如何接近黑洞

黑洞研究所简介

恰好，黑洞倡议(BHI)是在卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)解出爱因斯坦广义相对论方程100年后成立的，这个方程在第一个天文学证据证明黑洞存在的几十年前就描述了黑洞。作为一种奇异的时空结构，黑洞持续吸引着天文学家、物理学家、数学家、哲学家和普通大众，对其神秘的本质进行了一个世纪的研究。

BHI的使命是跨学科，为此，我们赞助了许多创造环境的事件，以支持不同学科研究人员之间的互动。哲学家与数学家，物理学家和天文学家讲话，理论家与观察员和一系列预定的活动发言，并为人们经常聚集的地点创造了场地。

举个例子，对于我们关心的一个问题，考虑一下黑洞中心的奇点，它标志着爱因斯坦引力理论的崩溃。在量子力学的背景下奇点是什么样的?最有可能的情况是，它会出现在一个极小的体积内，是一个巨大质量(天体物理黑洞的质量比几个太阳质量还要大)的极端集中。吸干落入天体物理黑洞的所有物质的蓄水池的大小是未知的，这也是BHI学者工作中尚未解决的问题之一。

我们很高兴为您呈现一组论文，这些论文是由我们的高级教师从BHI首届论文比赛的众多申请中精心挑选出来的。获奖论文将在这里发表鹦鹉螺在接下来的五个星期里，从第五名开始，一直到第一名。我们希望你们会像我们一样喜欢它们。

个罗卜(Avi)
Frank B. Baird, Jr.哈佛大学科学教授
哈佛大学天文学系主任
黑洞倡议(BHI)创始董事

B黑洞是宇宙中最极端的物体。漆黑一片，质量是太阳的10亿倍，强度足以支撑整个星系，这样的极端天体需要同样极端的方法来研究它们。事实上，科学家们竭尽全力从这些看不见的动物身上获取任何信号:发射到太空的望远镜，用来探测黑洞发射但不能穿过大气层的x射线;放置在地中海海底的几公里宽的中微子探测器，捕捉来自黑洞诞生的基本粒子;耗资6亿多美元建造了激光干涉仪引力波天文台，该天文台首次提供了直接观察黑洞活动的机会。

但是，如果黑洞可以用一种更温和的方式来研究，而不需要大量的望远镜或数百万美元的设备呢?如果不是在野外追逐它们，科学家们可以在实验室里建造它们，然后近距离详细地研究它们的行为，那会怎么样?

这就是模拟黑洞的世界。在这里，科学家们利用玻璃、水和气体云等不起眼的材料，在实验室和桌面上重现了令人难以置信的黑洞物理学的各个方面。这是一种将黑洞带回地球的方法，为传统的星系观测方法提供了一个重要的补充，甚至可能导致新的、重要的材料工程，其中包含了黑洞的一些独特特性。

模拟黑洞背后的逻辑很简单，它始于这样一个事实:我们对真实的黑洞是如何工作的有一些信念。例如，我们知道控制事件视界的方程式——在这个地方，引力变得如此强大，以至于任何通过它的物质，包括光，都无法返回。我们也知道其他物理系统也遵循同样的方程，但它们更容易操纵和测量。因此，如果我们想测试光穿过视界时发生了什么——但又不想在光年外的黑洞中观测它——我们可以在地球上建立一个遵循同样规则的流体系统。这个系统将会有自己版本的黑洞部分，包括一个穿过黑洞的波无法返回的点。在这个系统中所做的观测可以被映射回黑洞中相应的观测。在这种情况下，方程的作用就像剧本，黑洞扮演一组演员，模拟系统扮演另一组演员。

探测如此微弱但重要的信号的困难正是使用模型的动机。

通过类似物来研究黑洞的灵感来自于一条尖叫的鱼。1972年，物理学家威廉·安鲁(William Unruh)提出了一条鱼从速度不合理的瀑布上掉下来的故事，以此来描述黑洞。他解释说，如果瀑布以比音速还快的速度移动，那么在某一时刻，一条从瀑布上掉下来的鱼的尖叫在瀑布外就听不到了。这是因为尖叫声向上移动的速度不会比水向下推它们的速度快，就像光在穿过视界后无法摆脱黑洞的压倒性引力一样。虽然这个荒谬的故事一开始只是一个图解，但盎鲁最终将其充实成一个恰当的数学论证，在1981年的一篇论文中展示了这些“音速”或“聋子”黑洞如何在数学上映射到真实的物体上。模拟黑洞场就这样诞生了。

利用这些类似物可以探测黑洞的哪些特性呢?霍金辐射——一种假设的黑洞可以蒸发的方式——一直是研究的主要焦点，因为它的存在既不确定，但如果是真的，又会产生巨大的后果。1974年，斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)结合了很大程度上互不相容的广义相对论和量子力学理论的观点，证明了黑洞实际上可能会发射粒子，随着时间的推移，这些粒子会导致它们缩小甚至消失。因此，观测来自黑洞的霍金辐射的痕迹，将对把这两种对立的物理学基本理论结合在一起大有帮助。但在“实地”测量这种效应有一个关键问题:霍金辐射非常微弱，任何迹象都会被弥漫在宇宙中的宇宙背景辐射完全抹去。

探测如此微弱但重要的信号的困难正是大多数科学学科使用模型的动机。例如，在生物学中，由于生活方式差异等其他因素的影响，很难在数据中识别基因的功能。因此，生物学家转向高度控制的实验室环境，在那里，基因改造是已知的，它们的影响可以精确测量。同样的控制和精确的机会也可以驱使天体物理学家离开望远镜进入实验室。

这次迁移到实验室也许是有回报的。2016年，经过多年的工作，实验物理学家Jeff Steinhauer公布了盎鲁瀑布的微型版本结果。施泰因豪尔在一个小瓶里装满了一团非常冷的铷原子云。这些原子进入了一种特殊的物质状态，在这种状态下，声速被极大地减慢，使得超音速在这个系统中很容易产生。施泰因豪尔观察到，在这个系统视界的两侧，一对“声子”被纠缠在一起。这类似于黑洞中被认为构成霍金辐射基础的光子对。因此，根据某种定义，施泰因豪尔的实验是首次观察到霍金辐射的量子效应。

物理学家必须谨慎地将这些培育出来的黑洞的发现与它们天然的表亲联系起来。

模拟黑洞所使用的材料多种多样，探索的奥秘也多种多样。例如，为了探测光通过由极端引力产生的弯曲时空时会发生什么，圣安德鲁大学(University of St. Andrew)的物理学家创造了响应式光纤，以复制预期的光减速。这一系统也为霍金辐射的迹象提供了另一个猎场。

不同类型的黑洞有不同的属性。例如，那些旋转的粒子，被预测会对靠近它们的波的能量产生积极的影响。这一效应现在已经在诺丁汉大学的一个简单浴缸中被观察到，在浴缸中，水波接近排水管(但逃离了排水管)时，其振幅得到了增强。

另一种实验室制造黑洞的方法是将重点放在合成材料的工程上，以尽可能多地吸收光线。这些“超材料”可以回答光在极端环境下如何表现的基本问题。不仅如此，这些物质的存在可能会影响黑洞科学以外的领域。这种能弯曲光线的设备可能有助于制造“隐形斗篷”或极其高效的太阳能电池，表明即使是最奇异的科学努力也能影响日常生活。

模拟系统是一种非常宝贵的方法，它可以帮助我们了解一种通常远远超出我们能力范围的现象。但作为类比，它们也有局限性，我们必须小心不要把它们延伸得太远。就像医学科学家不能假设对动物有效的治疗方法对人类也有效一样，物理学家必须谨慎地将这些培养出来的黑洞的发现与它们天生的表亲联系起来。事实上，在音速黑洞中观察到霍金辐射效应是否与真实黑洞中发生的情况有关，这是科学家和哲学家们都没有定论的问题。尽管每个模型都有自己独特的特点和注意事项，但它们在数学上的相似性给人们带来了希望，即这些模型为研究普遍真理提供了一种途径。根据科学哲学家Radin Dardashti的说法，研究多种模拟系统实际上可能是一件好事，因为在多个不同的模拟系统中发现霍金辐射的证据，应该会加强相信它发生在黑洞中的理由。

星载x射线望远镜和水下粒子探测器是工程学上的壮举，它们为研究宇宙中的重大问题提供了无与伦比的见解，它们在黑洞研究中的作用是毋庸置疑的。但对于科学工具箱来说，多样性是关键。模拟系统，通过提供一种在实验室培育黑洞的方法，为探索、测试和观察天空中最神秘的实体之一提供了一个全新的环境。

格蕾丝·林赛是一位神经科学家和科学作家。她目前正在写一本关于数学如何帮助我们理解大脑的书。

这篇文章在黑洞研究所的作文比赛中获得了第一名。

更多的阅读

用超材料制造黑洞。
Technologyreview.com(2009)。

人造黑洞创造了自己版本的霍金辐射。自然新闻(2016)．

Dardashti, R.， Thébault, K.P.Y， & Winsberg, E.通过模拟模拟确认:哑巴洞可以告诉我们关于重力的什么。英国科学哲学杂志68，55-89（2015）。

物理学家利用光纤制造人造黑洞。Spectrum.ieee.org(2008)。

斯蒂芬·霍金的最大成就是如何将对立的物理世界联系起来的。TheVerge.com(2018)。

物理研究所。黑洞——我们宇宙的重要组成部分。Iop.com(2012)。

诺丁汉大学。科学家用黑洞制造波浪。Research.nottingham.ac.uk(2017)。

索尼克黑洞对真实交易的看法。
Wired.com(2016)。

主要图片拼贴:Vadim Sadovski / Shutterstock