光量子之超進化 科學簡介(2)

作者 ︰ 東方劍修

美國制成「人造黑洞」

2005年3月,美國布朗大學物理教授‘霍拉蒂•納斯塔西’在地球上制造出了第一個「人造黑洞「。美國紐約布魯克海文實驗室1998年建造了20世紀全球最大的粒子加速器,將金離子以接近光速對撞而制造出高密度物質。雖然這個黑洞體積很小,卻具備真正黑洞的許多特點。紐約布魯克海文國家實驗室里的相對重離子踫撞機,可以以接近光速的速度把大型原子的核子(如金原子核子)相互踫撞,產生相當于太陽表面溫度3億倍的熱能。納斯塔西在紐約布魯克海文國家實驗室里利用原子撞擊原榔造出來的灼熱火球,具備天體黑洞的顯著特性。比如︰火球可以將周圍10倍于自墑量的粒子吸收,這比所有量子物理學所推測的火球可吸收的粒子數目還要多。

人造黑洞的設想最初由加拿大「不列顛哥倫比亞大學」的《無〈錯《小說WWw.wCXiaOShuO.coM威廉•昂魯教授在20世紀80年代提出,他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似,如果使流體的速度超過聲速,那麼事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞。然而,利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力,除了光線外,它們無法像真正的黑洞那樣「吞下周圍的所有東西」。然而,納斯塔西教授制造的人造黑洞已經可以吸收某些其他物質。因此,這被認為是黑洞研究領域的重大突破。

歐洲「人造黑洞」

2008年9月10日,隨著第一束質子束流貫穿整個對撞機,歐洲大型強子對撞機正式啟動。

歐洲大型強子對撞機是2013年前世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一種將質子加速對撞的高能物理設備,它位于瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織CERN的粒子加速器與對撞機,作為國際高能物理學研究之用。系統第一負責人是英國著名物理學家‘林恩•埃文斯’,大型強子對撞機最早就是由他設想出來並主導制造的,被外界稱為「埃文斯原子能」。

當比我們的太陽更大的特定恆星在生命最後階段發生爆炸時,自然界就會形成黑洞。它們將大量物質濃縮在非常小的空間內。假設在大型強子對撞機內的質子相撞產生粒子的過程中,形成了微小黑洞,每個質子擁有的能量可跟一只飛行中的蚊子相當。天文學上的黑洞比大型強子對撞機能產生的任何東西的質量更重。據愛因斯坦的相對論描述的重力性質,大型強子對撞機內不可能產生微小黑洞。然而一些純理論預言大型強子對撞機能產生這種粒子產品。所有這些理論都預測大型強子對撞機產生的此類粒子會立刻分解。因此它產生的黑洞將沒時間濃縮物質,產生肉眼可見的結果。

中國的人造電磁黑洞

中國科學家造出第一個「人造電磁黑洞」

2009年10月15日,《科學》雜志宣布,世界上第一個「可吸收電磁波的微波人造黑洞」在中國東南大學實驗室里誕生。不過,這個小型「黑洞」不僅不會毀滅世界,還能幫助人們更好地吸收太陽能。

人們對黑洞這種天體感到好奇,但絕不會希望有任何一個黑洞接近自己,或我們的星球。有一些科學家在自己的實驗室里造出了一個「迷你小型」黑洞。

2009年10月15日的《科學》雜志在介紹這種「人造黑洞」時建議,人們可以把這種「黑洞」裝進自己的大衣口袋里。

制造出「人造黑洞」的是中國東南大學的一個研究組,崔鐵軍教授和程強教授是其中最主要的兩位研究者。

「實際上,我們做的黑洞不是嚴格意義上的黑洞。」在接受《外灘畫報》采訪時,程強教授對記者說。

實驗室里的「人工黑洞」,目的當然不是為了將一個吞噬一切的「惡魔」裝進口袋。據程強介紹,存在于東南大學毫米波國家實驗室的「人造黑洞」,實際上是一個模擬裝置,這種模擬裝置可以吸收微波頻段的電磁波,在未來,它還可以吸收光。

但是除此之外,它並不能吸收任何實質的東西。「它只吸收電磁波,不吸收能量。」程強對記者說。

這是一個不具有危險性的「黑洞」,不僅如此,這種裝置還能在未來用于收集太陽能。在這方面,「人造黑洞」將比世界上任何一種太陽能電池板都更高效。

一些物理愛好者甚至為這種全新的裝置設計了一些新功能,比如將它裝置在航天器中的太陽帆上,或者用來吸收空氣中游散的電磁波——因為手機和無線網絡的普及,這種看不見的電磁波據說侵害了我們的健康,成為一種新的污染。

不過,制造「黑洞」的研究者卻從來不想那麼多,崔鐵軍和程強正在繼續的,是如何把實驗室里的裝置變成樣機,「實現工程化」。

面對關于「人造黑洞」的各式各樣的議論,程強認為,「成果公布以後,被許多國際媒體轉載和評論,確實也大大出乎我們意料。從我們個人角度而言,只覺得這是一個比較有意義的工作。

實驗室里的「黑洞」

「我覺得很驚奇,崔和程這麼快就做出了‘人造黑洞’!」看到這個研究成果後,納瑞馬諾維說。

伊維根•納瑞馬諾維(EvgeniiNarimanov)是美國印第安納州西拉斐特市普渡大學的一名教授。

年初,他和合作者亞歷山大•基爾迪謝維(AlexanderKildishev)一起,發表論文,提出了一種制造小型「黑洞」的理論和設計方案。

他們的想法是通過模擬黑洞的一些性質,使在「人造黑洞」附近出現的放射性物質被吸引,然後螺旋式地進入「黑洞」中心。

「我們的確是受到他的論文的啟發,但研究本身是我們獨立完成的。」程強對記者說。

之所以能這麼快將之變成現實,是因為他們所在的實驗室也一直從事著這方面的研究,在理論和實驗兩方面都積累了很多年的經驗,實驗過程中也用到了很多他們自己的獨創性想法。

不過雖然名為「黑洞」,他們受納瑞馬諾維啟發而造的「黑洞」,和真正存在于宇宙中的黑洞還是有大差別的,這種差別並不僅僅體現在質量的大小上。兩種「黑洞」的原理其實並不一樣。

宇宙間的黑洞之所以能吞噬一切,是因為它質量巨大,而實驗室里的「黑洞」,實際上是根據光波在被吸進宇宙黑洞時的性質,模擬出來的儀器,可以令光波接近時產生相似的扭曲,並被吸引。

也就是說,兩種「黑洞」可以讓附近的光波出現相似的「結局」,但是光波遇到的卻並不是同一回事。

不過東南大學實驗室里的「黑洞」,還只是適用于某些微波頻率,比如人們常用的通信頻率,如G**、CDMA和藍牙等,吸引光波還有待進一步研究,因為光波的頻率更短,需要設計的「人造黑洞」尺寸也要更小些。

質量測定

中科院國家天文台研究員劉繼峰領導的國際團隊在世界

國家天文台提供的星雲圖[11]

上首次成功測量到X射線極亮天體的黑洞質量,在該領域獲得重大突破,將增進人們對黑洞及其周圍極端物理過程的認識。該研究成果2013年11月28日發表在國際權威雜志《自然》上。20世紀90年代以來,天文學家陸續在遙遠星系中發現了一批X射線光度極高的天體,它們可能是人們一直尋找的中等質量黑洞,也可能是具有特殊輻射機制的幾個或幾十個太陽質量的恆星級黑洞。國際天文和天體物理界對此一直難以定論。由于這類天體距離我們十分遙遠,通常為幾千萬光年,同時X射線照射黑洞吸積盤而產生的光污染也非常強,因此測量極其困難。

劉繼峰團隊選取有特色的天體目標,成功申請到位于美國夏威夷的8米大型雙子望遠鏡以及10米凱克望遠鏡各20小時的觀測時間,在3個月的時間跨度上對漩渦星系中X射線極亮源M101ULX-1進行了研究,並確認其中心天體為一個質量與恆星可比擬的黑洞。這個黑洞加伴星形成的黑洞雙星系統位于2200萬光年之外,是人類迄今發現的距離地球最遙遠的黑洞雙星。[11]

不存在

黑洞這一定義在經過漫長的時間推測後,已經慢慢被人們所接受。然而在2014年1月24日,英國著名科學家斯蒂芬•霍金教授再次以其與黑洞有關的理論震驚物理學界。他在日前發表的一篇論文中承認,黑洞其實是不存在的,不過「灰洞」的確存在。

在其這篇名為《InformationPreservationandWeatherForecastingForBlackHoles》的論文中,霍金指出,由于找不到黑洞的邊界,因此黑洞是不存在的。黑洞的邊界又稱「視界」。經典黑洞理論認為,黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部,而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界。

霍金的最新「灰洞」理論認為,物質和能量在被黑洞困住一段時間以後,又會被重新釋放到宇宙中。他在論文中承認,自己最初有關視界的認識是有缺陷的,光線其實是可以穿越視界的。當光線逃離黑洞核心時,它的運動就像人在跑步機上奔跑一樣,慢慢地通過向外輻射而收縮。

黑洞炸彈

2001年1月,英國聖安德魯大學著名理論物理科學家烏爾夫•利昂哈特宣布他和其他英國科研人員將在實驗室中制造出一個黑洞,當時沒有人對此感到驚訝。然而俄《真理報》日前披露俄羅斯科學家的預言︰黑洞不僅可以在實驗室中制造出來,而且50年後,具有巨大能量的「黑洞炸彈」將使如今人類談虎色變的「原子彈」也相形見絀。

人造黑洞的設想由威廉•昂魯教授提出,他認為聲波在流體中的表現與光在黑洞中的表現非常相似,如果使流體的速度超過音速,那麼事實上就已經在該流體中建立了一個人造黑洞現象。但利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足夠的引力,除了光線外,無法像真正的黑洞那樣「吞下周圍的所有東西」。

俄羅斯科學家亞力克山大•特羅菲蒙科認為,能吞噬萬物的真正宇宙黑洞也完全可以通過實驗室「制造出來」︰一個原子核大小的黑洞,它的能量將超過一家核工廠。如果人類有一天真的制造出黑洞炸彈,那麼一顆黑洞炸彈爆炸後產生的能量,將相當于數顆原子彈同時爆炸,它至少可以造成10億人死亡。」

捕捉星雲

2011年12月,一個國際研究小組利用歐洲南方天文台的「甚大望遠鏡」,

星雲正接近銀河中央黑洞

發現一個星雲正在靠近位于銀河系中央的黑洞並將被其吞噬。

這是天文學家首次觀測到黑洞「捕捉」星雲的過程。觀測顯示,這個星雲的質量約是地球的3倍,它的位置來逐漸靠近「人馬座A星」黑洞。這個黑洞的質量約是太陽的400萬倍,是距離我們最近的大型黑洞。研究人員分析認為,到2013年,這個星雲將離黑洞非常近,有可能被黑洞逐漸吞噬。[12]

另外,黑洞並不是實實在在的星球,而是一個幾乎空空如也的天區。黑洞又是宇宙中物質密度最高的地方,地球如果變成黑洞,只有一顆黃豆那麼大。原來,黑洞中的物質不是平均分布在這個天區的,而是集中在天區的中心。這個中心具有極強的引力,任何物體只能在這個中心外圍游弋。一旦不慎越過邊界,就會被強大的引力拽向中心,最終化為粉末,落到黑洞中心。因此,黑洞是一個名副其實的太空魔王。

黑洞內部只有三個物理量有意義︰質量、電荷、角動量。[1]

黑洞無毛

1973年霍金、卡特爾(B.Carter)等人嚴格證明了「黑洞無毛定理」︰「無論什麼樣的黑洞,其最終性質僅由幾個物理量(質量、角動量、電荷)惟一確定」。即當黑洞形成之後,只剩下這三個不能變為電磁輻射的守恆量,其他一切信息(「毛發」)都喪失了,黑洞幾乎沒有形成它的物質所具有的任何復雜性質,對前身物質的形狀或成分都沒有記憶。于是「黑洞」的術語發明家惠勒戲稱這特性為「黑洞無毛」。

對于物理學家來說,一個黑洞或一塊方糖都是極為復雜的物體,因為對它們的完整描述,即包括它們的原子和原子核結構在內的描述,需要有億萬個參量。與此相比,一個研究黑洞外部的物理學家就沒有這樣的問題。黑洞是一種極其簡單的物體,如果知道了它的質量、角動量和電荷,也就知道了有關它的一切。黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何復雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶,它保持的只是質量、角動量、電荷。消繁歸簡或許是黑洞最基本的特征。有關黑洞的大多數術語的發明家約克•惠勒,在60年前把這種特征稱為「黑洞無毛」。

宇宙黑洞

美國天文學家發現了一個源自127億年前的黑洞,不過這個黑洞距離地球非常遙遠,它是在宇宙大爆炸之後的1億年形成的。但是令所有科學家迷惑的是,是什麼力量讓這個宇宙黑洞在這麼「短」的時間內就形成了這麼大質量的黑洞的?

這個宇宙黑洞是目前全世界發現的最古老的,已經有天文科學家把它命名為了Q0906+6930,它的質量幾乎達到了整個銀河系下的恆星質量之和,而它的容量幾乎可以裝下1000個太陽系。這個黑洞僅僅比宇宙晚形成那麼幾億年「而已」,像它這樣大容量的黑洞,又這麼的古老,真的非常罕見。

宇宙黑洞只是一個模糊的概念,它既看不到也模不到,只能通過X射線和伽馬射線來確定它的存在和測量它的體積和質量。但是對于這個宇宙黑洞的數據都是估量值,現在已經有一些天文專家準備利用它周圍的天體的X射線和伽瑪射線來精確測量它的精確數據。[13]

類似天體

白洞是廣義相對論所預言的一種與黑洞相反的特殊天體。和黑洞類似,白洞也有一個封閉的邊界,聚集在白洞內部的物質,只能經邊界向外運動,而不能反向運動,就是說白洞只向外部輸出物質和能量。白洞是一個強引力源,能把它周圍的物質吸積到邊界上形成物質層。但白洞還是一種理論模型,尚未被觀測所證實。

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