黑洞也在輻射

　　在我們這個講求“眼球經濟”的時代，在衆多天體中，黑洞可謂佔盡眼球。

　　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，以至於連運動最快的物體——光，從它身邊經過時，也會被它吸進去，再也出不來。它周圍那個連光也跑不掉的範圍，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，物質在那裏只進不出。但在上世紀70年代，英國物理學家霍金卻提出一個驚人的假說。他說，物質在黑洞中並非只進不出，黑洞也會向外輻射，從而緩慢“蒸發”，直至消失。這種輻射現在叫霍金輻射。

　　這是怎麼一回事呢?這其實是一種量子效應。根據量子力學，所謂的真空其實並非一無所有，那裏有許多正反粒子對此起彼伏地產生又湮滅。因它們存在的時間非常短，所以稱其爲虛粒子。其實虛粒子並非只存在於真空中，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，其產生的某些效應比較容易觀察而已。

　　霍金的假說基於這樣一種想法：在黑洞視界附近產生的一對虛光子，如果其中一個被黑洞吸進視界，根據動量守恆，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的狀態。

　　霍金輻射已經被許多理論證實，但要讓人信服，還必須要有實驗上的證據。可是黑洞的霍金輻射非常微弱，直接觀察幾乎不可能。於是一些科學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，關鍵是要製造出一個視界，但真實的視界是由黑洞產生的，在目前的實驗條件下顯然不可先去製造出一個黑洞。所以這就需要科學家另闢蹊徑。

　　視界的一個重要特徵是裏面的光跑不出去。2010年，一個由英國和意大利科學家組成的研究小組通過這樣一種辦法巧妙地製造了一個移動的“視界”：向一塊玻璃磚上發射一束遠紅外激光脈衝，激光的波長是1055納米，脈衝的持續時間非常短。激光脈衝持續時間短，意味着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，而這束激光脈衝的功率是太陽光的幾萬億倍。它所攜帶的能量是如此密集，以至於當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。加熱變形之後，玻璃材料的光學特性被改變，折射率陡然上升。我們知道，折射率越大光傳播的速度越慢。於是，激光脈衝在玻璃磚上的移動速度也跟着慢下來。假如這個時候在它後面再發射一束激光，不管是什麼強度什麼頻率的，都無法超越前頭的那個激光脈衝。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，那麼後面的車輛都只好減慢速度，跟在它屁股後面磨蹭一樣。

　　後面的光子被這束激光脈衝擋着，越不過去，那麼這束激光脈衝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。

　　爲了看看這個模擬的視界能否發出霍金輻射，科學家在玻璃磚一側放置了光子探測器。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生的光子波長非常一致，所以科學家認爲他們首次觀察到了霍金輻射。

　　不過，他們的結論沒有被科學界完全接受。

　　用霍金輻射製造

　　“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”來製造激光。

　　通常的激光是這樣產生的：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，爲激光的產生提供能量。當一個光子被這塊材料吸收後，這個光子就像觸發了雪崩一樣，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。激光發生器好比是一個光子放大器，進去一個光子，出來卻是一大羣光子。

　　科學家的設想是，用兩束現成的激光脈衝取代激光發生器中的兩面鏡子。這兩束激光脈衝，其中一來像他們在2010年所做的實驗那樣，用於模擬的黑洞視界，另一束用於模擬白洞的視界——在那兒，光子只能接近，但進不去。整個裝置相當於在“黑洞”視界裏再設置一個“白洞”的視界。假如我們在兩者之間注入光子，當光子逼近“黑洞”視界邊緣時，不可能逃逸出“黑洞”;而當它返回來逼近“白洞”的視界時，又不能進入“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，那麼從模擬的黑洞和白洞的視界表面源源不斷地發射出光子，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，於是就形成了激光。一旦我們撤除一面“鏡子”，那麼激光就從中發射出來，——當然前提是霍金輻射確實存在。

　　科學家預計，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。這是因爲光子在接近“白洞”視界時，波長會縮短，即發生所謂的“藍移”，而在接近“黑洞”視界時，波長會拉長，即發生所謂的“紅移”。這樣我們就不能保證所有的光子波長一致了。

　　科學家目前已經造好了“白洞”的視界，而且確實觀察到了“藍移”現象，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。

　　結論究竟如何，我們只能等待科學家最後的實驗結果。

　　超級鏈接

　　激光是如何產生的?

　　物體發光雖然在生活中是一個常見的現象，但卻涉及物理學上很深奧的學問。

　　我們知道，物質是由原子組成的。原子又是由原子核和核外電子構成的。這些電子在覈外有着不同的軌道。一般來說，它們都先佔據低軌道，因爲此時整個原子能量最低，最穩定，我們稱其爲“基態”。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於“激發態”。當然，一個原子的基態只有一個，而激發態卻有很多。原子的激發態不穩定，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射出來，光子的波長取決於兩個軌道之間的能量差。這就是我們看到的光。

　　對於像燈泡這樣的發光物體，通了電之後，其發光材料——鎢原子的電子會被激發到不同能量的軌道，比如，這個鎢原子的電子被激發到了軌道1，另一個鎢原子的電子卻被激發到了軌道2，當這兩個電子回到基態時，就各自發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，然後叫他們撒手。因爲每人高度不等，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。

　　而對於激光，科學家可以讓激光材料裏的所有原子一致處於同一能量的激發態，然後讓它們同時回到基態。這樣它們發射的光子能量都是一樣的，而且是同時發射的。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，然後一聲令下，撒手，那麼這些鑼落地時就會發出一致的響聲。