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论文作者:Ulf Leonhardt 期刊:《科学》 发布时间:2008-3-7 16:40:31
模拟“白洞”验证霍金预言

图片说明:最新研究用光线和光纤模拟了黑洞的同类——白洞。
(图片来源:GETTY)
 
物理学家无法穿梭进入黑洞内部来看个究竟,不过,他们没有放弃往这个方向努力。在3月7日《科学》杂志的一篇论文中,英国科学家利用光纤和激光,在实验室模拟与黑洞类似的“白洞”(White Hole)上迈出了重要的一步。这一令人振奋的成果有望在不久的将来,为科学家通过模拟研究检测霍金对黑洞特性的预言——霍金辐射(Hawking radiation)奠定基础。
 
人们知道,质量和引力巨大的黑洞有一个名为视界(event horizon)的边界,任何物质即使是光线进入视界后也无法再逃脱出来。不过,著名理论物理学家史蒂芬·霍金考虑到量子力学,在1975年预言,黑洞并非绝对的没有任何辐射,粒子对可以一个在内一个在外凌驾于视界之上。不过,由于这种“霍金辐射”十分昏暗,连宇宙微波背景都远不能将其显示出来,因此也一直没有得到确证。
 
而所谓的白洞也是广义相对论预言的一种扭曲时空的天体,也有与黑洞类似的封闭边界。不过,与黑洞不断被发现形成对比的是,到目前为止还没有任何证据表明白洞的存在,这或许是由白洞的不稳定造成的。
 
白洞与黑洞性质上的显著差异从名字也能略知一二。相比吞噬一切的黑洞,白洞好像一个不断向外喷射物质和能量的“喷泉”,其内部物质和各种辐射只能经由边界向外部运动,而外部的物质和辐射却不能落入白洞里来。即使是光线想笔直冲入白洞,也只会在视界上停止下来。可以这样认为,假如黑洞是由于太深而没有东西能逃脱出来,那么白洞就是由于太高太陡而无法让任何物体攀登上去。
 
 
图片说明:水流恰好阻碍逆流而上的鱼,是对视界的一个模拟。
(图片来源:PETER HOEY)
 
实际上,模拟白洞视界从原理上十分简单。加拿大不列颠·哥伦比亚大学的William Unruh和同事曾有一个通俗的比方。想象一条河里的鱼都在以最大速度逆流而上,如果在河流的某一位置,水流速度恰好与鱼的游动速度相同,那么这些鱼将无法再前进,而会聚积在那里。这一位置实际上也就模拟了白洞的视界。
 
在最新研究中,英国圣安德鲁斯大学(University of St. Andrews)大学的Ulf Leonhardt和同事采取了另一种巧妙的实验室方法。他们向一根光纤中发射红外光脉冲,光脉冲的强度本身就能改变光波在光纤中的传播速度。随后,研究人员向光纤中射入波长更长的另一束光,它比之前的光脉冲运动速度稍快。当第二束光线追上并“继承”该脉冲后,它的速度就会逐渐变慢,直到某一位置它的速度正好与初始脉冲相同为止。
 
研究人员表示,光脉冲上的这一位置就是对白洞视界的模拟。而更值得注意的是,聚积在那里的光线其波长会被轻微地压缩,变得稍短一些。显然,这又减慢了光线的传播速度,因此它会开始跟不上光脉冲,二者的距离拉得越来越远。研究人员在实验中成功探测到了上述的波长变化,并发现了光线堆积在“视界”上的证据。
 
芬兰赫尔辛基理工大学(Helsinki University of Technology)的物理学家Grigori Volovik表示,虽然此前的模拟研究也产生过一些黑洞和白洞模型,但“最新的研究诞生了首个与霍金辐射多少有关的模型。这是一个突破”。
 
Leonhardt表示,下一个目标就是验证霍金辐射。他认为,模拟白洞的模型也应该有类似的辐射。类似于扭曲的时空,在光纤中具有宽泛速度变化范围的光线也能在真空中诞生出粒子对。因此该光脉冲会发出微弱的但可用紫外线探测到的辐射。
 
Unruh表示,观测到这一闪光是问题的关键,毕竟霍金辐射还没有得到证实。如果物理学家真的在黑洞或白洞类似模型中发现了确凿证据,“那么人们对霍金辐射的信任度就会高得多得多。”
 
Volovik也半开玩笑道,“如果他们真的看到了霍金辐射,那么我想霍金终将得到他的诺贝尔奖。”(科学网 任霄鹏/编译)
 
(《科学》(Science),Vol. 319. no. 5868, pp. 1367 - 1370,Thomas G. Philbin, Ulf Leonhardt)
 
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