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《新京报·新知周刊》

 
 
 

日志

 
 

中国科学家制“人造黑洞”引发争议  

2009-11-16 13:48:22|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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普度大学教授提出理论假设,东南大学专家完成初步实验
中国科学家制成“人造黑洞”
 

《新京报 》新知周刊
最近,东南大学两位科学家的一篇题为“超材料制成电磁黑洞”的论文引起了科学界的注意。《新科学家》报道此事时称“地球上第一个吸收光的黑洞制成”。10月15日,《自然》杂志也以“科学家研制出可携带黑洞”为名介绍了这份研究。这篇即将发表的论文描述,中国科学家实现了此前普度大学教授对于捕捉一切光线的“桌面黑洞”的构想,首次通过超材料实现了能够吸收一切微波的装置,依照其接下来的发展,一旦其可以吸收所有太阳光,将可以有效改进太阳能技术。这篇论文在太阳能技术、天体物理和超材料研究领域引起了很多不同的反应,并引发争议。 
 
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(中国科学家制造的“人造黑洞”装置。方框中的图形是他们用到两种超材料的结构。)
 
1 “黑洞”讨论

大名叫“电磁波吸收器”

 
这篇论文由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所写,公开在暂时存储即将发表的科学论文的网站arXiv上。

 

“怎么可能是黑洞?如果真能造出人造黑洞,早就拿诺贝尔奖了!”一位中国物理学家在听说该研究时说。而另一些看过论文的科学人士表示,论文中所有出现“黑洞”字样的地方,都没有加引号,这不免有误导之嫌。

 

在这篇论文中说,传统上,黑洞是有着巨大引力场的空间,按照广义相对论,其会吸收包括光在内的一切。而本文作者所做的是利用超材料在电磁场中模拟出了一个“黑洞”。

 

针对本报记者对“黑洞”一词使用方法的质疑,该论文第一作者程强解释说:“这个装置确实不是真正意义上的引力黑洞,但它对电磁波的调控能起到相似的效果,我觉得可以把它理解成一种很强的吸引电磁波的装置。”不过,他同时表示,可以把这一装置看成某种意义上的“黑体”。所有的物体都会吸收和辐射电磁波(可见的电磁波即为光)。辐射出去的电磁波在各个波段会具有不同的谱,这种现象称为热辐射。为了研究这一规律,物理学家们定义了一种理想的绝对物体———黑体,以此作为热辐射研究的标准物体。

 

黑体可以吸收所有照射到它上面的电磁波,在黑体面前,光没法反射或传播。宇宙中不存在绝对意义上的黑体,最接近黑体的存在,便是宇宙黑洞。

 

根据广义相对论,黑洞的巨大质量扭曲了空间,导致光和其他所有物质都无法逃出引力场。当然,如果我们只是简单地将黑洞理解成“光线只进不出”的地方,那东南大学的研究实现了这种类似“黑洞”的效果,尽管这种所谓“黑洞”,和真正的引力场黑洞没有任何关系。

 

2 设计原理

让光扭曲着聚集到核

 

这次实验,基于不久前美国两位教授发表的一个假设。今年7月,美国普度大学两位教授纳瑞马诺夫(EvgeniiNarimanov)和基尔迪舍夫(AlexanderKildishev)在《应用物理评论》上发表了一篇很有创意的理论假设《光学黑洞:宽带全方向光吸收器》。他们假想了一个可以利用超材料制成的光吸收“黑体”,通过数据模拟显示,其可以达到高效率的光吸收。

 

“我们指和黑洞类似的效果,但并非同样的现象。”两位作者在接受本报记者采访时提到。在论文中,他们写道:从量子动力学到光学应用,在现代科学和工程学上,“黑体”辐射的概念提供了很大的帮助。然而,始终没有哪种物质能够对所有波长、所有角度的光实现100%的吸收。

 

在引力场黑洞中,巨大的质量令时空扭曲,光和其他物质沿着扭曲的时空旋转着进入黑洞深处。这两位科学家借用了引力场黑洞令光扭曲的原理做了一个光学类比。他们设想出一个新颖的光吸收设计,令光在理论层面上能在人工装置中扭曲并进入中心。他们计算出可以通过超材料设计出一个圆柱形结构,其中心核被同心圆外壳包围,而使光线向内弯曲的关键因素是装置外壳的介电常数。介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数,会影响电磁波的电成分,如果相关设计能让材料的介电常数逐步变化,就可以使光线从外层向中心核逐步扭曲进入。通过计算,他们得到了一种可对任何方向、波长的光吸收达100%的途径。

 

这篇论文发表4个月不到,东南大学的研究人员就实现了这一设计的第一步:“对于此前的理论工作,我们提供了第一例在微波频率中的电磁场黑洞的实验展示。”他们在论文中写道。

 

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中国科学家制“人造黑洞”引发争议 - 新知周刊 - 《新京报·新知周刊》
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入射角度不同的微波都能被这个“人造黑洞”装置吸收掉。ac是理论模拟计算,bd是实际测量的结果,两者吻合得很好。

 

3 材料特性

“隐身”材料再发威

 

要实现这一设计,关键是要设计出介电常数能随径向的变化而变化的特殊材料。东南大学的研究人员用目前材料科学界最火的“超材料”来进行实验。

 

“超材料由很多亚波长金属单元做周期性排列构成,和化学合成的材料有很大的不同,因此也称为人工电磁材料。”目前,超材料在很多新型领域发挥作用。程强说,他们的实验设计中采纳了能发生渐变折射的超材料。它在很多新型的概念设计如“隐身衣”中也有应用。程强表示,在普度的教授发表论文之前,他们已经在进行类似研究了。

 

今年年初,崔铁军曾与美国杜克大学的教授合作在《科学》上刊文。他们利用超材料在微波段研制成功圆柱形的“隐身衣”,并对其进行改进,可以在宽频带内产生效果。将这件“隐身衣”披在地面某个目标上,也可令目标“消失”。

 

这次,他们在普度研究的基础上,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。电磁波照射到该装置后,被引导着进入中心核,不再出来。如果装置能够吸收可见光的话,将是一片黑漆漆的。不过,目前他们只在微波层面实现了这一目的。

 

4 引发争议

微波不等于光

 

对于中国科学家的实验,基尔迪舍夫和纳瑞马诺夫评价道,尽管中国科学家所用的微波超材料在负折射率等方面有了很多的研究,实现该假想并非难事,但他们还是因其如此快地被实现而感到惊讶。

 

另一方面,他们也表示,该篇论文依然存在一些问题。他们在论文中已进行了很多的数值模拟,缺的是实验。中方论文中就没必要进行更多的数值模拟了,而关键的实验测量却依然缺乏。其次,“微波———太阳光采集重要运用?”基尔迪舍夫强调说,该论文有夸大之嫌,高估了只在微波层面实现的“黑洞”在太阳能应用中的作用。要制造光学“黑洞”在关键技术上有更多挑战。

 

尽管微波和可见光都属于电磁波,但是,实现了微波的全吸收和光波的全吸收,还是有很大的区别。上海科技出版社编辑、天体物理学博士孙正凡解释说,微波是电子(电流)来回运动的结果,实现微波,只要电路振荡就可以得到,而光波(光子)的产生,是原子中电子能级跃迁的结果,红外/可见/紫外光,也要电子跃迁释放能量才能得到,因此,它们的吸收机制也很不一样。

 

“这和黑洞的带宽有关,我们要对人工材料的构造方式进行改变,不过微波和光的吸收机制是一样的。”面对质疑,程强在接受记者采访时回应说。他们一个月前完成了微波的实验,目前正在进行光波段的实验,可能还需要几个月的时间,“能不能做出来还很难讲”。

 

太阳光是全波段的光,在现在的太阳能技术中,已经出现了很多能够高效率吸收光的材料,但能够全波段吸收的技术却是相当困难的,因此仅在太阳光采集上,本次研究尚未突破最关键的一步,而太阳光的采集在整个太阳能技术中仅仅是容易的一步。目前太阳能技术最大的问题还在于光电转换。本次研究没有涉及这个问题。

 

尽管如此,在微波波段中走出争议性的第一步,或许是今后太阳能技术突破的开始。


本报记者 金煜
本版图片均取自《超材料制成电磁黑洞》

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