在類比系統(tǒng)中研究引力和黑洞的性質(zhì)
發(fā)布時(shí)間：2021-03-17 19:54
引力和量子力學(xué)的融合是理解時(shí)空起源和引力本質(zhì)的重要問題,也是一個(gè)長期懸而未決的基礎(chǔ)物理學(xué)根本問題。理論物理學(xué)家們對此提出了諸多理論猜想,也做出了許多預(yù)言。然而一些相關(guān)的預(yù)言涉及的效應(yīng)極其微弱,因此難以通過實(shí)驗(yàn)觀測加以證實(shí)。通過類比引力系統(tǒng),人們可以將這些引力效應(yīng)轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室可測可控系統(tǒng)的一些效應(yīng)。對這些類比系統(tǒng)的研究一方面可以幫助人們更深入地理解引力的性質(zhì)本身,另一方面也可以為其他相關(guān)領(lǐng)域的研究提供啟發(fā)和新的思路。文章將以幾個(gè)具體的類比系統(tǒng)為例簡要介紹類比引力研究的歷史和最近的一些研究進(jìn)展。
【文章來源】：物理. 2020,49(07)北大核心
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
水槽中產(chǎn)生聲學(xué)黑洞的實(shí)驗(yàn)簡圖。水槽中由水泵產(chǎn)生從右到左的持續(xù)水流，左端的興波器產(chǎn)生從左向右傳播的表面波。在水槽中間的底部，障礙物會(huì)改變水流的速度和表面波的速度，在其上方產(chǎn)生了一個(gè)類似于白洞視界的聲學(xué)視界[4]
由于技術(shù)的進(jìn)步，近年來人們可以實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)等光學(xué)微結(jié)構(gòu)的高精度加工。人工光學(xué)材料被用于研究模擬彎曲時(shí)空的許多現(xiàn)象。這些人工光學(xué)超材料除了被用于研究諸如霍金輻射等涉及彎曲時(shí)空中的量子效應(yīng)外，也可以被用于演示廣義相對論中一些不容易被觀測到的經(jīng)典效應(yīng)。比如文獻(xiàn)[22]利用微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)模擬大質(zhì)量恒星的引力引起的時(shí)空彎曲，用來演示引力透鏡效應(yīng)。文獻(xiàn)[22]將一個(gè)微球嵌入到受控的旋涂過程中形成的平面聚合物波導(dǎo)(圖4(b))中�？紤]到表面張力效應(yīng)，微球周圍的波導(dǎo)會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致周圍波導(dǎo)有效折射率發(fā)生連續(xù)變化。在一定條件下，這樣的波導(dǎo)可以模擬由強(qiáng)引力場引起的彎曲時(shí)空。利用直接熒光成像的方法，文獻(xiàn)[22]觀察到入射光會(huì)漸近地被捕獲并聚集在一個(gè)不穩(wěn)定的圓軌道上，如圖4(c)所示。這個(gè)圓軌道正好對應(yīng)于一個(gè)致密恒星物體的光子球。此實(shí)驗(yàn)方法為廣義相對論中描述的引力透鏡效應(yīng)提供了一個(gè)有用的類比模型。實(shí)際上類似的研究不僅可以為描述廣義相對論的一些物理現(xiàn)象提供可視化的方法，而且可以為人們開發(fā)新的光學(xué)超材料提供啟發(fā)。比如前文介紹的文獻(xiàn)[22]所提出的微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可以被用作全向吸收體，在采光系統(tǒng)和光學(xué)微腔系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用。再比如文獻(xiàn)[23]在廣義相對論中的施瓦西解的啟發(fā)下，提出了一類三維復(fù)雜設(shè)計(jì)的納米光學(xué)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，光的演化是通過介質(zhì)的空間曲率來控制的。這種納米光學(xué)結(jié)構(gòu)可以作為彎曲結(jié)構(gòu)中納米光學(xué)的基礎(chǔ)，并可用于集成光子電路。
在前文介紹的類比引力研究中，研究者將注意力集中于如何在經(jīng)典或者量子系統(tǒng)/介質(zhì)中為“聲波/光波”或者“聲子/光子”構(gòu)造一個(gè)等效彎曲時(shí)空背景來實(shí)現(xiàn)對彎曲時(shí)空量子場論的模擬。其目的在于對黑洞的霍金輻射、引力透鏡等彎曲時(shí)空中的量子效應(yīng)或者經(jīng)典效應(yīng)進(jìn)行模擬。經(jīng)過幾十年發(fā)展，這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多突破性的進(jìn)展。然而，最近20多年引力和黑洞的理論研究開辟了許多新的方向，帶來了許多新的結(jié)果。這其中最大的一個(gè)進(jìn)展來自引力的全息對偶性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。引力的全息對偶原理最早可以追溯到早期對黑洞熵的研究。在20世紀(jì)70年代人們研究黑洞時(shí)發(fā)現(xiàn)黑洞也是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，描述黑洞熵的貝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的熵正比于黑洞視界的面積[24]。由于物理系統(tǒng)的熵代表系統(tǒng)的微觀自由度，因此貝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的微觀自由度并不是像通常的物理系統(tǒng)那樣正比于體積，而是正比于系統(tǒng)的面積。這個(gè)重要的特點(diǎn)首先由諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者‘t Hooft在1993年注意到[25]，并被Susskind在1994年進(jìn)一步發(fā)展為“引力的全息對偶原理”[26]。最終這一原理經(jīng)由Maldacena、Steven Gubser、Igor Klebanov、AlexanderPolyakov和Edward Witten等人進(jìn)一步發(fā)展成為了目前廣為研究的“AdS/CFT對偶”猜想[27—29]。在AdS/CFT對偶猜想中，一個(gè)漸近反德西特時(shí)空(一類負(fù)常曲率時(shí)空)中的量子引力和一個(gè)在反德西特時(shí)空邊界上的強(qiáng)耦合量子場論是等價(jià)的。利用引力全息對偶，人們對于引力以及黑洞的“量子”方面有了許多新的認(rèn)識(shí)和預(yù)言。這些新的結(jié)果和霍金輻射一樣，揭示了黑洞一些超越經(jīng)典理論的性質(zhì)，比如量子混沌、糾纏熵、剪切粘滯比等。然而目前通過實(shí)驗(yàn)室手段來模擬黑洞的這些性質(zhì)的研究還十分匱乏，實(shí)驗(yàn)和理論都還不充分。與經(jīng)典廣義相對論以及諸如霍金輻射等黑洞的量子現(xiàn)象不同，來自引力全息對偶中的許多理論預(yù)言還處于探討階段。通過類比引力系統(tǒng)的研究有可能為這些理論的研究提供新的啟示。
本文編號：3087630
【文章來源】：物理. 2020,49(07)北大核心
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
水槽中產(chǎn)生聲學(xué)黑洞的實(shí)驗(yàn)簡圖。水槽中由水泵產(chǎn)生從右到左的持續(xù)水流，左端的興波器產(chǎn)生從左向右傳播的表面波。在水槽中間的底部，障礙物會(huì)改變水流的速度和表面波的速度，在其上方產(chǎn)生了一個(gè)類似于白洞視界的聲學(xué)視界[4]
由于技術(shù)的進(jìn)步，近年來人們可以實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)等光學(xué)微結(jié)構(gòu)的高精度加工。人工光學(xué)材料被用于研究模擬彎曲時(shí)空的許多現(xiàn)象。這些人工光學(xué)超材料除了被用于研究諸如霍金輻射等涉及彎曲時(shí)空中的量子效應(yīng)外，也可以被用于演示廣義相對論中一些不容易被觀測到的經(jīng)典效應(yīng)。比如文獻(xiàn)[22]利用微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)模擬大質(zhì)量恒星的引力引起的時(shí)空彎曲，用來演示引力透鏡效應(yīng)。文獻(xiàn)[22]將一個(gè)微球嵌入到受控的旋涂過程中形成的平面聚合物波導(dǎo)(圖4(b))中�？紤]到表面張力效應(yīng)，微球周圍的波導(dǎo)會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致周圍波導(dǎo)有效折射率發(fā)生連續(xù)變化。在一定條件下，這樣的波導(dǎo)可以模擬由強(qiáng)引力場引起的彎曲時(shí)空。利用直接熒光成像的方法，文獻(xiàn)[22]觀察到入射光會(huì)漸近地被捕獲并聚集在一個(gè)不穩(wěn)定的圓軌道上，如圖4(c)所示。這個(gè)圓軌道正好對應(yīng)于一個(gè)致密恒星物體的光子球。此實(shí)驗(yàn)方法為廣義相對論中描述的引力透鏡效應(yīng)提供了一個(gè)有用的類比模型。實(shí)際上類似的研究不僅可以為描述廣義相對論的一些物理現(xiàn)象提供可視化的方法，而且可以為人們開發(fā)新的光學(xué)超材料提供啟發(fā)。比如前文介紹的文獻(xiàn)[22]所提出的微結(jié)構(gòu)波導(dǎo)可以被用作全向吸收體，在采光系統(tǒng)和光學(xué)微腔系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用。再比如文獻(xiàn)[23]在廣義相對論中的施瓦西解的啟發(fā)下，提出了一類三維復(fù)雜設(shè)計(jì)的納米光學(xué)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，光的演化是通過介質(zhì)的空間曲率來控制的。這種納米光學(xué)結(jié)構(gòu)可以作為彎曲結(jié)構(gòu)中納米光學(xué)的基礎(chǔ)，并可用于集成光子電路。
在前文介紹的類比引力研究中，研究者將注意力集中于如何在經(jīng)典或者量子系統(tǒng)/介質(zhì)中為“聲波/光波”或者“聲子/光子”構(gòu)造一個(gè)等效彎曲時(shí)空背景來實(shí)現(xiàn)對彎曲時(shí)空量子場論的模擬。其目的在于對黑洞的霍金輻射、引力透鏡等彎曲時(shí)空中的量子效應(yīng)或者經(jīng)典效應(yīng)進(jìn)行模擬。經(jīng)過幾十年發(fā)展，這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多突破性的進(jìn)展。然而，最近20多年引力和黑洞的理論研究開辟了許多新的方向，帶來了許多新的結(jié)果。這其中最大的一個(gè)進(jìn)展來自引力的全息對偶性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。引力的全息對偶原理最早可以追溯到早期對黑洞熵的研究。在20世紀(jì)70年代人們研究黑洞時(shí)發(fā)現(xiàn)黑洞也是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，描述黑洞熵的貝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的熵正比于黑洞視界的面積[24]。由于物理系統(tǒng)的熵代表系統(tǒng)的微觀自由度，因此貝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的微觀自由度并不是像通常的物理系統(tǒng)那樣正比于體積，而是正比于系統(tǒng)的面積。這個(gè)重要的特點(diǎn)首先由諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者‘t Hooft在1993年注意到[25]，并被Susskind在1994年進(jìn)一步發(fā)展為“引力的全息對偶原理”[26]。最終這一原理經(jīng)由Maldacena、Steven Gubser、Igor Klebanov、AlexanderPolyakov和Edward Witten等人進(jìn)一步發(fā)展成為了目前廣為研究的“AdS/CFT對偶”猜想[27—29]。在AdS/CFT對偶猜想中，一個(gè)漸近反德西特時(shí)空(一類負(fù)常曲率時(shí)空)中的量子引力和一個(gè)在反德西特時(shí)空邊界上的強(qiáng)耦合量子場論是等價(jià)的。利用引力全息對偶，人們對于引力以及黑洞的“量子”方面有了許多新的認(rèn)識(shí)和預(yù)言。這些新的結(jié)果和霍金輻射一樣，揭示了黑洞一些超越經(jīng)典理論的性質(zhì)，比如量子混沌、糾纏熵、剪切粘滯比等。然而目前通過實(shí)驗(yàn)室手段來模擬黑洞的這些性質(zhì)的研究還十分匱乏，實(shí)驗(yàn)和理論都還不充分。與經(jīng)典廣義相對論以及諸如霍金輻射等黑洞的量子現(xiàn)象不同，來自引力全息對偶中的許多理論預(yù)言還處于探討階段。通過類比引力系統(tǒng)的研究有可能為這些理論的研究提供新的啟示。
本文編號：3087630
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