黑洞也在輻射

在我們這個講求“眼球經(jīng)濟”的時代，在眾多天體中，黑洞可謂占盡眼球。

我們知道，黑洞是宇宙中這樣一類天體，它附近的引力是如此之強，以至于連運動最快的物體——光，從它身邊經(jīng)過時，也會被它吸進(jìn)去，再也出不來。它周圍那個連光也跑不掉的范圍，就叫黑洞的視界。視界通常是一個球形的界面。

在一般人的想像中，黑洞漆黑一片，就像守財奴的錢袋一樣，物質(zhì)在那里只進(jìn)不出。但在上世紀(jì)70年代，英國物理學(xué)家霍金卻提出一個驚人的假說。他說，物質(zhì)在黑洞中并非只進(jìn)不出，黑洞也會向外輻射，從而緩慢“蒸發(fā)”，直至消失。這種輻射現(xiàn)在叫霍金輻射。

這是怎么一回事呢?這其實是一種量子效應(yīng)。根據(jù)量子力學(xué)，所謂的真空其實并非一無所有，那里有許多正反粒子對此起彼伏地產(chǎn)生又湮滅。因它們存在的時間非常短，所以稱其為虛粒子。其實虛粒子并非只存在于真空中，在我們身邊也時刻存在，只是在真空中，它們不受“實”粒子的干擾，其產(chǎn)生的某些效應(yīng)比較容易觀察而已。

霍金的假說基于這樣一種想法：在黑洞視界附近產(chǎn)生的一對虛光子，如果其中一個被黑洞吸進(jìn)視界，根據(jù)動量守恒，另一個虛光子勢必就要朝相反的方向飛去，也就是說逃離黑洞。這樣從外面看起來，黑洞就是在輻射或者說在蒸發(fā)的狀態(tài)。

霍金輻射已經(jīng)被許多理論證實，但要讓人信服，還必須要有實驗上的證據(jù)。可是黑洞的霍金輻射非常微弱，直接觀察幾乎不可能。于是一些科學(xué)家想到了在實驗中去模擬黑洞或黑洞的視界，以便看看到底有沒有這種輻射。

觀察到了霍金輻射?

要觀察霍金輻射，關(guān)鍵是要制造出一個視界，但真實的視界是由黑洞產(chǎn)生的，在目前的實驗條件下顯然不可先去制造出一個黑洞。所以這就需要科學(xué)家另辟蹊徑。

視界的一個重要特征是里面的光跑不出去。2010年，一個由英國和意大利科學(xué)家組成的研究小組通過這樣一種辦法巧妙地制造了一個移動的“視界”：向一塊玻璃磚上發(fā)射一束遠(yuǎn)紅外激光脈沖，激光的波長是1055納米，脈沖的持續(xù)時間非常短。激光脈沖持續(xù)時間短，意味著其能量在時間上更集中。太陽光照射到地面的平均功率是1000W/平方米，而這束激光脈沖的功率是太陽光的幾萬億倍。它所攜帶的能量是如此密集，以至于當(dāng)它在玻璃磚上傳播時，傳到哪兒，哪兒的玻璃就迅速被加熱變形。加熱變形之后，玻璃材料的光學(xué)特性被改變，折射率陡然上升。我們知道，折射率越大光傳播的速度越慢。于是，激光脈沖在玻璃磚上的移動速度也跟著慢下來。假如這個時候在它后面再發(fā)射一束激光，不管是什么強度什么頻率的，都無法超越前頭的那個激光脈沖。這就好比在一條窄公路上，要是前頭有一輛慢速行駛的大卡車擋路，那么后面的車輛都只好減慢速度，跟在它屁股后面磨蹭一樣。

后面的光子被這束激光脈沖擋著，越不過去，那么這束激光脈沖就起到類似黑洞視界的作用，——只不過這個“視界”不是靜止的，而是在緩慢移動的。

為了看看這個模擬的視界能否發(fā)出霍金輻射，科學(xué)家在玻璃磚一側(cè)放置了光子探測器。果然，探測器探測到少量波長在850～950納米的光子，跟理論計算的霍金輻射產(chǎn)生的光子波長非常一致，所以科學(xué)家認(rèn)為他們首次觀察到了霍金輻射。

不過，他們的結(jié)論沒有被科學(xué)界完全接受。

用霍金輻射制造

“黑洞”激光

時隔2年，這個研究小組又想出一個奇招：如果霍金輻射存在，或許可以用“黑洞”來制造激光。

通常的激光是這樣產(chǎn)生的：在兩塊反射鏡之間放置一塊激光材料，這塊材料與電源相連，為激光的產(chǎn)生提供能量。當(dāng)一個光子被這塊材料吸收后，這個光子就像觸發(fā)了雪崩一樣，讓材料“吐”出更多的光子。這些光子被兩面反射鏡來回不停地反射，每反射一次，就穿過材料一次，每一次都觸發(fā)材料“吐”出更多的光子。這樣積聚到一定程度，我們就可以從裝置中引出一束激光。激光發(fā)生器好比是一個光子放大器，進(jìn)去一個光子，出來卻是一大群光子。

科學(xué)家的設(shè)想是，用兩束現(xiàn)成的激光脈沖取代激光發(fā)生器中的兩面鏡子。這兩束激光脈沖，其中一來像他們在2010年所做的實驗?zāi)菢樱糜谀M的黑洞視界，另一束用于模擬白洞的視界——在那兒，光子只能接近，但進(jìn)不去。整個裝置相當(dāng)于在“黑洞”視界里再設(shè)置一個“白洞”的視界。假如我們在兩者之間注入光子，當(dāng)光子逼近“黑洞”視界邊緣時，不可能逃逸出“黑洞”;而當(dāng)它返回來逼近“白洞”的視界時，又不能進(jìn)入“白洞”，所以它只能在“白洞”和“黑洞”視界之間來回奔跑，就好像兩頭各有一面鏡子。

如果霍金輻射存在，那么從模擬的黑洞和白洞的視界表面源源不斷地發(fā)射出光子，正如上面所說的，而這些光子在兩面“鏡子”之間來回奔跑，越聚越多，于是就形成了激光。一旦我們撤除一面“鏡子”，那么激光就從中發(fā)射出來，——當(dāng)然前提是霍金輻射確實存在。

科學(xué)家預(yù)計，這種“黑洞激光”跟我們普通的激光會有些不一樣。普通的激光單色性很好，而這種激光也許顏色會很雜。這是因為光子在接近“白洞”視界時，波長會縮短，即發(fā)生所謂的“藍(lán)移”，而在接近“黑洞”視界時，波長會拉長，即發(fā)生所謂的“紅移”。這樣我們就不能保證所有的光子波長一致了。

科學(xué)家目前已經(jīng)造好了“白洞”的視界，而且確實觀察到了“藍(lán)移”現(xiàn)象，接下去他們還要造出“黑洞”的視界，這樣他們才能去觀察這種“黑洞”激光到底是否存在。要是存在，那就證實了霍金的假說。

結(jié)論究竟如何，我們只能等待科學(xué)家最后的實驗結(jié)果。

超級鏈接

激光是如何產(chǎn)生的?

物體發(fā)光雖然在生活中是一個常見的現(xiàn)象，但卻涉及物理學(xué)上很深奧的學(xué)問。

我們知道，物質(zhì)是由原子組成的。原子又是由原子核和核外電子構(gòu)成的。這些電子在核外有著不同的軌道。一般來說，它們都先占據(jù)低軌道，因為此時整個原子能量最低，最穩(wěn)定，我們稱其為“基態(tài)”。但倘若用一些辦法，把低軌道的電子“趕”到高軌道去，這時我們就稱原子處于“激發(fā)態(tài)”。當(dāng)然，一個原子的基態(tài)只有一個，而激發(fā)態(tài)卻有很多。原子的激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，一般情況下，電子會自動從高軌道回到低軌道，這個過程中它要“拋棄”一部分能量，這部分能量以光子的形式發(fā)射出來，光子的波長取決于兩個軌道之間的能量差。這就是我們看到的光。

對于像燈泡這樣的發(fā)光物體，通了電之后，其發(fā)光材料——鎢原子的電子會被激發(fā)到不同能量的軌道，比如，這個鎢原子的電子被激發(fā)到了軌道1，另一個鎢原子的電子卻被激發(fā)到了軌道2，當(dāng)這兩個電子回到基態(tài)時，就各自發(fā)出兩種不同波長的光子。這就是燈光顏色很雜的原因。這就好比說，你讓一些高矮不等的人每人舉起一面鑼，然后叫他們?nèi)鍪?。因為每人高度不等，每一面鑼掉地的時間不一樣，所以我們聽到的是一陣雜亂無章、稀稀拉拉的鑼聲。

而對于激光，科學(xué)家可以讓激光材料里的所有原子一致處于同一能量的激發(fā)態(tài)，然后讓它們同時回到基態(tài)。這樣它們發(fā)射的光子能量都是一樣的，而且是同時發(fā)射的。這個道理好比在上述鑼的例子中，如果命令這些人把鑼舉到相同的高度，然后一聲令下，撒手，那么這些鑼落地時就會發(fā)出一致的響聲。