從黑洞到“微波黑洞”

從黑洞到”微波黑洞”“黑洞”的大名幾乎家喻戶曉，盡管最初它被認為是僅僅存在于理論中的怪胎，但現(xiàn)在幾乎人人都能準(zhǔn)確的說出它的主要特點：黑洞引力場很強，能把身邊所有的東西都吸進去，就算是光也逃不出來。對于科幻作家而言，黑洞是影視文藝中吸引眼球的優(yōu)質(zhì)題材。對于物理學(xué)家而言，黑洞是理論研究中溫故知新的理想模型。對于天文學(xué)家而言，黑洞是天文觀測中充滿爭議的激動發(fā)現(xiàn)。而這一切，似乎看起來離現(xiàn)實生活都無比遙遠……2022年10月，東南大學(xué)的兩位科學(xué)家崔鐵軍和程強，制造了人類歷史上第一個“微波黑洞”。就像黑洞的行為一樣，它能夠?qū)⒔^大部分入射的微波吸入其中。從此，“黑洞”的概念不再只是遙不可及的狂想和理論，隨著研發(fā)的進步一深入，“黑洞”正一步步的走近我們的身邊——只不過，它和傳統(tǒng)意義上的黑洞略有不同，它是一個不產(chǎn)生超強引力場的人造“光學(xué)黑洞”。黑洞——無法逃離的深淵黑洞給人的印象是一個非常冷酷的家伙。宇宙中的黑洞一般是由瀕臨死亡的大恒星坍縮而形成，體型巨大，食量驚人。如果這個恒星生前有一顆伴星圍繞在周圍，那么黑洞不管三七二十一，會將它的伴侶一點點的吞噬。從伴星的表面流失的高溫氣體，形成幾股綿延千萬公里的螺旋線，在逐漸落入黑洞之前劇烈摩擦，產(chǎn)生了大量的X射線，像是落入深淵前的絕望呼喊。盡管黑洞外面的世界多姿多彩，然而任何被黑洞吞噬的物體，對黑洞的意義僅僅在于改變了它的質(zhì)量，角動量或電荷的數(shù)值。因此黑洞沒有任何“個人色彩”，如果要給宇宙中的黑洞們上戶口的話，那么除了出生日期和家庭住址之外，只需要留出填寫那三個數(shù)字的位置就足夠了。圖1黑洞想象圖從黑洞的概念被提出以來，科學(xué)家一直沒有停止對黑洞在現(xiàn)實中是否存在的探索。鑒于黑洞深藏不露，尋找這個冷酷的家伙只能采用間接的辦法。例如，距地球8000光年左右的天鵝座X-1雙星系統(tǒng)發(fā)射出大量的X射線，因此科學(xué)家推斷這個雙星系統(tǒng)中較為致密的那顆是一個黑洞。而對銀河系中心附近的28顆恒星的運動軌跡的研究也顯示，那里存在著一個中心質(zhì)量為太陽四百萬倍的大型黑洞。這樣的狀況容易讓人擔(dān)心，既然黑洞這么厲害，那么它會不會有一天把太陽和地球全都吞噬掉呢？好在太陽系距離銀河系中心非常遙遠，而且又隨著銀河系眾成員一起圍繞中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力可以抵消黑洞的引力，使我們暫時不需要杞人憂天。圖2黑洞模擬圖地球外面的黑洞可以暫時不考慮，地球上的“黑洞”卻惹出了大麻煩。2022年，位于瑞士日內(nèi)瓦近郊的大型強子對撞機（TheLargeHadronCollider，縮寫為LHC）啟動前夕，許多人擔(dān)憂LHC運行中產(chǎn)生的巨大能量可能會制造出一個微型的黑洞來：對于地球來講，這個黑洞也許比銀河系中心的黑洞更具有威脅。在驚恐之中有些人選擇了自殺，而有些人試圖通過訴訟來阻止LHC的運行。對此，LHC的科學(xué)家解釋說，這樣的擔(dān)心同樣沒有必要。首先從理論上講，LHC的能量標(biāo)度遠遠低于量子引力的最低標(biāo)度，就像廚房里的爐火不能使水中的氫原子發(fā)生核聚變一樣，LHC也不能產(chǎn)生黑洞。其次，進入大氣層的宇宙射線有很多與LHC中粒子的能量相當(dāng)，如果真的能制造出黑洞，地球早就消失了。再退一步講，即使LHC真的造出了微型黑洞，根據(jù)量子理論，這個黑洞會在高溫中瞬間蒸發(fā)，什么都來不及吞噬就已經(jīng)無影無蹤了?！叭嗽旌诙础薄匙V單一的模仿者雖然廣義相對論中的黑洞不會出現(xiàn)在地球上，但科學(xué)家卻提出了另一種“人造黑洞”的可能：用非引力理論來模擬黑洞的性質(zhì)。例如，據(jù)報道，在2022年早些時候，以色列的一組物理學(xué)家制造了一個能夠?qū)⒏浇娜魏巍奥曌印倍纪倘肟谥械摹奥晫W(xué)黑洞”（莊桑關(guān)于聲學(xué)黑洞的文章請看）——我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中聽到的聲音，其實是一種在空氣中傳播著的機械振動，在凝聚態(tài)物理學(xué)中，按照一定空間對稱性排列的原子都會不斷地參與傳播這樣的振動，人們形象的把這樣的原子集體舞蹈看做一種“準(zhǔn)粒子”，稱作“聲子”——所謂“聲學(xué)黑洞”，是銣原子冷卻在極低的溫度下形成一種“量子流體”，而此時便有“聲子”在這“量子流體”之上被激發(fā)出來。在某一個區(qū)域內(nèi)，“量子流體”的流動速度超過“聲子”傳播的速度，“聲子”一旦進入這個區(qū)域，便再也無法傳播出去。于是，在這個區(qū)域之外的人看來，從這個區(qū)域之中不能傳出任何聲音，因此“聲學(xué)黑洞”又可以被稱為“啞洞”。盡管“聲學(xué)黑洞”能夠?qū)⒛懜谊J入的“聲子”悉數(shù)拿下，但它和真正的黑洞有著本質(zhì)上的不同。“聲學(xué)黑洞”不產(chǎn)生強大的引力場，除了“聲子”之外，對其他粒子沒什么興趣，也就是說食譜很單一。對于以光速運動著的光，“聲學(xué)黑洞”更加無能為力，因此它長的并不“黑”。要想更加逼真的模擬廣義相對論中的黑洞，還得從宇宙中最快的信使——光入手。我們知道光是一種特定波長范圍內(nèi)的電磁波。就像某些傳播著的機械振動可以被稱作“聲子”一樣，光就是在電磁場中以光速傳播著的電磁振動。光可以在不同的介質(zhì)中傳播，但由于在不同介質(zhì)對電磁場變化的敏感度不同，導(dǎo)致在光在其中的傳播的速度差異，例如，水中的光速大約是真空中光速的3/4，而鉆石中的光速只有真空的41%左右。這進一步導(dǎo)致了生活中最常見的折射現(xiàn)象：就好像汽車當(dāng)中齊頭并進的兩個前輪，如果其中一個輪子駛?cè)肷车赝蝗槐粶p速，而另一個輪子保持速度不變，那么汽車就會情不自禁的轉(zhuǎn)向沙地的方向；同樣，一組齊頭并進的光波的波陣面，在以一定角度從一種介質(zhì)（例如空氣）向另一種介質(zhì)（例如水）中傳播時，也會由于光速突然變化（降低）而改變傳播的方向。超材料、隱身斗篷和“光學(xué)黑洞”同樣在2022年年初，來自美國印第安納州西拉斐特市普渡大學(xué)的兩位物理學(xué)家納瑞馬諾夫（Narimanov）和基爾迪謝維（Kildishev）撰文提出，如果能為光波量身定做一種介質(zhì)，使得光波一旦進入之后，就會像光波在黑洞附近那樣不斷地轉(zhuǎn)向，最終無法逃脫，那么我們就可能實現(xiàn)第一個真正“黑”的“光學(xué)黑洞”。從理論上來講，要實現(xiàn)這樣的過程并不困難。設(shè)想能夠制造出這樣一種帶核的同心圓結(jié)構(gòu)的柱狀光學(xué)介質(zhì)，使得在核外的部分，介電常數(shù)的大小并不是處處相等，而是像引力一樣隨著半徑的增加而平方反比的衰減。那么在水平方向上，從任何方向射入的光波，都會隨著介電常數(shù)的變化而乖乖的折射。每前進一段距離就發(fā)生一次折射，光波就像沿著黑洞附近的那組螺旋線一樣，最終到達核心區(qū)域，被核心部分的材料吸收，再也無法逃脫出來。于是，廣義相對論中的黑洞的性質(zhì)就可以利用電磁學(xué)的原理初步實現(xiàn)，而實現(xiàn)這一步跨越的關(guān)鍵，在于尋找擁有滿足平方反比定律的介電常數(shù)的特殊材料。圖3具有負折射率的超材料——左手材料在自然界中，人類無法按照自己的意愿獲得所有的材料，而往往需要利用科技手段對材料進行加工。例如，近幾年流行的“納米材料”就是在石墨等自然材料基礎(chǔ)上，通過特殊條件下進行的加工，使原子與原子之間結(jié)合形成自然界中沒有的特殊結(jié)構(gòu)，從而在熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等方面獲得原材料沒有的特性。納米材料成為科學(xué)家的掌上明珠的同時，另一群科學(xué)家卻反其道而行之，他們并沒有將材料的加工深入到納米級別，而是將原材料制作成為比原子尺度大的多的眾多單元，通過使單元與單元之間排列形成的特殊結(jié)構(gòu)，來得到在介電常數(shù)，磁導(dǎo)率，折射率等方面原材料并沒有的特性，被稱作超材料（metamaterial），或超穎材料。超材料同以往的人造材料相比，其特殊之處在于，它的新特性更多的來自于宏觀的結(jié)構(gòu)，而不是微觀單元的內(nèi)在屬性。這就好像一臺由晶體管等電子器件組成的計算機，雖然任何一個晶體管在合適的條件下只會機械的放大輸入端的電流，但整臺計算機卻擁有了它的每一單元都無法實現(xiàn)的強大計算能力。因此，雖然自然界中并不存在擁有負的介電常數(shù)，負的磁導(dǎo)率，負的折射率等奇異性質(zhì)的材料，但科學(xué)家通過對超材料的研發(fā)，已經(jīng)一步一步的把它們都實現(xiàn)了出來。例如，2022年到2022年之間關(guān)于“隱身斗篷”的一系列突破（Fujia關(guān)于隱身衣的文章請看和），就是利用了一種特殊的超材料。這種超材料使得在一個二維平面中傳播的電磁波遇到障礙物時不被反射，而是繞過去繼續(xù)傳播。由于障礙物沒有反射電磁波，看上去似乎不存在，于是起到了像電影《哈利波特》中的“隱身”效果。圖4隱身衣原理示意圖圖5Duke大學(xué)研制的隱身衣圖6我們期待三維的隱身衣“微波黑洞”——“光學(xué)黑洞”的第一步有了超材料的幫助，制造“光學(xué)黑洞”的理論和技術(shù)的條件就完全成熟了。2022年10月，東南大學(xué)的兩位科學(xué)家崔鐵軍和程強，利用曾被用來實現(xiàn)“隱身斗篷”的超材料制造了人類歷史上第一個“光學(xué)黑洞”—“微波黑洞”。微波是一種波長在幾毫米到幾分米之間的電磁波。經(jīng)過數(shù)值模擬計算和實驗分析，這個“微波黑洞”能夠?qū)⒔^大部分入射的微波吸入其中，微波的頻率越高，被吸入的比例就越大。這個裝置對低頻率的微波“網(wǎng)開一面”的原因是，“光學(xué)黑洞”原理中的物理學(xué)計算采取了一些必要的近似，而這些近似要求電磁波具有很高的頻率。太陽輻射的能量主要集中在可見光和紅外線波段，這些輻射的頻率都比微波高的多。因此從某種意義上來說，“微波黑洞”的實現(xiàn)，為更高效的開發(fā)和利用太陽能提出了新的思路。圖7微波黑洞的前身同理論上實現(xiàn)“光學(xué)黑洞”的構(gòu)想一樣，“微波黑洞”的結(jié)構(gòu)主要分為兩部分，一個是由40層“工”型結(jié)構(gòu)（I-shapedstructure）所組成的同心圓外殼，半徑為108到36毫米；一個是由20層ELC（electric-field-coupled）共振器所組成的同心圓內(nèi)核，半徑從36毫米起依次遞減?！拔⒉ê诙础鄙舷鹿踩龑樱偢叨葍H毫米，裝在一塊毫米厚刻有60圈凹槽的聚苯乙烯泡沫底座上。“工”型結(jié)構(gòu)的外殼是一種超材料，它每一個單元的形狀像漢字的“工”字。當(dāng)其幾何尺寸從毫米到毫米逐漸增加時，“工”型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的介電常數(shù)也隨之增大了十幾倍。因此，為了讓外殼的介電常數(shù)滿足平方反比定律，每一層“工”型結(jié)構(gòu)的尺寸，也必須隨著半徑的不同而進行精確的調(diào)整。同時“微波黑洞”的層數(shù)也非常有講究。由于“工”型結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)是逐層變化的，因此每一層不能太厚，要求大約在微波波長的十分之一左右。這樣的同心圓外殼介電常數(shù)的平方反比變化才顯得平滑，微波才會乖乖的鉆入“微波黑洞”之內(nèi)。而對于波長在萬分之一毫米量級的可見光來說，這樣的變化遠遠不夠精細。這個用于囚禁微波的牢籠，在個頭矮小的可見光看來過于龐大，因此我們用普通相機拍到的“微波黑洞”并不是漆黑的一團。如果要制造用以吸收可見光和紅外線的“光學(xué)黑洞”，就必須將器件的尺寸控制在萬分之一毫米以下。這個尺寸略高于“納米材料”的量級，同目前計算機中央處理器上的電子元件尺寸較為接近。因此，盡管“光學(xué)黑洞”給超材料的制備上提出了一些技術(shù)難題，但在實驗室中實現(xiàn)也并非不可能。一種能將入射電磁波能量全部轉(zhuǎn)化為熱能的超材料，同文章中提到的ELC共振器的形狀略有不同。太陽能利用的新思路“工”型結(jié)構(gòu)的外殼將微波折射入內(nèi)核后，最終由20層ELC共振裝置吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能。如果相同思路的“光學(xué)黑洞”能夠研制成功的話，有可能為太陽能產(chǎn)業(yè)帶來新的思路。首先，市場上太陽能電池的平均效率只有10%-15%左右，也就是說照射在電池上的太陽光的能量只有十分之一左右能夠被轉(zhuǎn)化為電能，而其它大部分能量都變成了無用的熱能。解決這個問題可以通過技術(shù)革新提高發(fā)電效率；同時也可以利用“光學(xué)黑洞”，讓更多的陽光射向太陽能電池，增加它同太陽光的有效接觸面積。其次，太陽能電池由于長期暴露在戶外，經(jīng)常面臨各種嚴(yán)酷的環(huán)境，容易脫落、被腐蝕、被氧化造成電池失效。因此其平均使用壽命并不長。生產(chǎn)廠家給出的估計是20年左右，據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)計，實際使用壽命的數(shù)字可能更加保守。如果能夠?qū)F(xiàn)在圓盤式的“黑洞”加以改進，研制出能夠適應(yīng)多種光照條件和氣候條件的“光學(xué)黑洞”外殼，就可以把太陽能電池的發(fā)電部分從室外搬到室內(nèi)，從而大大提高其使用壽命，增加其經(jīng)濟價值。同時，發(fā)電裝置的集中，意味著產(chǎn)生的無用熱能也更加集中，人類將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時，也可以更有效地利用剩余的熱能。以上僅僅是我們對于“光學(xué)黑洞”應(yīng)用的一個初步設(shè)想。要想把設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，從技術(shù)上還有很長的一段路要走。例如，設(shè)想中的“光學(xué)黑洞”要求其單元在納米的量級上形成一定結(jié)構(gòu)，從而影響可見光或紅外線的傳播路徑，目前最直接的實現(xiàn)方法是利用光學(xué)薄膜技術(shù)。首先從原理上講，絕大多數(shù)光學(xué)薄膜的折射率在1~3之間，很難找到擁有像“工”型結(jié)構(gòu)那樣，折射率能夠在很大范圍內(nèi)連續(xù)變化的光學(xué)材料。其次，目前的鍍膜工藝存在一定誤差，并不能像“微波黑洞”那樣精確地控制每一層的厚度，這就會大大增加研制“光學(xué)黑洞”的難度。還有一個關(guān)鍵的問題在于，目前的“微波黑洞”只限定在一個二維的平面之中，想要將它應(yīng)用到三維的情況，必須要先從理論上論證其實現(xiàn)的可能性。即使經(jīng)過了理論的論證，三維的“光學(xué)黑洞”也將面