在宇宙的原野上 / Z / 制造黑洞

0 0

   

制造黑洞

2011-04-24  在宇宙的...

制造黑洞

时间:2007-03-13 17:56 来源:《环球科学》2006年第01期
利用声与光的相似,科学家们模拟出一个“声学黑洞”,试图解开宇宙之谜:我们所生活在其中的时空,是否根本就是一种流体?   

撰文 Theodore A.Jacobson、Renaud Parentani

    1905年,阿尔伯特?爱因斯坦提出了他的狭义相对论,驳斥了19世纪的一种观念:光产生于一种假想的介质――“以太”(ether)的振动。他指出,无需任何物质的支持,光波就能在真空中传播。这一点上,光波与声波不同,后者是通过介质的振动而传播的。在现代物理学的另外两大支柱――广义相对论和量子力学中,狭义相对论的这个特点一直未曾动摇。直到今天,所有的实验数据――小到亚原子,大到星系尺度,都可以用这三大理论来成功解释。

    不过,物理学家面临着一个深层概念上的问题。按照目前的理解,广义相对论和量子力学并不相容。被广义相对论归因于时空连续体弯曲的引力,却与量子理论框架格格不入。理论家仅仅在理解高度弯曲的时空结构方面不断取得进展,因为在极短的距离上,他们必须考虑量子力学。挫折之余, 一些人已经另辟蹊径――向凝聚态物理学寻求指导。而这种物理用于普通物质研究,例如晶体和流体。

    (以太:十九世纪,主流物理学认为光是一种波,就像日常生活中遇到的声波一样。声波必须依赖于某种介质才能传播,于是科学家们假设,光的传播也需要借助某种介质的帮助,这种假想的介质就被称为以太。假如以太是真实存在的,那么地球相对于它的运动必然导致各个方向上光线传播速度的差异。但是后来的物理实验证明,光速在任何方向上都是相同的,因此否定了作为光传播介质的“以太”的存在。本文最后一段提到的以太,只是借用了这个概念,用来描述时空本身可能存在的颗粒状微观结构,并不是传统意义上的“以太”。
    爱因斯坦以前,物理学假设真空中存在着一种假想的物质“以太”,那么相对于以太静止的参考系就是一个特殊的绝对静止参考系;而爱因斯坦的相对论抛弃了以太的假说,认为所有的参考系都是相对的、平等的,任何一个参考系都不会比其他的更优越、更特殊――这就是优先参考系的由来。)

    黑洞如同热煤球

    黑洞是量子引力最宠爱的实验场之一,因为在这里,量子力学和广义相对论都显得非常重要――这样的地点非常罕见。1974年,英国剑桥大学的史蒂芬•霍金将量子力学应用到了黑洞的视界上,迈出了两大理论融合的一大步。

    根据广义相对论,视界是分隔黑洞内部(其中的引力非常强大,以致所有物体都无法逃离)和外部的表面,它并非一个物质的界限。不幸落入黑洞的旅行者,在穿越视界时,并不会有任何特殊的感觉。可一旦进入视界,他们就再也无法将光信号传给外面的人,更别说从那里回来了。黑洞外的观测者,只能接收到旅行者穿越视界之前发出的信号。当光波爬出黑洞的引力井时,它们被拉长、频率降低、信号持续时间也随之延长。因此,对观测者而言,旅行者似乎在以慢动作运动,而且比通常的颜色偏红。

    这种被称为引力红移(gravitational redshift)的效应并不是黑洞所特有的。比如,当信号在轨道卫星和地面基地之间传递时,频率和时间也会因引力红移而改变,GPS导航系统必须将它考虑在内才能准确工作。不过,黑洞的特殊之处在于,当旅行者靠近视界时,红移就会变得无穷大。在外部观测者看来,旅行者的下落过程似乎要耗费无限的时间,尽管旅行者自己觉得不过是经历了一段有限的时间而已。

    到目前为止,这种对黑洞的描述,还只是将光当作传统电磁波看待。霍金所做的,就是在把光的量子本质考虑进来,重新研究了无限红移的意义。根据量子理论中的海森堡测不准原理,即使完美的真空,也并非真的空无一物,其间充满了量子涨落,这些涨落以虚光子对(pairs of virtual photons)的形式表现出来。这些光子之所以被称为“虚”光子,是因为在一个远离任何引力影响的未弯曲时空中,它们总是不停地出现和消失,如果缺乏外界的干扰,就无法观测得到。

    但在黑洞周围的弯曲时空中,虚光子对中的一颗,可能会陷入视界内部,而另一个会滞留在视界之外。于是,这对光子就会由虚变实,产生出向外辐射的可观测光线,此时,黑洞的质量也会相应下降。黑洞辐射的整体模式是热辐射,就像一个炽热的煤球发出的光线一样,它的温度与黑洞的质量成反比。这种现象被称为霍金效应(Hawking effect)。除非黑洞吞噬物质或能量来弥补损失,否则霍金辐射将会耗尽它所有的质量。

    重要的是,在非常靠近黑洞视界的空间,还保持着近乎完美的量子真空――当我们把流体和黑洞进行类比时,这将变得至关重要。事实上,这个条件是霍金理论的基本前提。虚光子是最低能量的量子状态,即“基态”(ground state)的一种特征。只有在虚光子与同伴分离、并逃离视界的过程中,它们才会变成实光子。

    (海森堡测不准原理:海森堡,德国物理学家。因创立量子力学,于1932年获得诺贝尔物理奖。测不准原理是他在1927后提出一个原理,即在量子力学中,一个粒子的位置和动量不可能被同时确定――位置越确定,动量就越不确定,反之亦然。这并不是实验能力上的不足,而是物理世界给出的限制条件。当我们从越来越小的尺度上观察世界的时候,其中的能量就会因为测不准原理而变得越来越起伏不定。成对的虚光子就会在这种能量的波动中出现和消失,留不下任何可观测的效应,除非黑洞的视界将它们分离开来。)

    终极显微镜

    在建立完整量子引力理论的各种尝试中,霍金的分析扮演了重要角色。对于量子引力的候选理论(比如弦论)来说[参见胡安•马尔达塞纳所著的《引力幻像》;《科学美国人》2005年第11期],再现和解释这种效应的能力是一个至关重要的检验。然而,尽管大部分物理学家都接受了霍金的观点,却一直苦于无法用试验来证明。理论预言的恒星级和星系级黑洞所发出的辐射,都因太过微弱,而无法看见。观测霍金辐射的唯一希望,就是找到早期宇宙所遗留下来的、或者在粒子加速器中被创造出来的微型黑洞,不过,这也许非常不可能。[参见伯纳德•卡尔和史蒂文•吉丁斯著的《量子黑洞》,《科学美国人》2005年第5期]。

    缺乏实验验证的霍金效应,不得不为一个问题而伤透脑筋:霍金效应存在着一个潜在的瑕疵,就是理论所预言的光子将要经历无限红移。设想一下,把时间颠倒过来,观察辐射效应,会是怎样的呢?随着霍金光子越来越靠近黑洞,它蓝移到一个更高的频率,和相对较短的波长。它沿着时间回溯得越久,就越接近视界,它的波长也变得越短。一旦它的波长变得比黑洞还小得多,这个粒子就会与它的同伴相结合,变成此前讨论过的虚光子对。

    蓝移会毫不减弱地持续下去,波长也缩减到任意短的距离。但到了短于 10-35 ¬米的距离――即所谓的普朗克长度(Planck length),不论是相对论还是经典量子理论,都无法预言粒子会有什么行为。或者,我们需要一种量子引力论才行。因此,黑洞的视界如同一台奇幻的显微镜,使观测者接触到未知的物理。对于理论家来说,这种放大效应令人不安。如果霍金的预言依赖于已知的物理学,那么我们就不应该怀疑它的正确性吗?霍金辐射的性质,甚至它的存在本身,有没有可能依赖于时空的微观性质呢――就好像物质的热容和声速依赖于它的微观结构和动力学一样?要不然就像霍金最初所声称的那样,这种效应只是由黑洞的宏观性质,也就是它的质量和自旋完全决定的呢?

    声与光......

    原子论......

    以太归来......

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多