人造黑洞”将为我们带来什么
近年来，科学界对黑洞的探索不断深入，也出现了人造黑洞。那人造黑洞会为我们带来什么呢?下面我们就来看看吧!
人造黑洞”将为我们带来什么
能弯曲光线的“塑料黑洞”、可吸收电磁波的“电磁黑洞”、可吞噬声波的“声学黑洞”等“人造黑洞”应运而生。“黑洞”由原来的天文学概念，逐渐延伸到其他科技领域。围绕这些“人造黑洞”展开的研究，将为我们揭开宇宙奥秘、解决现实难题带来巨大的价值。
近日，南京大学刘辉教授和同事创造了一个“塑料黑洞”。这个“人造黑洞”对于研究真实黑洞附近的广义相对论效应大有益处。实际上，“人造黑洞”研究是近年来十分热门的主题，“人造电磁黑洞”、“人造声学黑洞”等科研成果引起了广泛关注。那么各种类型的“人造黑洞”都是如何被创造出来的?它们与自然界黑洞有哪些不同?研究它们能为我们的生活带来哪些变化?记者就此采访了专家。
黑洞并非全是天体人造黑洞种类真不少
辽宁日报：黑洞是宇宙空间内存在的一种超高质量天体，如何能够被人为制造?
刘国强：黑洞分很多种，根据不同的分类方法，黑洞可以被划分为超巨质量黑洞、微型黑洞、史瓦西黑洞等等。而我们这里说的“人造黑洞”并不完全是一个天文学概念。
另一方面，从某种意义上讲，任何质量的物质只要能将它压缩到一个足够小的空间内，它就会成为一个黑洞，就连声波也是如此。而随着大型强子对撞机的发明，科学界相信，可以利用新式粒子加速器按照设计要求制造出一定质量的黑洞。
辽宁日报：您能为我们介绍一下最近被报道的“人造塑料黑洞”是如何被制造出来的吗?
刘国强：南京大学刘辉的研究小组利用塑料片，通过不同的折射率来模拟引力效应。折射率决定了物质能多大程度的弯曲光线。该研究小组添加了量子点 (一种具有半导体特性的小片材料，它在被照亮时会发荧光)来融化丙烯酸玻璃。然后把这种混合物倾倒于旋转的石英薄片上，并缓慢地将其摊开。再将一个微观可见的聚苯乙烯球放在中央作为锚，混合物材料距离聚苯乙烯球越近就越厚，距离越远就越稀薄。这样“塑料黑洞”就产生了与自然界黑洞周围的空间曲率相同的有效折射率，它能像真实黑洞一样围困光。
辽宁日报：之前，我国科学家还制造出了“人造电磁黑洞”，您能为我们介绍一下它吗?
刘国强：提出“人造电磁黑洞”理论假说的，是美国普渡大学两位科学家。他们设想出一个令光在理论层面上能在人工装置中扭曲并进入中心的设计。
将理论付诸实践的，是东南大学毫米波国家重点实验室的两位科学家崔铁军和程强。他们以结构复杂的电路板做支撑单元，用超材料设计出60层同轴环，从一个同心环到另一个同心圆，电路板特征的变化越来越大，外层的40个同心环组成装置外壳，内部的20个同心环构成吸收器，首次实现了微波频率中的电磁场黑洞实验。入射角度不同的微波都能被这个 “人造黑洞”装置吸收掉。
不过，目前他们只在微波层面验证了美国普渡大学科学家提出的 “光学黑洞”理论假说。
辽宁日报：据说，还有一种“人造声学黑洞”?
刘国强：是的。加拿大教授威廉-昂鲁曾提出“人造声学黑洞”的设想，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么就可以在该流体中建立一个“人造黑洞”。 “人造声学黑洞”具体方式是“哄骗”一种材料以超音速在介质中移动，在介质中穿行的声波无法跟上这种材料的速度，就像鱼儿在快速流动的河流中游动一样。声音最终被类似河流的事件视界捕获。
2009年，以色列物理学家杰夫-斯特恩豪尔将大约10万个带电铷原子冷却到只比绝对零度高出不到十亿分之十的温度，同时借助磁场捕获这些原子。在一束激光的帮助下，研究人员随后创建一个电势阱以吸引铷原子同时促使它们在这种材料中以超音速“Z”字形穿过电势阱。这一过程产生了一个持续8毫秒左右的超音速流，进而快速形成第一个能够捕获声音的声学黑洞。
有无危险取决于质量大小人造黑洞并无危险可言
辽宁日报：“塑料黑洞”、“电磁黑洞”、“声学黑洞”等“人造黑洞”，与自然界的黑洞有什么不同之处?
刘国强：自然界的黑洞多数是大质量恒星死亡时超新星爆发的产物，它是一个有一定范围的引力场，因它强大的引力能“吞噬”靠近它的一切物体，就连光都无法从中逃脱。
“塑料黑洞”也能像自然界的黑洞一样围困光，无论是人造的还是自然的黑洞，科学家都能够实时观察它的结构。与自然界的黑洞不同的是，它并不危险——它能帮助揭秘自然最怪异的天体之一，甚至可能对获得能量的设备，例如太阳能电池，具有启示意义。
“电磁黑洞”是基于新型人工电磁材料构造的，在微波频段，对电磁波的吸收率可达到99%以上。这一研究构建了吸收电磁波的全新方法，同时又可以控制电磁波的吸收辐射。与自然界的黑洞不同的是，这种模拟装置可以吸收微波频段的电磁波，在未来，它还可以吸收光。但是除此之外，它并不能吸收任何实质的东西。
“声学黑洞”能够将闯入它所在区域的声音“吞噬”掉，但它和自然界的黑洞有着本质的不同，因为它不产生强大的引力场，除了声音之外，对其他粒子不会产生什么影响，对于光，它更是无能为力。
辽宁日报：各种“人造黑洞”，在什么样的前提下是危险的?
刘国强：我们刚才提到的这几种“人造黑洞”，要么是模拟自然界光被黑洞围困的状况，要么是吸收微波频段的电磁波，要么是“吞噬”它所在区域的声音，其产生的影响及作用的范围是极其有限的。
实际上黑洞质量的大小才决定着它们能量的强弱，进而决定危险与否。这几种“人造黑洞”的质量，与自然界的超巨质量黑洞等大质量黑洞，是无法相比的，而围绕它们的研究侧重点也不在质量上。而且有科学家认为，即便将来人们利用粒子碰撞产生的 “人造黑洞”，也被认为是微型黑洞，它们的质量太小，它的能量会很快消失。所有的黑洞都要释放出宇宙射线，微型黑洞所释放的物质远远多于其吸收的物质，因此在它们吸收物质之前早已瞬间蒸发了。
人造黑洞研究价值不小可揭宇宙奥秘、解能源危机
辽宁日报：“塑料黑洞”和“电磁黑洞”这类与吸收光有关的“人造黑洞”，将可以被应用到哪些领域?
刘国强：“塑料黑洞”可以用于研究真实黑洞附近的广义相对论效应。围困光的能力将具有很多实际应用。它可以用于太阳能电池，光子探测器、微型激光器和其他收获能量的设备。比如用于收集太阳能量，尤其是收集对于太阳反射镜过于漫射，难以在太阳能电池上聚集的太阳光线。光学人造黑洞则能够完全将这些光线吸收，并直接转化吸收在同轴环上的太阳能电池。
“人造电磁黑洞”的创造者东南大学程强认为，“人造电磁黑洞”也可以用于收集太阳能。一些物理爱好者认为它可以被装置在航天器中的太阳帆上，或者用来吸收空气中游散的电磁波。
辽宁日报：我们最终想通过研究各种“人造黑洞”得到什么?
刘国强：“人造黑洞”能帮助科学家全面、准确地理解宇宙，在太阳能电池、光子探测器、微型激光器和其他收获能量的设备、隐身设备等领域具有很高的应用价值。因此我觉得围绕各种“人造黑洞”展开的研究，主要有两方面意义。
首先，是科学研究的意义。
现代物理学一直存在两个解释宇宙现象的体系：量子力学理论和广义相对论。科学家们认识到要想全面、准确地理解宇宙必须找出量子力学和广义相对论在宇宙中的共同作用点。要解决这一问题就必须将大量物质压缩成一个极小的体积。然而，宇宙为基础物理学提供了一个自然实验室——黑洞。如果我们要想观察黑洞和黑洞辐射现象，就必须在实验室里制造黑洞。“人造黑洞”可能会向我们提供进入量子世界的一个窗口。它可能帮助我们建立能综合观察微观量子世界的模糊理论，它还可能为我们揭开引力如此微弱的原因。此外，唯有黑洞才能回答宇宙是否漂浮在一个只有引力才能穿透的多维空间中。
其次，则是实际应用的意义。由于黑洞蕴涵着巨大能量，收集这些能量为我们所用，正好可以解决人类的能源危机。我国科学家指出，未来的“人造黑洞”很有可能为太阳能产业带来新的发展机遇，可以利用未来的“人造黑洞”吸纳和存储太阳能来解决这个问题。英国科学家认为，由于“人造黑洞”对电磁波的高效吸收性，可望在“隐身”等方面获得重要应用。
拓展
黑洞的英文名称叫black hole，是引力场很强的一种天体，就连光也不能逃脱出来。当恒星的半径小到一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。
《科学》杂志近日宣布，世界上第一个“人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。不过，这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界，还能帮助人们更好地吸收太阳能，在未来可以用于发电。
不具危险性 不吸收能量
制造出“人造黑洞”的是中国东南大学的一个研究组，崔铁军教授和程强教授是其中最主要的两位研究者。“实际上，我们做的黑洞不是严格意义上的黑洞。”在接受采访时，程强教授对记者说。
实验室里的“人工黑洞”，目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。据程强介绍，现在存在于东南大学毫米波国家实验室的“人造黑洞”，实际上是一个模拟装置，这种模拟装置目前可以吸收微波频段的电磁波，在未来，它还可以吸收光。但是除此之外，它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波，不吸收能量。”程强说。
这是一个不具有危险性的“黑洞”，不仅如此，这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面，“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。
现在，崔铁军和程强正在继续研究把实验室里的装置变成样机，“实现工程化”。
和真正的黑洞有大差别
“我觉得很惊奇，崔和程这么快就做出了‘人造黑洞’!”看到这个研究成果后，纳瑞马诺维说。伊维根·纳瑞马诺维(EvgeniiNarimanov) 是美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的一名教授。今年年初，他和合作者亚历山大·基尔迪谢维(Alexander Kildishev) 一起，发表论文，提出了一种制造小型“黑洞”的理论和设计方案。他们的想法是通过模拟黑洞的一些性质，使在“人造黑洞”附近出现的放射性物质被吸引，然后螺旋式地进入“黑洞”中心。
“我们的确是受到他的论文的启发，但研究本身是我们独立完成的。”程强说，他们也一直从事着这方面的研究，积累了很多年的经验，实验过程中也用到了很多他们自己的独创性想法。
不过虽然名为“黑洞”，但和真正存在于宇宙中的黑洞还是有大差别的，这种差别并不仅仅体现在质量的大小上。两种“黑洞”的原理其实并不一样。宇宙间的黑洞之所以能吞噬一切，是因为它质量巨大，而实验室里的“黑洞”，实际上是根据光波在被吸进宇宙黑洞时的性质，模拟出来的仪器，可以令光波接近时产生相似的扭曲，并被吸引。
超强吸波 未来可用于发电
这样的“人造黑洞”，在未来可以用于发电。“当电磁波遇到这台仪器，就会立刻被捕获，并且立刻被引入到仪器里，一直被吸进黑洞中心。没有电磁波可以逃离这个黑洞。”崔铁军向《科学美国人》杂志描述“人造黑洞”时说。在他们的仪器中，被吸入的电磁波在中心位置转化为热能。
根据《科学》杂志介绍，“人工黑洞”是一个直径22厘米的装置。它有60个同轴环，外层由40个同心环组成。通过特别设计，研究组令同心环的从外到内的介电常数发生连续变化，而不同的介电常数，则能让电磁波的方向发生相应改变。
程强把这台仪器描述成“一个超强吸波装置”。只要它所在的地方有电磁存在，那些电磁波或光波就会源源不断地被它收入囊中，不受任何其他外界条件的限制。
用于获取能源，这样一个超强吸波装置仿佛正在打开一座看不见却内容丰厚的“宝藏”，用它来吸收太阳能，不仅可以在任何天气里正常工作，甚至将之放入黑暗的宇宙里，它也能收集到同样多的电磁波或光波，并将之转化为热能。
