黑洞、白洞与激光

“黑洞”是一种特殊的天体，这个名字以及它所代表的意象早已超出了天文学的范畴，象征一种吞噬周围一切物质的神秘而又强大的物体。人们对于黑洞最初的理解是源于广义相对论对于时空的描述，尽管爱因斯坦本人并不相信，但是根据广义相对论可以推断出，宇宙中的中小型黑洞大多是由燃烧尽的死亡恒星由于自身引力造成坍塌形成的。黑洞因其巨大的密度而极度扭曲它周围的时空，使得一切接近它的物质，当越过某一个“界限”之后，便会一直被其吸引而坠入其中——就连光线也不可能逃出黑洞的引力，这个“界限”，被称为黑洞的“视界”。

天文学家们认为，在宇宙中存在着大量的黑洞，并且在银河系的中心就存在一个超大型黑洞，吸引整个星系围绕它运转。虽然不可能直接观测到黑洞，但是天文学家们通过“引力透镜现象”等大量间接证据证明了黑洞的存在。顾名思义，黑洞不会发射或是反射光线，但是黑洞是否完全是黑暗的？霍金通过量子力学的理论计算，在1974年提出了一个著名的假说：黑洞也会向外发送辐射，因此它并不是完全黑暗的。

根据量子力学的测不准原理，时空中并不存在完全的“真空”，在虚空中会不停地出现粒子与反粒子对，而这个“虚粒子对”又会在瞬间发生湮灭，同时消失，这就是“量子涨落”现象，这种现象可能会使真空中产生出某种摩擦力。霍金认为，如果量子涨落现象发生在黑洞的视界附近，一对虚粒子在还没来得及发生湮灭时，其中一个在黑洞视界内的粒子就被吸引入黑洞，而另一个粒子因为没有瞬间发生湮灭而成为了一个“实粒子”。这种现象从外界的角度看，就像是黑洞在向外辐射粒子，这种假想中的现象就是著名的“霍金辐射”，也被称为“黑洞蒸发”，因为在理论上，随着黑洞辐射，黑洞将会极其缓慢地蒸发消失。

虽然提出了将近40年，但“霍金辐射”仍然只是一个未经证实的理论而已，原因在于，就算“霍金辐射”确实存在，辐射的强度也只是微乎其微，甚至会远远低于宇宙背景辐射的强度，人类根本不可能在地球上探测得到。另一方面，人类现在也没有能力真正旅行到一个黑洞的视界附近进行探测（即使可以进行这种探测也太危险）。但是“霍金辐射”的想法启发了科学家们，很多人意识到，如果真的存在“霍金辐射”现象，那么出现这种辐射的原因并不在于黑洞本身，而是在于黑洞自身巨大的引力造成了它周围时空扭曲，形成的视界。视界的存在分割了时空，使时空中存在一处“不可返回”的界限，造成“霍金辐射”。因此，科学家们虽然没法直接研究黑洞，却可以通过各种方式模拟时空的扭曲，并且制造出视界，这样就有可能在实验室中验证“霍金辐射”假说。

早在1981年，加拿大英属哥伦比亚大学的科学家威廉·安鲁（William Unruh）就在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表论文《黑洞蒸发实验？》（Experimental Black-Hole Evaporation？），最先提出了利用实验室环境模拟黑洞辐射的设想。安鲁认为，可以利用流动的介质（比如水流）或是特殊形态的物质（比如玻色·爱因斯坦凝聚态）来模拟引力场，并且通过声波传播来模拟光的传播，这样就可以在实验室中验证霍金假设——水的流速相当于引力场的强度，那么，当水的流速超过声波的传播速度时，它就相当于形成了一个视界，声波不可能越过这个视界传播到这个模拟黑洞之外。

( 科学家丹尼尔·法乔 )

科学家们意识到，利用这种方式，不仅可以通过实验室模拟黑洞的特性，同时也可以模拟一种更加奇特的天体——白洞。与黑洞相似的地方是，在理论上，广义相对论同样也预言了白洞的存在，但是从名字就可以看出，白洞具有和黑洞完全相反的各种性质——理论上白洞不停地向外辐射各种物质，同时，由于其巨大的质量，在白洞的周围也形成一个“视界”，而外界的任何物质都不可能越过这个视界而接近白洞。与黑洞不同的是，人们早就清楚了黑洞产生的各种机制，而科学家们至今也无法理解宇宙中如何会产生出白洞这种奇特的天体。虽然也有天文学家怀疑在宇宙中具有超大能量的“类星体”就是某种白洞，但大多数科学家还是认为，白洞极为罕见，或者宇宙中根本就不存在真正的白洞。

黑洞与白洞的特殊之处在于，它们都拥有分割时空的视界，使得外界物质“无法逃出”或是“无法进入”。受到启发的科学家们希望在实验室里可以通过制造一个视界来模拟黑洞和白洞，从而验证“霍金辐射”是否是一种在视界附近发生的自然现象。

2000年11月，一组来自奥地利、西班牙和美国的科学家在《物理评论快报》杂志上发表论文，论述在玻色·爱因斯坦凝聚态中通过声波来模拟黑洞引力。2008年3月，英国圣安德鲁斯大学的科学家乌尔夫·莱昂纳特（Ulf Leonhardt）在《科学》杂志上发表论文《视界的光纤模拟》（Fiber-Optical Analog of the Event Horizon），论述通过光纤来模拟黑洞。2010年，来自英国赫瑞瓦特大学的科学家丹尼尔·法乔（Daniele Faccio）与他的同事们把一个激光脉冲射入玻璃，高强度的激光脉冲在玻璃中运行时可以暂时改变玻璃的性质，使玻璃的反射指数增大，因而光线在其中运行的速度会变慢。这样一来，如果在激光脉冲之后沿着原来的轨迹再射入光线，即使后射入光线的初始速度比激光脉冲快，但因为玻璃的传输性质被改变，后射入光线的速度也只能相应减慢，直到离开玻璃，后射入的光线始终无法越过先射入的激光脉冲。在这个实验过程中，先射入玻璃的激光相当于在玻璃中短暂制造了一个移动的视界，使得后射入的所有光线都无法“逃离”（直到离开玻璃）——这就相当于在玻璃中制造了一个黑洞。

在这个模拟黑洞的实验中，法乔和他的同事们通过仪器探测到，在模拟黑洞的视界边缘，出现了“多余的”光子，这些光子的能量集中在有限的几个范围内，符合“霍金辐射”理论的预测。法乔认为，这个实验证实了“霍金辐射”理论，而观测到的“多余的”光子正是在模拟黑洞的视界边缘出现“霍金辐射”的证据。

有些科学家则认为，这个实验还不足以证明“霍金辐射”理论的正确性。2012年10月，法乔和他的同事们在《经典与量子引力》（Classical and Quantum Gravity）杂志上发表论文《光学黑洞激光》（Optical Black Hole Lasers），论述了一个新颖的实验构想：利用实验模拟黑洞与白洞来制造激光。如果这个实验成功，它将更加有力地证明“霍金辐射”理论。

激光是一种颜色极纯（具有单一的频率）、强度极高的光，想要制造激光，首先需要光线在两面相对的镜子之间不停反射，穿过其间的一种“增益介质”；增益介质的原子被反射光线的光子所激发，放射出与原光子频率相同的光子，这样逐渐累加，就可以形成频率相同、方向相同、强度极高的激光。法乔认为，实验可以通过激光脉冲来模拟视界，那么如果在极短的时间内发射出两个极强的激光脉冲通过某种介质（比如人造钻石），就相当于制造了两个移动的视界，也就等于是在一个黑洞内部制造出一个白洞。在黑洞中出现一个白洞，这在天文学中当然是毫无意义，但是在实验室环境下，在这两个视界中射入的光线，无法逃离黑洞的视界，同时又无法进入白洞的视界，因此只能在黑洞与白洞之间不停地来回碰撞。如果“霍金辐射”理论是正确的，在黑洞与白洞视界的边缘将会出现大量的光子，这些光子受到在黑洞与白洞之间碰撞的光线激发，将汇集在一起，就可能形成一种奇异的频率大幅摆动的“黑洞激光”。

如果法乔与他的同事们的黑洞激光实验能够成功，毫无疑问将具有重大的理论和实际意义。但他们的论文还没有正式发表就吸引了人们极大的关注，更主要原因是物理学家的想象力把黑洞、白洞与激光这些概念联系起来，使不同领域的概念、理论与现实相互交织在一起，这才是科学最令人激动的地方。

（本文参考了《New Scientist》杂志的文章《Black-hole Laser Edges Closer to Testing Hawking》）（文 / 苗千） 黑洞霍金预言激光白洞科学科普天文霍金辐射