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黑洞忧喜录
发布时间: 2010-05-25                    访问次数: 585

 

 

        以东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军为首的研究小组成功地制作出圆盘状的人造电磁学黑洞。10月15日,《自然》(英国著名科技期刊《Nature》)杂志预告网站中以“科学家研制出可携带黑洞”为题,介绍了这项成果。一时间,国内外媒体与网络迅速跟进,专家学者各抒己见,惊讶、赞许、质疑、恐惧者不一而足……黑洞之谜黑洞是天体物理学中解释星系产生与湮灭现象的一种理论。
  为了便于理解黑洞,我们先准备两个基本的物理知识:一是万有引力。自然界中任何两个物体都是相互吸引的,引力是支配天体运动的根本力量。地球上的重力,就是由于地面附近的物体受到地球的引力而产生的。引力的大小和两个物体的质量乘积成正比、和它们的距离的平方成反比。注意这里“和距离的平方成反比”就是意味着两个物体的距离缩小一半,之间的引力将增大四倍,如果距离缩小一百倍,引力增大一万倍,依此类推。两个人之间也会产生引力,只是因为这个引力太小而不被人们感觉罢了。天体如太阳和地球的质量都很大,所以引力就很大,能够和地球绕太阳旋转的离心力相平衡;二是原子。原子是组成宇宙物质的基本单元。原子由原子核和核外电子构成,原子核体积很小,是原子直径的十万分之一,但原子的质量几乎全部集中在原子核上。核外电子以近似光的速度绕核运动,类似云雾状。
  万有引力使得一切星体及其运动处于平衡状态,本来大家都相安无事。但是恒星在自身重量的作用下不断地收缩,会发生强力核爆炸(例如太阳)。据分析,当数倍于太阳的恒星内部核燃料被释放之后,恒星会在自身重力压迫下坍塌。随着坍塌过程的进行,原子外层的电子云被压缩,使得原子核之间的距离成十万倍地靠近,于是恒星就陷入了引力越大物质就越往中心集中、物质越往中心集中引力就越大的循环之中,结果连中子本身也会坍塌,最后会成为一个密度无限大的点,这个点就成为黑洞,包括光线在内的一切物质都被吸进去变得无影无踪。黑洞之忧黑洞产生的引力场能够使包括光在内的任何物质和辐射都无法逃逸,所以也被称为一切物质的“死亡陷阱”、带来世界末日的“恶魔”,这一理论不仅引起了科学家们的关注,也引发了许多人的担忧。耗资80亿美元,历时14年之久建设的欧洲核子研究中心(CERN)是目前世界上最强大的大型强子对撞机,近日开始在日内瓦郊外正式运行。强子对撞机用它长达27公里的环形隧道加速粒子,然后使它们相撞,创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时相类似的条件,形成引力场极强的黑洞,在极小的范围内让宇宙大爆炸再次上演,从而尝试揭开黑洞以及宇宙形成之谜。然而一些科学家担心,黑洞形成的物质塌陷,会不会产生连锁反应而导致地球的毁灭。前年3月21日,两位美国人瓦格纳和桑科向檀香山联邦地方法院提出这一诉讼的,寻求法院发出临时限制令,禁止欧洲核子研究中心在提交安全和环境评估报告之前,启动大型强子对撞机。另外一家主要致力于捍卫人道主义使我们不受生存的威胁的组织叫“救生艇基金会”在一份声明中表示,人造黑洞可能会“威胁到地球上所有的生物”,所以该机构建议在其它地方建立“自谋生存的殖民地”。
  不过科学家告诉我们,天体恒星的演变过程都是以多少亿年计算的,即使地球已经到了天体黑洞的边缘,到时候人类还有足够的时间与智慧来应对。科学家的报告还说:
  “大型强子对撞机中一对质子的每次碰撞,释放出的能量仅相当于两只蚊子碰撞的能量。”这种瞬间即逝黑洞现象,没有产生连锁反应的条件,因此无需担忧。
  黑洞之惑多少年来人们总在孜孜以求,试图解开更多的宇宙之谜。例如宇宙的恒星从何而来、又向何处去?黑洞吸进去的能量或物质哪里去了?除了我们平时感知的三维空间和一维时间之外,是否还有更多的维度存在?密度巨大的黑洞经过量的积累是不是还会发生爆炸?英国物理学家霍金曾经预言,黑洞会以一种特殊辐射的形式“蒸发”,但是霍金关于黑洞“蒸发”的理论从未得到证明。因此,黑洞对科学家来说总是充满着诱惑。
  更为现实的是黑洞原理能不能为人类所用。今年年初,美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的伊维根·纳瑞马诺维(EvgeniiNarimanov)和亚历山大·基尔迪谢维(AlexanderKildishev)教授一起发表论文,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,使得在“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。
  科学发现的过程常常被敢想者和敢为者之间最默契的配合所推动。仅仅时隔半年,以东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授为首的研究小组,利用超常介质材料结构能够吸收从任意方向入射过来的微波的特性,做出了被称为“世界上第一个人造黑洞”的实验装置。这种能够装入衣服口袋的装置是直径大约20多厘米的圆盘状物体。该装置以结构复杂的电路板做支撑单元,用这种特殊材料设计出60层同轴环,从内向外电性特征的变化越来越大,外层的40个同心环组成装置的外壳,内部的20个同心环构成吸收器。电磁波照射到该装置后,被引导着进入中心核,不再出来。
  人类首次通过实验装置来直接模拟黑洞的消息一经传开,人们众说纷纭。科技界的焦点是这个人造黑洞和真正的黑洞差异有多大?还有许多的人则担心,这个能够放在口袋里的黑洞会不会把胳膊和腿也吸进去?崔铁军教授介绍说:超常介质材料黑洞并不像引力黑洞那样的贪婪和无情,这种针对电磁波定向设计的人造黑洞并不具备吞噬周围其他物质的能力。目前他们正在致力于能够吸收可见光的人造黑洞。虽然这种装置的要求要高得多,不过一旦成功的话将对太阳能的利用产生重大推动作用。黑洞之梦崔铁军,他从名字上就给人以一种敢拼敢闯、攻关夺隘的硬汉形象。实际上的他为人谦和、举止文雅,颇具学者风度。1995年至1997年,他获得德国洪堡基金会的资助,在德国Karlsruhe大学作为洪堡学者进行合作研究,从事地下目标电磁探测和成像的研究工作。1997年至2001年,他在被称为世界电磁学研究学是高地的美国伊利诺斯大学香槟分校(UIUC)做博士后和研究科学家。2001年,崔铁军放弃了美国绿卡,以教育部长江学者特聘教授的身份加盟东南大学信息学院开展毫米波的研究和教学工作。电子信息学科是东南大学这所百年老校的强势学科,有着国内一流的学术团队和环境设施,且学术氛围浓厚,这让多了一份责任、少了几许束缚的崔铁军如鱼得水,在毫米波领域大展拳脚并迅速取得成果。他联合浙江大学,开发了具有我国自主知识产权的精确电磁仿真软件,同时研制成功我国首个高频电磁散射国家代码,从此打破了美国在这一领域的垄断。今年年初,崔铁军与杜克大学史密斯教授组成的国际合作团队共同研制出了工作于微波段的新型宽频带“隐身衣”,这一研究成果发表在1月16日第323期的《科学》杂志上,其成果在国防建设上的潜在用途引人瞩目。人造电磁学黑洞的问世,不仅让崔铁军研究的新型电磁学材料再次发威,更重要的是伊维根和亚历山大教授的理论构想迈出了实践的第一步,从而再次勾起人们对黑洞的翩翩联想。
  耐人寻味的是,诞生在东南大学的人类第一个黑洞模拟装置,和“东方居里夫人”、核物理学家吴健雄最著名的“宇称不守恒”实验装置仅百米之遥。吴健雄是东南大学校友,1929年至1934年曾经在当时的中央大学数学系和物理系求学,1936年进入美国加利福尼亚大学等学习工作,后当选美国科学院院士,并成为美国物理学会第一任女性会长。1956年,李政道、杨振宁提出在β衰变过程中宇称可能不守恒之后,吴健雄立即领导她的小组进行了一个实验,这个实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。由此,在整个物理学界产生了极为深远的影响。李政道、杨振宁因为最先提出宇称不守恒设想而获得诺贝尔奖。吴健雄逝世后,东南大学在四牌楼校区中央建造吴健雄纪念馆。陈列了包括吴健雄当年进行宇称不守恒试验的一套模拟装置等遗物。如今,纪念馆已成为东南大学师生追求真理、献身科学的精神象征。在浩渺的星空,有一颗小行星叫“吴健雄星”,它犹如吴健雄那双睿智的眼睛,正用她那慈祥、赞许的目光,热切关注着曾经寄托了自己青春与梦想的东大校园,关注着包括科技工作者探索黑洞之谜以及人造黑洞技术在内的喜怒哀乐。
  对于崔铁军来说,传媒关于人造黑洞的大量报道和不同观点,似乎并没有给他的工作带来什么干扰或影响,甚至他都没怎么去关注。他说:集中精力、心无旁骛才能把自己认为最重要的事情做好。他现在的梦想,就是希望通过自己实验室以及国际同行的共同努力,让有着广阔应用前景