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听,黑洞把光波拉长了

时间:2022-12-14 21:10:02 公文范文 来源:网友投稿

思考无限红移所衍生的结果。根据量子理论中的“海森堡不确定性”原理,就算完美的真空也不是空无一物,而是充满了量子涨落。量子涨落以虚光子对的形式出现。它们被称为虚光子,是因为在远离一切引力影响的非弯曲时空中,它们会不停地出现又消失,若是没有外力扰动,就无法观测得到。

可是在黑洞附近的弯曲时空中,虚光子对的其中一颗可能会陷进“事件视界”之内,而另一颗却留在“事件视界”之外。这对光子就会由虚转实,形成一股可观察到的向外光通量,而此时黑洞的质量也会相应下降。黑洞辐射整体的形态是热辐射,就和灼热木炭发出来的类似,其温度和黑洞的质量成反比。这种现象就是所谓的霍金效应。除非黑洞吞噬新物质或新能量来弥补损失,否则霍金辐射会把它所有的质量泄漏个精光。

有个重点在用流体模拟黑洞时非常重要,那就是非常靠近黑洞“事件视界”的空间会保持近乎完美的量子真空。事实上,这在霍金的论证中是最根本的条件。虚光子是最低能量子态(亦即基态)的一项特征,只有在和同伴分离并爬出“事件视界”的过程中,虚光子才会变成实光子。

研究黑洞信息悖论的物理学家分为两个阵营。一些支持霍金,认为“空”的空间并不空,它是在风暴中随着粒子与其反粒子的不断出现与消失,迅速重组对,信息真正消失时黑洞消失,如果违背了量子定律,则需要发现新的定律。而加州理工大学帕萨迪纳分校的量子物理学家则不认同。

终极显微镜

在建构完整量子引力理论的各种尝试中,霍金的分析扮演了重要的角色。想成为量子引力的候选理论(例如弦论),就必须先证明它能否重现与阐明这项效应。不过,虽然大多数物理学家都接受霍金的论证,但它的实验或观测确认却迟迟无法达成。科学家原以为可以观测到星体或是星系黑洞所发出的辐射,后来发现其可能太过微弱,至今未能观测到。观测霍金辐射的希望,只剩下找到早期宇宙残存或是在加速器里制造出小型黑洞,但这些也许都不可能了。

缺乏验证的霍金效应有一个恼人的阴影,特别让人心烦。这个理论中有个潜在的瑕疵,就是光子有无限大的红移。想一想,要是把时间倒转来看,发射光子的过程会变成什么样子呢?随着霍金光子越来越靠近黑洞,它会蓝移到一个较高的频率与相对较短的波长。它的时间回溯得越早,就越靠近“事件视界”,而波长也就变得越短。一旦波长变得比黑洞辐射还短得多的时候,这个粒子就和它的伙伴结合起来,变成了之前讨论过的虚光子对。蓝移会持续到任意短的距离。可是到了比10-35厘米还小时,不管是相对论还是标准的量子理论,都没办法预测粒子会有什么行为了。这时候你需要量子引力理论才行。因此,黑洞的“事件视界”就像是一个神奇的显微镜,可带领观察者去接触未知的物理。可是,对理论物理学家而言,这种放大功能却让人忧虑。假如霍金的预测建立在未知的物理学上,我们难道不该怀疑它的效力吗?就像物质的热容量和声速会和它的微观结构与动力学有关一样,霍金辐射的性质以及存在与否,会不会和时空的微观性质有关?还是说,情况就和霍金原始的论证一样,这个效应完全是由黑洞的宏观性质(它的质量和自转角动量)决定的呢?

响声与亮光

为了回答这些令人坐立难安的问题,英属哥伦比亚大学的威廉·昂鲁开启了一项新的研究。1981年,他证明了声波在流体中的传播和光在弯曲空间中的传播有极为接近的模式。他提出,在评估微观物理对霍金辐射起源的影响时,这种模式也许很有用。而且,它说不定可让模拟霍金现象的实验观测成真。

声波就和光波一样,以频率、波长和传播速度为特征。我们对声波的观念,只适用于波长比流体分子间距大得多的时候;在更小的尺度下,声波就不存在了。而正是这个限制,让这项模拟这么有趣,因为它可以让物理学家研究微观结构对宏观现象的影响。然而,真要让这项模拟派上用场,它必须要能延伸到量子的层次。通常,分子的随机热运动会让声波的行为和光量子有区别。不过当温度接近绝对零度的时候,声波就表现得和量子一样了。物理学家称之为“声子”,以强调它对“光子”(光的粒子)的模拟。实验物理学家早就对声子在晶体以及低温下仍保持流体状态的物质(如液态氦)中的行为进行例行观测了。

声子在静止与均匀流动的流体中的行为,就和光子在没有引力的平坦空间中一样。这类声子以固定波长、频率与速度沿直线传播。在游泳池或是平顺流动的河流中,声音就是从音源以直线形式传递到我们耳朵的。

然而,在流动不均匀的流体中,声子的速度会改变,而且它们的波长也会被拉长,正如弯曲空间中的光子一般。在流入峡谷的河流中,或是在旋进排水孔的涡流中,声波会变形扭曲,并且沿弯曲的路径行进,就像是星体附近的光一样。事实上,这类情况可以用广义相对论的数学几何工具来描述。

流体对声音的作用方式,甚至可以像黑洞对光的作用方式一样。创造这种声学黑洞的方法之一,是利用一种被流体力学家称为“拉瓦尔喷管”的装置,让流体在最狭窄处达到并且超过声速,而不会产生冲击波(一种流体性质上的突然变化)。其等效的声学几何与黑洞的时空几何非常类似。超音速的区域与黑洞的内部相对应:传播方向与流动方向相反的声波,只能被冲往下游,就像被黑洞中心拉住的光一样。次音速的区域则对应于黑洞之外的时空:声波能够往上游传播,代价是波长被拉长,就像光会被红移一样。在这两个区域的交界处,行为和黑洞的“事件视界”是一模一样的。

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