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"人造黑洞"问世 模拟弯曲时空或揭吞噬真相(图)

http://www.kexue.com 2013-10-08 09:25:57 凤凰科技  发表评论


光在穿越光子层时会发生弯曲,与经过黑洞的情形一样

  一个塑料黑洞也能像真实黑洞一样围困光,无论是人造的还是自然的黑洞,科学家都能够实时观察它的结构。与真实黑洞不同的是,它并不危险——它能帮助揭秘自然最怪异的天体之一,甚至可能对获得能量的设备,例如太阳能电池,具有启示意义。

  黑洞因能吞噬路经的光以及任何物体而闻名,但它只能静静等待物体经过名为视界的点后才能将其吞噬。相比之下,黑洞的光子层鲜为人知,这是位于视界之外的弯曲时空区域,它只会围困弯曲路径上的光。天文学家从未观测过光子层——即使是在真实的黑洞以外——因为,很明显,被围困的光无法逃逸并到达你眼里,因此你无法看见。

  为了将这个过程可视化,中国南京大学的刘辉(Hui Liu)和同事创造了一个人造黑洞。在自然环境里,黑洞会通过自身强大的引力吞噬和围困光,因此在实验室环境下再造这个过程不仅非常困难,还无比危险。相反,刘的研究小组利用了塑料片,通过不同的折射率来模拟引力效应。折射率决定了物质能多大程度的弯曲光线。

  制造光变曲线

  折射率因物质的不同而各不相同,这就是为什么放在水杯里的吸管看起来是弯曲的:水折射光的程度比空气的更大,因此具有更大的折射率。具有持续变化折射率的材料将表现的更加极端,大量微小的弯曲将创造一个平滑的曲线——而非一个黑洞的光子层。

  刘的研究小组还添加了量子点来融化丙烯酸玻璃,前者是一种具有半导体特性的小片材料,它在被照亮时会发荧光。然后将这种混合物倾倒到旋转的石英薄片上,并缓慢的将其摊开。

  研究小组将一个微观可见的聚苯乙烯球放在中央作为锚,混合物材料距离聚苯乙烯球越近就越厚,距离越远就越稀薄。“这就产生了与黑洞周围的空间曲率相同的有效折射率,”刘这样说道。事实上,用于建模黑洞的爱因斯坦场方程式也可能用于描述丙烯酸里光的行为。

  发射激光照射材料将使得科学家能够观测活动中的人造黑洞——并可视化其它熟悉的引力效应。距离微球体较远的光束将产生轻微的弯曲,引力在太空里也会产生相同的效应,后者被称为引力透镜效应。这种效应产生于当一束光经过巨大的天体,例如恒星或者星系时。这种效应会导致光束经过弯曲的时空时,路径发生改变,这将有利于更好的观测遥远天体,例如系外行星。

  然而在人造黑洞里,这种引力会随着激光逐渐靠近聚苯乙烯球而逐渐增大,最终达到一个临界点,也即180度完全扭曲光。之前科学家也曾创造人造黑洞以模拟黑洞的视界,试图检测名为霍金辐射的神秘过程——但这是首个再造光子层的人造天体。

  可见球体

  此外,与真实黑洞有所不同,通过量子点光子层将变得可见。虽然被围困的实际光线仍不可见,正如真实黑洞里的情形,但量子点可以吸收其中一些光并从不同角度释放出红光,使得它能够逃离黑洞的引力。这提供了真实光子层路径的精确追踪,并且可以通过摄像机成像。

  “我们的研究提供了模拟黑洞附近光围困的简单但具独创性的方法。”刘说道。以色列雷霍沃特魏茨曼研究所的吾尔夫·莱昂哈特(Ulf Leonhardt)认为刘的结构提供了研究黑洞的另一种方法,莱昂哈特之前曾创造了一个人造视界。“它显示了广义相对论里描述的透镜效应并没有什么神秘,你可以利用日常材料产生同样的效应。”

  刘表示这个模型可以用于研究真实黑洞附近的广义相对论效应,但围困光的能力将具有更多实际应用。“它可以用于太阳能电池,光子探测器、微型激光器和其它收获能量的设备。”

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