人造黑洞

人造黑洞

人造黑洞(Artificial black holes)是由兩名中國科學家首次製造出可以吸收周圍光線的人造電磁“黑洞”,這個黑洞目前在微波頻率下工作,或許不久後它就能夠吸收可見光,一種把太陽能轉化為電能的全新方法可能因此產生,它有著“黑洞”之名,雖然尺寸“迷你”,但任何經過的電磁波或光,都不可能逃離它的引力,世界上第一個“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。

概述

人造黑洞人造黑洞

“人造黑洞”的構想最早提出於20世紀80年代,由加拿大不列顛哥倫比亞大學威廉·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聲速,那么就可以在該流體中建立一個人造黑洞。2009年10月,兩名中國科學家首次製造出可以吸收周圍光線的人造電磁“黑洞”。這個黑洞目前在微波頻率下工作,或許不久後它就能夠吸收可見光,一種把太陽能轉化為電能的全新方法可能因此產生。當2007年世界最強大的粒子加速器誕生時,科學家通常一秒鐘就可以生產出一個黑洞來,這一潛在的黑洞加工廠一時引起全球恐慌,媒體紛紛報導人造黑洞會吞噬地球。致力於保衛人類免受人們周圍各種威脅傷害的非贏利性機構——救生艇基金會聲明,人造黑洞會威脅地球上的所有生命,因此,它建設到處建立自謀生活的群體。美國加州大學物理學教授史蒂夫·吉汀斯是這方面的專家,他對人造黑洞進行了認真分析,他認為人造黑洞毀滅地球的理論純粹是小說和電影裡的虛構,真正的粒子碰撞製造出的人造黑洞不可能吞噬地球。

黑洞工廠

20世紀60年代單階段加速器20世紀60年代單階段的粒子加速器

粒子加速器,也被稱之為大型強子對撞機(LHC)。位於法國和瑞士交界處的世界上最大的粒子物理研究中心歐洲核子研究中心(CERN)已經開始在一個將近17英里長的圓形隧道裡面建造這個被人們稱之為世界最大的“黑洞工廠”的裝置。2008年6月,吉汀斯教授在報告中稱,歐洲的科學家很快就會利用粒子加速器製造出人造黑洞。

2008年7月,歐洲核子研究中心的蒙加諾教授與吉汀斯教授的科研小組進行合作正在建設建設世界上最大的粒子加速器(對撞機),而這個粒子加速器(大型強子對撞機)是世界上最先進的粒子研究工具,項目耗資80億美元,歷時14年之久,匯集了世界各地最著名的物理學家。科學家們將在實驗中撞擊質子,模擬宇宙大爆炸後一萬億分之一秒內的能量和條件,接著細緻分析撞擊產生的殘骸,用以探求物質本質的線索和自然中新的力量和平衡。

爭議話題

科學家表示,假如大型強子對撞機(LHC)在生產出了黑洞,那么它就證明了宇宙確實存在除空間和時間以外的維度。吉汀斯承認,地球的未來以及人類的生命安全和健康都令每位科學家非常擔憂。特別是關於人造黑洞風險的爭論,現在已經是一個非常具有爭議的物理話題。特別是已經有科學家指出,歐洲核子研究中心的大型強子對撞機產生黑洞的風險足以吞噬地球,或者將產生一類名為“奇異微子”(Strangelet)的粒子,將地球變成一團沉寂、收縮的“奇異物質”。

還有很多政治家擔心這種人造黑洞的技術被恐怖分子利用,成為繼核子彈和氫彈之後人類最具有毀滅性的武器。但是,吉汀斯肯定的說:現代物理學無法在地球上製造出具有破壞性的黑洞。

宇宙大爆炸-內部結構模型圖宇宙大爆炸-內部結構模型圖

“歐洲建立大型強子對撞機(簡稱LHC),是為了揭開宇宙大爆炸之謎,而不是製造黑洞毀滅地球。”

研究結論

人造黑洞人造黑洞

吉汀斯和蒙加諾兩位教授在進行深入研究後得出結論:利用粒子碰撞產生的黑洞是無害的。因為,所有的黑洞都要釋放出宇宙射線,小的黑洞所釋放的物質要遠遠多於其吸收的物質,因此,在它們吸收物質之前自己就早已瞬間蒸發了。事實上整個宇宙原本就是一個類似的粒子對撞機器,具有高能量的宇宙射線和粒子會經常碰撞在地球的大氣表層、太陽或者是其它的白矮星和中子星的表面,每時每刻都在發生著這樣的粒子碰撞。如果這些粒子碰撞會產生危險的話,天文學家很早就會發現這一現象並對其展開研究。
其實一直以來地球就沐浴在足夠可以形成黑洞的宇宙射線和粒子對撞之下,但地球一直也都沒有被摧毀。而且,幾乎所有粒子加速器生成的黑洞都必須達到足夠的速度才能逃脫地球的重力,即使一年生產出1000萬個黑洞,也大約只能捕捉到其中的10個,讓它們圍繞加速器中心運轉。而這些被捕捉到的黑洞又是如此的渺小,假設讓它穿過一塊相當於地球到月球距離厚度的鐵塊,它也不會撞倒任何東西。它們吞噬一個質子也需要大約100小時的時間。一個這樣的黑洞吞噬100個質子大約需要花費一年的時間,因此,要吞噬1毫克地球物質就需要花費比宇宙年齡還要長的時間。

中子星-內部結構模型圖中子星-內部結構模型圖 白矮星-內部結構模型圖白矮星-內部結構模型圖

國內黑洞研究

設計方案

中國科學家建造人工黑洞,可將太陽能轉換為熱能中國科學家建造人工黑洞,可將太陽能轉換為熱能

2009年年初,印度烏爾都大學的伊維根·納瑞馬諾維和亞歷山大·基爾迪謝維在媒體雜誌上發表一項研究,提出如何建造可以吸收光線的桌面黑洞的理論。這種人造黑洞可模擬宇宙黑洞,其強烈的重力可彎曲周圍的時空,導致周圍任何物質或輻射遵循扭曲的時空,並螺鏇向內被吸收。

納瑞馬諾維和基爾迪謝維認為,這種人造黑洞可使光線向該設備中心彎曲吸收。他們設計的人造黑洞是由包含著同軸環殼的中心柱構成的圓柱結構。能使光線彎曲向內的關鍵因素在於同軸環殼的介電常數,它可以影響電磁波的電成分,增大從外部至內部表面的光滑程度,這類似於接近黑洞的時空的彎曲度。當同軸環殼與中心柱相接觸,同軸環的介電常數必須匹配中心柱,因此光線可以被吸收,而不是被反射。

付諸實踐

2009年10月,中國南京市東南大學的科學家崔鐵軍和陳強將納瑞馬諾維和基爾迪謝維的理論套用為實踐,建造了一個微波頻率的“人造黑洞”。該設備採用一種“超級材料”構造成60個同軸環,據悉,超級材料曾被用於製造隱身斗篷。每個同軸環是以不同結構的電路板形式形成,同軸環之間彼此相連線,因此其介電常數非常平滑。外部的40個同軸環構成外殼,內部的20個同軸環構成吸收體。當入射的電磁波打擊該設備時,電磁波將被誘導進入內部的同軸環,然後被吸收。在同軸環將把吸收的光線轉變成為熱量。”

不過目前東南大學實驗室里的“黑洞”,還只是適用於某些微波頻率,比如人們常用的通信頻率,如GSM、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。

未來套用

這個人造黑洞以相同的方法捕獲光波並不容易,可見光波長比微波輻射的數量級要小許多。這就要求同軸環相應地需要建造得更小一些。中國科學家崔鐵軍表示期望這個光學黑洞能夠在2009年底被廣泛使用。像這樣的人造黑洞可用於收集太陽能量,尤其是對於太陽反射鏡過於漫射,難以在太陽能電池上聚集的太陽光線。光學人造黑洞則能夠完全將這些光線吸收,並直接轉化吸收在同軸環上的太陽能電池。如果這種設備能夠有效地工作,那么以後將不再需要採用拋物線反射鏡收集太陽光線。

人造塑膠黑洞

光在穿越光子層時會發生彎曲,與經過黑洞的情形一樣光在穿越光子層時會發生彎曲,與經過黑洞的情形一樣

2013年10月媒體報導,中國南京大學的劉輝(HuiLiu)和同事創造了一個人造黑洞。在自然環境裡,黑洞會通過自身強大的引力吞噬和圍困光,因此在實驗室環境下再造這個過程不僅非常困難,還無比危險。相反,劉的研究小組利用了塑膠片,通過不同的折射率來模擬引力效應。折射率決定了物質能多大程度的彎曲光線。

劉的研究小組還添加了量子點來融化丙烯酸玻璃,前者是一種具有半導體特性的小片材料,它在被照亮時會發螢光。然後將這種混合物傾倒到鏇轉的石英薄片上,並緩慢的將其攤開。研究小組將一個微觀可見的聚苯乙烯球放在中央作為錨,混合物材料距離聚苯乙烯球越近就越厚,距離越遠就越稀薄。“這就產生了與黑洞周圍的空間曲率相同的有效折射率,”劉這樣說道。事實上,用於建模黑洞的愛因斯坦場方程式也可能用於描述丙烯酸里光的行為。

在人造黑洞裡,這種引力會隨著雷射逐漸靠近聚苯乙烯球而逐漸增大,最終達到一個臨界點,也即180度完全扭曲光。之前科學家也曾創造人造黑洞以模擬黑洞的視界,試圖檢測名為霍金輻射的神秘過程——但這是首個再造光子層的人造天體。

德國人造黑洞試驗

2010年,德國馬克斯普朗克核物理研究所和赫爾姆霍茨柏林中心的研究人員使用柏林同步加速器(BESSYⅡ)在實驗室成功產生了黑洞周邊的電漿。通過該研究,之前只能在太空由人造衛星執行的天文物理實驗,也可以在地面進行,諸多天文物理學難題有望得到解決。
黑洞的重力很大,會吸附一切物質。進入黑洞後,任何東西都不可能從黑洞的邊界之內逃逸出來。隨著被吸入的物體的溫度不斷升高,會產生核與電子分離的高溫電漿。
黑洞吸附物質會產生X射線,X射線反過來又會刺激其中的大量化學元素髮射出具有獨特線條(顏色)的X射線。分析這些線條可以幫助科學家了解更多有關黑洞附近電漿的密度、速度和組成成分等信息。
在這個過程中,起了非常關鍵的作用。儘管鐵在宇宙中的儲量並不如更輕的氫和氦豐富,但是,它能夠更好地吸收和重新發射出X射線,發射出的光子因此也比其他更輕的原子發射出的光子具有更高的能量、更短的波長(使得其具有不同的顏色)。
鐵發射出的X射線在穿過黑洞周圍的介質時也會被吸收。在這個所謂的光離化過程中,鐵原子通常會經歷幾次電離,其包含的26個電子中有超過一半會被去除,最終產生帶電離子,帶電離子聚集成為電漿。而現在,研究人員在實驗室中重現了這個過程。
實驗的核心是馬克斯普朗克核物理研究所設計的電子束離子阱。在這個離子阱中,鐵原子經由一束強烈的電子束加熱,從而被離子化14次。實驗過程如下:一團鐵離子(僅僅幾厘米長並且像頭髮絲一樣薄)在磁場和電場的作用下被懸停在一個超高真空內,同步加速器發射出的X射線的光子能量被一台精確性超高的“單色儀”挑選出來,作為一束很薄但卻集中的光束施加到鐵離子上。
實驗室測量到的光譜線與錢德拉X射線天文台和牛頓X射線多鏡望遠鏡所觀測的結果相匹配。也就是說,研究人員在地面實驗室人為製造出了太空中的黑洞電漿。
這種新奇的方法將帶電離子的離子阱和同步加速器輻射源結合在一起,讓人們可以更好地了解黑洞周圍的電漿或者活躍的星系核。研究人員希望,將EBIT分光檢查鏡和更清晰的第三代(2009年開始在德國漢堡運行的同步輻射源PETRAⅢ)、第四代(X射線自由電子雷射XFEL)X射線源結合,將能夠給該研究領域帶來更多新鮮活力。

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