在类比系统中研究引力和黑洞的性质
发布时间：2021-03-17 19:54
引力和量子力学的融合是理解时空起源和引力本质的重要问题,也是一个长期悬而未决的基础物理学根本问题。理论物理学家们对此提出了诸多理论猜想,也做出了许多预言。然而一些相关的预言涉及的效应极其微弱,因此难以通过实验观测加以证实。通过类比引力系统,人们可以将这些引力效应转化为实验室可测可控系统的一些效应。对这些类比系统的研究一方面可以帮助人们更深入地理解引力的性质本身,另一方面也可以为其他相关领域的研究提供启发和新的思路。文章将以几个具体的类比系统为例简要介绍类比引力研究的历史和最近的一些研究进展。
【文章来源】：物理. 2020,49(07)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
水槽中产生声学黑洞的实验简图。水槽中由水泵产生从右到左的持续水流，左端的兴波器产生从左向右传播的表面波。在水槽中间的底部，障碍物会改变水流的速度和表面波的速度，在其上方产生了一个类似于白洞视界的声学视界[4]
由于技术的进步，近年来人们可以实现对波导等光学微结构的高精度加工。人工光学材料被用于研究模拟弯曲时空的许多现象。这些人工光学超材料除了被用于研究诸如霍金辐射等涉及弯曲时空中的量子效应外，也可以被用于演示广义相对论中一些不容易被观测到的经典效应。比如文献[22]利用微结构光波导模拟大质量恒星的引力引起的时空弯曲，用来演示引力透镜效应。文献[22]将一个微球嵌入到受控的旋涂过程中形成的平面聚合物波导(图4(b))中。考虑到表面张力效应，微球周围的波导会发生畸变，导致周围波导有效折射率发生连续变化。在一定条件下，这样的波导可以模拟由强引力场引起的弯曲时空。利用直接荧光成像的方法，文献[22]观察到入射光会渐近地被捕获并聚集在一个不稳定的圆轨道上，如图4(c)所示。这个圆轨道正好对应于一个致密恒星物体的光子球。此实验方法为广义相对论中描述的引力透镜效应提供了一个有用的类比模型。实际上类似的研究不仅可以为描述广义相对论的一些物理现象提供可视化的方法，而且可以为人们开发新的光学超材料提供启发。比如前文介绍的文献[22]所提出的微结构波导可以被用作全向吸收体，在采光系统和光学微腔系统中具有潜在的应用。再比如文献[23]在广义相对论中的施瓦西解的启发下，提出了一类三维复杂设计的纳米光学结构。在这种结构中，光的演化是通过介质的空间曲率来控制的。这种纳米光学结构可以作为弯曲结构中纳米光学的基础，并可用于集成光子电路。
在前文介绍的类比引力研究中，研究者将注意力集中于如何在经典或者量子系统/介质中为“声波/光波”或者“声子/光子”构造一个等效弯曲时空背景来实现对弯曲时空量子场论的模拟。其目的在于对黑洞的霍金辐射、引力透镜等弯曲时空中的量子效应或者经典效应进行模拟。经过几十年发展，这一领域已经取得了许多突破性的进展。然而，最近20多年引力和黑洞的理论研究开辟了许多新的方向，带来了许多新的结果。这其中最大的一个进展来自引力的全息对偶性质的发现。引力的全息对偶原理最早可以追溯到早期对黑洞熵的研究。在20世纪70年代人们研究黑洞时发现黑洞也是一个热力学系统，描述黑洞熵的贝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的熵正比于黑洞视界的面积[24]。由于物理系统的熵代表系统的微观自由度，因此贝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的微观自由度并不是像通常的物理系统那样正比于体积，而是正比于系统的面积。这个重要的特点首先由诺贝尔物理奖获得者‘t Hooft在1993年注意到[25]，并被Susskind在1994年进一步发展为“引力的全息对偶原理”[26]。最终这一原理经由Maldacena、Steven Gubser、Igor Klebanov、AlexanderPolyakov和Edward Witten等人进一步发展成为了目前广为研究的“AdS/CFT对偶”猜想[27—29]。在AdS/CFT对偶猜想中，一个渐近反德西特时空(一类负常曲率时空)中的量子引力和一个在反德西特时空边界上的强耦合量子场论是等价的。利用引力全息对偶，人们对于引力以及黑洞的“量子”方面有了许多新的认识和预言。这些新的结果和霍金辐射一样，揭示了黑洞一些超越经典理论的性质，比如量子混沌、纠缠熵、剪切粘滞比等。然而目前通过实验室手段来模拟黑洞的这些性质的研究还十分匮乏，实验和理论都还不充分。与经典广义相对论以及诸如霍金辐射等黑洞的量子现象不同，来自引力全息对偶中的许多理论预言还处于探讨阶段。通过类比引力系统的研究有可能为这些理论的研究提供新的启示。
本文编号：3087630
【文章来源】：物理. 2020,49(07)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
水槽中产生声学黑洞的实验简图。水槽中由水泵产生从右到左的持续水流，左端的兴波器产生从左向右传播的表面波。在水槽中间的底部，障碍物会改变水流的速度和表面波的速度，在其上方产生了一个类似于白洞视界的声学视界[4]
由于技术的进步，近年来人们可以实现对波导等光学微结构的高精度加工。人工光学材料被用于研究模拟弯曲时空的许多现象。这些人工光学超材料除了被用于研究诸如霍金辐射等涉及弯曲时空中的量子效应外，也可以被用于演示广义相对论中一些不容易被观测到的经典效应。比如文献[22]利用微结构光波导模拟大质量恒星的引力引起的时空弯曲，用来演示引力透镜效应。文献[22]将一个微球嵌入到受控的旋涂过程中形成的平面聚合物波导(图4(b))中。考虑到表面张力效应，微球周围的波导会发生畸变，导致周围波导有效折射率发生连续变化。在一定条件下，这样的波导可以模拟由强引力场引起的弯曲时空。利用直接荧光成像的方法，文献[22]观察到入射光会渐近地被捕获并聚集在一个不稳定的圆轨道上，如图4(c)所示。这个圆轨道正好对应于一个致密恒星物体的光子球。此实验方法为广义相对论中描述的引力透镜效应提供了一个有用的类比模型。实际上类似的研究不仅可以为描述广义相对论的一些物理现象提供可视化的方法，而且可以为人们开发新的光学超材料提供启发。比如前文介绍的文献[22]所提出的微结构波导可以被用作全向吸收体，在采光系统和光学微腔系统中具有潜在的应用。再比如文献[23]在广义相对论中的施瓦西解的启发下，提出了一类三维复杂设计的纳米光学结构。在这种结构中，光的演化是通过介质的空间曲率来控制的。这种纳米光学结构可以作为弯曲结构中纳米光学的基础，并可用于集成光子电路。
在前文介绍的类比引力研究中，研究者将注意力集中于如何在经典或者量子系统/介质中为“声波/光波”或者“声子/光子”构造一个等效弯曲时空背景来实现对弯曲时空量子场论的模拟。其目的在于对黑洞的霍金辐射、引力透镜等弯曲时空中的量子效应或者经典效应进行模拟。经过几十年发展，这一领域已经取得了许多突破性的进展。然而，最近20多年引力和黑洞的理论研究开辟了许多新的方向，带来了许多新的结果。这其中最大的一个进展来自引力的全息对偶性质的发现。引力的全息对偶原理最早可以追溯到早期对黑洞熵的研究。在20世纪70年代人们研究黑洞时发现黑洞也是一个热力学系统，描述黑洞熵的贝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的熵正比于黑洞视界的面积[24]。由于物理系统的熵代表系统的微观自由度，因此贝肯斯坦—霍金熵公式表明黑洞的微观自由度并不是像通常的物理系统那样正比于体积，而是正比于系统的面积。这个重要的特点首先由诺贝尔物理奖获得者‘t Hooft在1993年注意到[25]，并被Susskind在1994年进一步发展为“引力的全息对偶原理”[26]。最终这一原理经由Maldacena、Steven Gubser、Igor Klebanov、AlexanderPolyakov和Edward Witten等人进一步发展成为了目前广为研究的“AdS/CFT对偶”猜想[27—29]。在AdS/CFT对偶猜想中，一个渐近反德西特时空(一类负常曲率时空)中的量子引力和一个在反德西特时空边界上的强耦合量子场论是等价的。利用引力全息对偶，人们对于引力以及黑洞的“量子”方面有了许多新的认识和预言。这些新的结果和霍金辐射一样，揭示了黑洞一些超越经典理论的性质，比如量子混沌、纠缠熵、剪切粘滞比等。然而目前通过实验室手段来模拟黑洞的这些性质的研究还十分匮乏，实验和理论都还不充分。与经典广义相对论以及诸如霍金辐射等黑洞的量子现象不同，来自引力全息对偶中的许多理论预言还处于探讨阶段。通过类比引力系统的研究有可能为这些理论的研究提供新的启示。
本文编号：3087630
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