,你可以制定特定模式,獲得你希望的結果,你可以描述一些我們一點也不熟悉的現象。我們設計這個電路的目的就是檢測量子力學的基本特性。」
第一次做這方面試驗
內森建議利用一系列被稱作超導量子干涉器(SQUID)的東西製造一個超導電路。每個超導量子干涉器就是一個超導線圈,中間有兩個地方用不是超導體的金屬片阻斷。電子成對沿一個超導體運行,撞到普通金屬片時,它們會分開,從金屬線裡穿過。電子沿電路表現出的這種古怪行為,跟在視界的行為方式非常相像。
內森說:「確實能做這項實驗讓我們感到非常興奮。以前從沒有人做過這方面的試驗,不過我們的研究和其他方面的研究都是長期目標。這些研究非常困難,但是並非不可行。」這些小黑洞可能缺乏超大質量黑洞的喜劇效果,例如位於銀河中心的黑洞使我們的太陽系處於一個舒適的運行軌道上。如果內森和同事們的推測是正確的,這些結果甚至能幫助我們瞭解一個更大的問題:宇宙中的萬事萬物是如何運行的。