科学家计划实验室内制造黑洞激光
时间:2017-12-07

  科学家计划在实验室制造黑洞激光器 - 新闻 - 科学网

  北京时间10月24日消息,有什么比宇宙中的黑洞更神秘?这是宇宙镜像的理想选择吗?苏格兰物理学家认为,将这两者结合起来可能会给你一种独特的激光概念,他们最终可能会在实验室中使用类似的黑洞和白洞来制作这种激光器。

  我们可以把黑洞看成一个长长的脖子。如果你切断了它的脖子并把它与另一个黑洞连接起来,你会得到一个沙漏状的结构,其末端由灯丝连接起来。在学术上,灯丝被称为爱因斯坦 - 罗森桥(以爱因斯坦和他的同事内森 - 罗森命名),一个虫洞的早期理论体现。一些物理学家一直非常擅长模拟黑洞的信号行为,至少从数学的角度来看。例如,Woolf-Leonhardt和圣安德鲁大学的一群人已经使用激光脉冲和光纤来制造类似于黑洞的物体。威廉·英格拉姆(William Ingram)与不列颠哥伦比亚大学的科学家合作,地平线以及他称之为哑洞的声速的类比。

  想象一下你是一条盲目的鱼,你也是一个物理学家,你住在一条河里。河流的一部分有一个非常致命的瀑布,瀑布的一部分的水流超过了声速。很显然,如果另一条坠入瀑布的鱼在这时兴奋地大叫,河里的其他人就不会听到这些声音。这些声音以相同的速度持续下去并继续穿过水面,但是当水通过瀑布时,它会以更快的速度爬下。另外,如果鱼从瀑布表面落下时发出叫声,尖叫声的一部分发出更接近水面,并且需要更长的时间才能逃离这一点,因为如果声音距离较近,一个给定的表面被发射,其纯粹的速度会越来越小。在潜水之前,声音需要很长时间才能逃脱。

  对我们来说,这个声音非常像一个黑洞。 2009年,中国物理学家利用所谓的超材料创造了黑洞般的环境,允许自由进入微波炉,但无法逃脱。 2010年,意大利米兰大学的科学家们发现了霍金辐射的黑洞。霍金辐射是由虚拟粒子突然从黑洞附近的量子真空环境逃逸而引起的。它们往往相互碰撞,相互摧毁,产生能量,但有时虚拟粒子中有一对虚拟粒子被拉成黑洞,这显然违背了能量守恒定律。为了抵消这种影响,确保能源继续得到保存,黑洞的质量肯定会降低。当然,从技术角度来看,还没有人观测到霍金辐射,但物理学家确信这种辐射是真实的。所以如果黑洞和白洞能发射辐射,为什么不把它们的类似物当作激光呢?这恰恰是苏格兰赫瑞瓦特大学的物理学家丹尼尔·菲克(Daniel Fickaux)和他的一些同事,包括莱昂哈特(Leonhardt)的想法。

  所有的激光器都有一个激光介质腔:每一个都是像红宝石或石榴石的水晶,或者是气体和液体。空腔的每一面都有两面镜子,其中一面是半镀银的,意思是它反射了一些光线,让一些光线通过。可以通过的光是发射的激光。所施加的强烈的闪光或电流吸引激光介质的原子或分子,使得它们大部分处于比基态更高的能量状态。然后一个光子将进入这个激光腔。如果它碰到一个激发原子,原子返回到它的基态,并发射与光子相同方向的第二个光子。每个光子将继续击中其他激发的原子,释放更多的相同频率和方向的光子。结果是快速连锁反应突然爆发。这种现象被称为受激发射。

  2008年,莱昂哈特开始考虑像激光这样的黑洞的可能性,并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腔体。第一个光束改变材料的折射率,所以第二个脉冲必须减慢,虽然最初比第一个脉冲快。这意味着第二个脉冲将永远不会遇到黑洞,并且会慢慢相对停顿。换句话说,它不能逃离激光介质。这与地平线相似。但是请注意,物理学家们已经使用这种方法来演示类似的霍金辐射方程。这里是激光可能进入的地方。如果一个类似的黑洞通过霍金辐射损失质量,我们可以用这种方式来模拟光发射。

  为了使它工作,你需要两个并排的视界,一个类似于一个黑洞,另一个类似于一个白洞。连接它们的细丝相当于一个空腔(类似于一个虫洞)。理论上,光脉冲在腔内来回移动,逐渐从霍金辐射中获得能量。所有这些都取决于您为激光介质选择的材料。莱昂哈特建议使用玻色 - 爱因斯坦凝聚物,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。通过改变折射率,他们创造了一个很好的光波导。因此,光的前进路径等于重力使时空变形的程度。这是可能披风斗篷成功的秘密。中国的研究小组设法扭曲了这个空间,使进入超材料的光线不能逃脱,类似于黑洞的视界。

  现在,Phyllisio,Leonhardt和他们的同事们认为他们可以在实验室用超材料(甚至是生长成适当波导形状的钻石)制造黑洞激光原型,并使用强光束来引起超材料折射。毫无疑问,在实验室里创建一个工作原型是现在最大的挑战。但是这个想法真的很棒。谁知道类比物的概念没有实用价值?

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