科学家计划实验室内制造黑洞激光

北京时间10月24日消息，宇宙中有什么比黑洞更神秘？宇宙的镜像——白洞是理想的选择吗？将两者结合起来，你可能只会得到一个独特的激光概念。苏格兰物理学家相信，他们最终可能会在实验室里使用类似版本的白洞和黑洞来制造这种激光器。

我们可以把黑洞想象成一个长脖子的大漏斗。如果你“切掉”它的脖子，把它和第二个黑洞连接起来，你会得到一个沙漏形结构，两端用细丝连接。在学术上，这种细丝被称为爱因斯坦-罗森桥(由爱因斯坦和他的同事内森-罗森命名)，这是虫洞的早期理论体现。一些物理学家已经非常擅长模拟黑洞的信号行为，至少从数学角度来看是如此。例如，英国乌尔夫-莱昂哈特大学和圣安德鲁大学的一群人利用激光脉冲和光纤制造了类似黑洞的物体。在与不列颠哥伦比亚大学科学家的合作下，威廉·恩鲁克斯制作了一个版本的地平线水波和一个他称之为“哑洞”的声波模拟。

想象你是一条盲鱼，你也是一名物理学家。你住在一条河里。这条河的一部分有一个非常致命的瀑布。瀑布某些部分的水流速度超过了音速。显然，如果另一条掉进瀑布的鱼在成功通过这一点时兴奋地大叫，这些声音将永远不会被河对岸的其他人听到。这些声音会继续以同样的速度在水中传播，但是当水通过瀑布时，它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掉下来时发出尖叫声，并且一些尖叫声是从离水面更近的地方发出的，它将需要更长的时间才能脱离这个点，因为如果声音是从离特定表面更近的地方发出的，它的纯速度会变得越来越小。在鱼跃出水面之前，大量的声音需要花费无限的时间才能逃脱。

对我们来说，声音非常像黑洞的行为。2009年，中国物理学家使用所谓的超材料创造了一个类似黑洞的环境，允许微波*进入但不能逃逸。2010年，意大利米兰大学的科学家制作了一个发射霍金辐射的黑洞模拟物。霍金辐射是由黑洞附近的量子真空环境中的虚拟粒子突然逃逸引起的。通常它们会互相碰撞，互相破坏以产生能量，但有时其中一个虚拟粒子对会被吸进黑洞，这显然违反了能量守恒定律。为了抵消这种影响并确保能量继续保持，黑洞的质量必须减少。当然，从技术上讲，没有人观察到霍金辐射，但是物理学家确信这种辐射是真实的。因此，如果黑洞和白洞能发射辐射，为什么它们的类似物不能用作激光？这正是苏格兰霍瓦特大学的物理学家丹尼尔·菲舍尔洛和他的几个同事，包括利昂哈特的想法。

所有的激光器在激光介质中都有一个空腔:每一个都是像红宝石或石榴石一样的晶体，或者是气体和液体。腔的每一端都有两个镜子，其中一个是半镀银的，这意味着它可以反射一些光，让一些光通过。可以通过的光是发射的激光。施加的强闪光或电流“吸引”激光介质中的原子或分子，因此它们大多处于较高的能量状态，而不是基态。然后光子将进入激光腔。如果它击中一个受激原子，该原子将返回到其基态，并发射出第二个光子，其频率和方向与轰击光子相同。每个光子将继续撞击其他被激发的原子，释放更多频率和方向相同的光子。结果是在一个快速的连锁反应中突然爆发的光。这种现象被称为“受激辐射”。

2008年，leonhardt开始思考黑洞类似于激光的可能性，并使用两个不同波长的激光脉冲来模拟地平线。两个激光脉冲都被激光介质点燃，但是它们以不同的速度穿过空腔。第一束光改变了材料的折射率，所以第二束光必须减速，尽管最初它比第一束光“快”。这意味着第二个脉冲将永远赶不上黑洞，它将慢慢达到相对静止的状态。换句话说，它无法从激光介质中逃脱。这类似于地平线。然而，重要的是要知道物理学家已经用这种方法证明了类似霍金辐射的方程。这是激光可以进入的地方。如果类似的黑洞由于霍金辐射而失去质量，我们也许能够以这种方式模拟光发射。

为了让它工作，你需要两个并排的视界，一个类似于黑洞，另一个类似于白洞。连接它们的细丝相当于一个空腔(类似于虫洞)。理论上，光脉冲将在空腔中来回传播，逐渐从霍金辐射中获得能量。所有这些都取决于你为激光介质选择的材料。莱恩哈特提出使用玻色-爱因斯坦凝聚，然后将声波注入激光介质。中国物理学家使用超材料作为激光介质。他们通过改变折射率来制造非常好的光波导。因此，光的路径相当于重力扭曲空间和时间的程度。这是隐形斗篷成功的秘密。中国研究小组成功地严重扭曲了“空间”，使得进入超材料的光线无法逃逸，类似于黑洞的视界。

现在菲舍尔洛、莱昂哈特和他们的同事相信，他们可以利用超材料(甚至是生长成适当波导形状的钻石)在实验室制造黑洞激光原型，并利用强光束来引起超材料折射率的必要极端变化。毫无疑问，制造一个能在实验室正常工作的原型是我们目前面临的最大挑战。但是这个想法真的很棒。谁知道概念类似物是否有实际应用价值？

阅读更多

发现号网站上的相关报道