2009年12月23日星期三

科学松鼠会

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从黑洞到"微波黑洞"

Wed, 23 Dec 2009 15:25:19 +0800

"黑洞"的大名几乎家喻户晓,尽管最初它被认为是仅仅存在于理论中的怪胎,但现在几乎人人都能准确的说出它的主要特点:黑洞引力场很强,能把身边所有的东西都吸进去,就算是光也逃不出来。对于科幻作家而言,黑洞是影视文艺中吸引眼球的优质题材。对于物理学家而言,黑洞是理论研究中温故知新的理想模型。对于天文学家而言,黑洞是天文观测中充满争议的激动发现。而这一切,似乎看起来离现实生活都无比遥远……

2009年10月,东南大学的两位科学家崔铁军和程强,制造了人类历史上第一个 "微波黑洞"。就像黑洞的行为一样,它能够将绝大部分入射的微波吸入其中。从此,"黑洞"的概念不再只是遥不可及的狂想和理论,随着研发的进步一深入,"黑洞"正一步步的走近我们的身边——只不过,它和传统意义上的黑洞略有不同,它是一个不产生超强引力场的人造"光学黑洞"。

黑洞——无法逃离的深渊

黑洞给人的印象是一个非常冷酷的家伙。宇宙中的黑洞一般是由濒临死亡的大恒星坍缩而形成,体型巨大,食量惊人。如果这个恒星生前有一颗伴星围绕在周围,那么黑洞不管三七二十一,会将它的伴侣一点点的吞噬。从伴星的表面流失的高温气体,形成几股绵延千万公里的螺旋线,在逐渐落入黑洞之前剧烈摩擦,产生了大量的X射线,像是落入深渊前的绝望呼喊。尽管黑洞外面的世界多姿多彩,然而任何被黑洞吞噬的物体,对黑洞的意义仅仅在于改变了它的质量,角动量或电荷的数值。因此黑洞没有任何"个人色彩",如果要给宇宙中的黑洞们上户口的话,那么除了出生日期和家庭住址之外,只需要留出填写那三个数字的位置就足够了。

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图1黑洞想象图

从黑洞的概念被提出以来,科学家一直没有停止对黑洞在现实中是否存在的探索。鉴于黑洞深藏不露,寻找这个冷酷的家伙只能采用间接的办法。例如,距地球8000光年左右的天鹅座X-1双星系统发射出大量的X射线,因此科学家推断这个双星系统中较为致密的那颗是一个黑洞。而对银河系中心附近的28颗恒星的运动轨迹的研究也显示,那里存在着一个中心质量为太阳四百万倍的大型黑洞。这样的状况容易让人担心,既然黑洞这么厉害,那么它会不会有一天把太阳和地球全都吞噬掉呢?好在太阳系距离银河系中心非常遥远,而且又随着银河系众成员一起围绕中心旋转,产生的离心力可以抵消黑洞的引力,使我们暂时不需要杞人忧天。

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图2黑洞模拟图

地球外面的黑洞可以暂时不考虑,地球上的"黑洞"却惹出了大麻烦。2008年,位于瑞士日内瓦近郊的大型强子对撞机(The Large Hadron Collider,缩写为LHC)启动前夕,许多人担忧LHC运行中产生的巨大能量可能会制造出一个微型的黑洞来:对于地球来讲,这个黑洞也许比银河系中心的黑洞更具有威胁。在惊恐之中有些人选择了自杀,而有些人试图通过诉讼来阻止LHC的运行。对此,LHC的科学家解释说,这样的担心同样没有必要。首先从理论上讲,LHC的能量标度远远低于量子引力的最低标度,就像厨房里的炉火不能使水中的氢原子发生核聚变一样,LHC也不能产生黑洞。其次,进入大气层的宇宙射线有很多与LHC中粒子的能量相当,如果真的能制造出黑洞,地球早就消失了。再退一步讲,即使LHC真的造出了微型黑洞,根据量子理论,这个黑洞会在高温中瞬间蒸发,什么都来不及吞噬就已经无影无踪了。

"人造黑洞"——食谱单一的模仿者

虽然广义相对论中的黑洞不会出现在地球上,但科学家却提出了另一种"人造黑洞"的可能:用非引力理论来模拟黑洞的性质。例如,据报道,在2009年早些时候,以色列的一组物理学家制造了一个能够将附近的任何"声子"都吞入口中的"声学黑洞"(庄桑关于声学黑洞的文章请看这里)——我们日常生活当中听到的声音,其实是一种在空气中传播着的机械振动,在凝聚态物理学中,按照一定空间对称性排列的原子都会不断地参与传播这样的振动,人们形象的把这样的原子集体舞蹈看做一种"准粒子",称作"声子"——所谓"声学黑洞",是铷原子冷却在极低的温度下形成一种"量子流体",而此时便有"声子"在这"量子流体"之上被激发出来。在某一个区域内,"量子流体"的流动速度超过"声子"传播的速度,"声子"一旦进入这个区域,便再也无法传播出去。于是,在这个区域之外的人看来,从这个区域之中不能传出任何声音,因此"声学黑洞"又可以被成为"哑洞"。

尽管"声学黑洞"能够将胆敢闯入的"声子"悉数拿下,但它和真正的黑洞有着本质上的不同。"声学黑洞"不产生强大的引力场,除了"声子"之外,对其他粒子没什么兴趣,也就是说食谱很单一。对于以光速运动着的光,"声学黑洞"更加无能为力,因此它长的并不"黑"。要想更加逼真的模拟广义相对论中的黑洞,还得从宇宙中最快的信使——光入手。我们知道光是一种特定波长范围内的电磁波。就像某些传播着的机械振动可以被称作"声子"一样,光就是在电磁场中以光速传播着的电磁振动。光可以在不同的介质中传播,但由于在不同介质对电磁场变化的敏感度不同,导致在光在其中的传播的速度差异,例如,水中的光速大约是真空中光速的3/4,而钻石中的光速只有真空的41%左右。这进一步导致了生活中最常见的折射现象:就好像汽� �当中齐头并进的两个前轮,如果其中一个轮子驶入沙地突然被减速,而另一个轮子保持速度不变,那么汽车就会情不自禁的转向沙地的方向;同样,一组齐头并进的光波的波阵面,在以一定角度从一种介质(例如空气)向另一种介质(例如水)中传播时,也会由于光速突然变化(降低)而改变传播的方向。

超材料、隐身斗篷和"光学黑洞"

同样在2009年年初,来自美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的两位物理学家纳瑞马诺夫(Narimanov)和基尔迪谢维(Kildishev)撰文提出,如果能为光波量身定做一种介质,使得光波一旦进入之后,就会像光波在黑洞附近那样不断地转向,最终无法逃脱,那么我们就可能实现第一个真正"黑"的"光学黑洞"。从理论上来讲,要实现这样的过程并不困难。设想能够制造出这样一种带核的同心圆结构的柱状光学介质,使得在核外的部分,介电常数的大小并不是处处相等,而是像引力一样随着半径的增加而平方反比的衰减。那么在水平方向上,从任何方向射入的光波,都会随着介电常数的变化而乖乖的折射。每前进一段距离就发生一次折射,光波就像沿着黑洞附近的那组螺旋线一样,最终到达核心区域,被核心部分的材料吸收,再也无法逃脱出来。于 ��,广义相对论中的黑洞的性质就可以利用电磁学的原理初步实现,而实现这一步跨越的关键,在于寻找拥有满足平方反比定律的介电常数的特殊材料。

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图3具有负折射率的超材料——左手材料

在自然界中,人类无法按照自己的意愿获得所有的材料,而往往需要利用科技手段对材料进行加工。例如,近几年流行的"纳米材料"就是在石墨等自然材料基础上,通过特殊条件下进行的加工,使原子与原子之间结合形成自然界中没有的特殊结构,从而在熔点、磁性、光学、导热、导电特性等方面获得原材料没有的特性。纳米材料成为科学家的掌上明珠的同时,另一群科学家却反其道而行之,他们并没有将材料的加工深入到纳米级别,而是将原材料制作成为比原子尺度大的多的众多单元,通过使单元与单元之间排列形成的特殊结构,来得到在介电常数,磁导率,折射率等方面原材料并没有的特性,被称作超材料(metamaterial),或超颖材料。超材料同以往的人造材料相比,其特殊之处在于,它的新特性更多的来自于宏观的结构,而不是微观� �元的内在属性。这就好像一台由晶体管等电子器件组成的计算机,虽然任何一个晶体管在合适的条件下只会机械的放大输入端的电流,但整台计算机却拥有了它的每一单元都无法实现的强大计算能力。因此,虽然自然界中并不存在拥有负的介电常数,负的磁导率,负的折射率等奇异性质的材料,但科学家通过对超材料的研发,已经一步一步的把它们都实现了出来。例如,2006年到2009年之间关于"隐身斗篷"的一系列突破(Fujia关于隐身衣的文章请看这里这里),就是利用了一种特殊的超材料。这种超材料使得在一个二维平面中传播的电磁波遇到障碍物时不被反射,而是绕过去继续传播。由于障碍物没有反射电磁波,看上去似乎不存在,于是起到了像电影《哈利波特》中的"隐身"效果。

图4隐身衣原理示意图

图4隐身衣原理示意图

图5Duke大学研制的隐身衣

图5Duke大学研制的隐身衣

图6我们期待三维的隐身衣

图6我们期待三维的隐身衣

"微波黑洞"——"光学黑洞"的第一步

有了超材料的帮助,制造"光学黑洞"的理论和技术的条件就完全成熟了。2009年10月,东南大学的两位科学家崔铁军和程强,利用曾被用来实现"隐身斗篷"的超材料制造了人类历史上第一个"光学黑洞"—"微波黑洞"。微波是一种波长在几毫米到几分米之间的电磁波。经过数值模拟计算和实验分析,这个"微波黑洞"能够将绝大部分入射的微波吸入其中,微波的频率越高,被吸入的比例就越大。这个装置对低频率的微波"网开一面"的原因是,"光学黑洞"原理中的物理学计算采取了一些必要的近似,而这些近似要求电磁波具有很高的频率。太阳辐射的能量主要集中在可见光和红外线波段,这些辐射的频率都比微波高的多。因此从某种意义上来说,"微波黑洞"的实现,为更高效的开发和利用太阳能提出了新的思路。

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图7微波黑洞的前身

图7微波黑洞的前身

同理论上实现"光学黑洞"的构想一样,"微波黑洞"的结构主要分为两部分,一个是由40层"工"型结构(I-shaped structure)所组成的同心圆外壳,半径为108到36毫米;一个是由20层ELC(electric-field-coupled)共振器所组成的同心圆内核,半径从36毫米起依次递减。"微波黑洞"上下共三层,总高度仅5.4毫米,装在一块0.8毫米厚刻有60圈凹槽的聚苯乙烯泡沫底座上。

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"工"型结构的外壳是一种超材料,它每一个单元的形状像汉字的"工"字。当其几何尺寸从0.2毫米到1.4毫米逐渐增加时,"工"型结构表现出来的介电常数也随之增大了十几倍。因此,为了让外壳的介电常数满足平方反比定律,每一层"工"型结构的尺寸,也必须随着半径的不同而进行精确的调整。同时"微波黑洞"的层数也非常有讲究。由于"工"型结构的介电常数是逐层变化的,因此每一层不能太厚,要求大约在微波波长的十分之一左右。这样的同心圆外壳介电常数的平方反比变化才显得平滑,微波才会乖乖的钻入"微波黑洞"之内。而对于波长在万分之一毫米量级的可见光来说,这样的变化远远不够精细。这个用于囚禁微波的牢笼,在个头矮小的可见光看来过于庞大,因此我们用普通相机拍到的"微波黑洞"并不是漆黑的一团。如果� �制造用以吸收可见光和红外线的"光学黑洞",就必须将器件的尺寸控制在万分之一毫米以下。这个尺寸略高于"纳米材料"的量级,同目前计算机中央处理器上的电子元件尺寸较为接近。因此,尽管"光学黑洞"给超材料的制备上提出了一些技术难题,但在实验室中实现也并非不可能。

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一种能将入射电磁波能量全部转化为热能的超材料,同文章中提到的ELC共振器的形状略有不同。

太阳能利用的新思路

"工"型结构的外壳将微波折射入内核后,最终由20层ELC共振装置吸收,并转化为热能。如果相同思路的"光学黑洞"能够研制成功的话,有可能为太阳能产业带来新的思路。首先,市场上太阳能电池的平均效率只有10%-15%左右,也就是说照射在电池上的太阳光的能量只有十分之一左右能够被转化为电能,而其它大部分能量都变成了无用的热能。解决这个问题可以通过技术革新提高发电效率;同时也可以利用"光学黑洞",让更多的阳光射向太阳能电池,增加它同太阳光的有效接触面积。其次,太阳能电池由于长期暴露在户外,经常面临各种严酷的环境,容易脱落、被腐蚀、被氧化造成电池失效。因此其平均使用寿命并不长。生产厂家给出的估计是20年左右,据业内人士预计,实际使用寿命的数字可能更加保守。如果能够将现在圆盘式的"黑洞� 加以改进,研制出能够适应多种光照条件和气候条件的"光学黑洞"外壳,就可以把太阳能电池的发电部分从室外搬到室内,从而大大提高其使用寿命,增加其经济价值。同时,发电装置的集中,意味着产生的无用热能也更加集中,人类将太阳能转化为电能的同时,也可以更有效地利用剩余的热能。

以上仅仅是我们对于"光学黑洞"应用的一个初步设想。要想把设想变为现实,从技术上还有很长的一段路要走。例如,设想中的"光学黑洞"要求其单元在纳米的量级上形成一定结构,从而影响可见光或红外线的传播路径,目前最直接的实现方法是利用光学薄膜技术。首先从原理上讲,绝大多数光学薄膜的折射率在1~3之间,很难找到拥有像"工"型结构那样,折射率能够在很大范围内连续变化的光学材料。其次,目前的镀膜工艺存在一定误差,并不能像"微波黑洞"那样精确地控制每一层的厚度,这就会大大增加研制"光学黑洞"的难度。还有一个关键的问题在于,目前的"微波黑洞"只限定在一个二维的平面之中,想要将它应用到三维的情况,必须要先从理论上论证其实现的可能性。即使经过了理论的论证,三维的"光学黑洞"也将面临� �个严峻的挑战:目前的超材料都只适合应用于二维的表面,应用于三维空间的超材料仍然是一个未解的难题。因此,一些科研人员表示,将"微波黑洞"应用于太阳能领域的说法目前看来可能过于乐观。

从1915年广义相对论的引力黑洞,到2009年超材料的"微波黑洞",短短不到100年的时间里人类的科技水平产生了数次飞越,无数在以前看来不可能实现的技术变成了可能。这些科学技术的成果大大改变了人类的生活方式,同时也带来了一系列全球性的危机。我们期待人类对待"光学黑洞"等超材料时,能够本着一颗谦卑平和的心,有规划的合理的应用它们,让我们的生活和地球一起变得更加美好!

扩展阅读:

1.超颖材料
2.First ‘invisibility cloak’ appears
3."超材料(metamaterials)":超越天然材料的自然极限(1)
4.An electromagnetic black hole made of metamaterials
5.中国科学家制"人造黑洞"引发争议
6.What is metamaterial

ps:华东师范大学的韩见同学对本文亦有贡献

文字编辑:拇姬

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一个性感哈欠的诞生

Wed, 23 Dec 2009 10:20:14 +0800

yawn哈欠——在人类身上发生最为频繁的生理现象之一,有史以来对它的解释都似乎有支支吾吾、语焉不详的倾向,牛津词典仅简单将其描述为因厌倦而生,而两本重要的生理学手册——Gray’s Anatomy of the Human Body(《格雷的人体剖析》)的1985年版和Encyclopedia of Human Biology(《人类生物学百科》)直到1990年以后的版本也并未设置该词条的索引。

对此,美国天普大学的心理学家Ronald Baenninger有点看不过去了,1997年他专门撰文,认真地探讨了一下"哈欠及其功能"的问题。Baenninger称完全遵照诺贝尔奖获得者、行为学家尼科尔·廷博根(Niko Tinbergen)提出的行为分析四大基本要素(形成与发展、演变与历史、机制、功能与价值),从哈欠的形式、关联、内容、系统分类、个体表现、可变性、生理学特征和环境因素等各方面入手分析,最后得到了一些归纳与总结。他认为哈欠最重要的功能似乎在于加强或维持对环境刺激的警觉度。这个观点貌似抓住了精髓,论文写得有声有色,估计私下里Baenninger自己也很得意。不料有一天,跑来一个不知天高地厚的荷兰人把上述结论全盘打翻在地。

这位反驳者名叫Wolter Seuntjens,出身阿姆斯特丹自由大学(Vrije Universiteit Amsterdam),听听这个来头,就能断定"绝非善类"。要知道阿姆斯特丹是全世界首屈一指的桃色之都,以妓女在橱窗中公开展示闻名于世,其发达色情业能让每个前往该市的文人骚客都不忘书写上一笔,当地人头脑的开放程度,据考证,和它早期海上活动如捕鱼、远航的商船等的繁荣有关。而自由大学成立于1880年,"Vrije"在荷兰语中意为"脱离宗教和国家"。如此背景之下,不出个把奇人异士也难,所以会有Seuntjens老兄一日突发奇想,跑到图书馆,故纸堆中淫浸出一本洋洋数百页的著述,意在描述哈欠所代表的性爱特征。至于Ronald Baenninger从脑皮层觉醒角度提出的见解,在他看来,乃是不痛不痒,说了等于没说。

其实在Baenninger和Seuntjens之前,学界对哈欠的研究也不算一片空白,只是无法进行严格界定,主要观点包括以下几方面:
生理学的解释——就像我们平常听到的那样,血液中缺氧所致,打哈欠可吸入更多氧气,排出二氧化碳。这一点似乎在人多时得到了证明,因这种场合下二氧化碳浓度往往很高,伴随着许多人哈欠连天。但马上有人提出疑问了:如果是为了增加摄氧量,为什么人在做运动的时候不哈欠?1987年,马里兰大学的Robert Provine博士特地就此说设计了实验,他的实验分成四组进行,分别使用不同气体样本让实验对象在其中呼吸:a.100%O2;b. 3% CO2, 21% O2;c. 5% CO2, 21% O2;d.普通空气,即20.95% O2, 79.02% N2, 0.03% CO2。结果证明:使用纯氧或高浓度二氧化碳都能带来呼吸加速,但对于哈不哈欠却没有显著影响。同样,他还发现锻炼身体也不构成哈欠的诱因,控制呼吸和哈欠的显然属于两种不同机理。缺氧说被推翻了。

进化论的解释——我们的祖先会使用类似于哈欠的动作,露出牙齿以威胁他人。达尔文在The expression_r of the Emotions in Man and Animals(《人和动物的情感表达》)中就有如下描述:狒狒会张开他们的大嘴巴,向对手表示威胁。这似乎揭示了这种行为方式承袭自古人猿的可能性(还有学者指出:哈欠传染或许有助于人类祖先在劳动和休息过程中保持协调一致)。不过,对此不以为然者大有人在。

心理学的解释——厌倦。字典上多使用厌倦和睡意导致哈欠的说法。不过如何解释Margaret Gray Blanton在1917年就发现的婴儿出生5分钟就会哈欠这一现象?而且此说在奥运选手身上也遇到了一点点障碍。有人观察到运动员在进入高度紧张的比赛前,哈欠频率是比较高的,难不成他们对满世界看着自己的眼睛感到厌倦不成?

生物化学的解释——很多分泌物和制剂会诱发脊椎动物打哈欠:在老鼠身上,多巴胺、胆碱性作用剂、垂体神经肽、促皮激素都显示了效用。但究竟是什么导致这些激素突然间分泌过高呢?这种解释显然没有涉及到本质。

此外,在社会学领域,哈欠还会被视作某种禁忌。如穆斯林的教诲中人们被告之:真主喜欢打喷嚏,但不喜欢哈欠,因为哈欠是魔鬼撒旦带来的,特别在你祈祷时只要"Ha"那么一声,撒旦就趁虚而入了。

可以想象,和现在的我一样,当时Wolter Seuntjens看那些长篇累牍似是而非的文献,心情十分恼火,哈欠打了一个又一个,不知如何下手。不过,幸运的他最终被一缕亮光射中了。

首先是从一本论文中读到,无论是哈欠(yawn)还是懒腰(stretch),在语言学上都与"欲望"(desire)和"渴望"(longing for)相关,接下去又瞥见好几本旧书,说哈欠特别是迅速传染的哈欠,不仅仅出于同情心,还可能含有某种爱恋的暗示。一些心理分析学者,如Joost AM Meerloo、Ned Marcus等人都在著作中提到了哈欠有时会作为潜在的性信号出现。而Kathleen C. Chambers和Charles H. Phoenix更是开创性地找到了哈欠频率和血液中睾丸激素水平之间的联系。一般来说,哈欠分为三个阶段:吸气、吸气至最大量(顶点)时有一个几秒钟的停滞、呼气。C. H. Chouard等曾指出,伴随着哈欠顶点的到来,人似乎会有一种"小高潮"的感觉。有不少人很早就发现,海洛因上瘾者会在吸食后出现性欲反应和哈欠,这两种反应也同时作为某些抗抑郁药剂如脱水吗啡的临床反应被观察到。D. McLean则进一步证明了两者之间的联系,自发或故意而为的哈欠都可能引发瞬间的性快感。

他甚至在叶芝的诗中也找到了佐证:
噢,那残酷的死亡,收回了人生的三件乐事
……
"我不舍得的第三件"
海边的骨头唱道
"是某个早晨当我醒来
可以和心爱的女人面对面
在长长的懒腰和哈欠之后"
——叶芝《三件事》

自此完全可以确定,哈欠与呼吸无关,与进化无关,与道德无关,与禁忌无关,它只与性感有关。
难以按捺心中的狂喜,Seuntjens屏住呼吸,继续翻出一摞摞相关资料,而在他头脑中,一个论文标题已然形成,那就是:The Hidden Sexuality of the Human Yawn(《人类哈欠中隐蔽的性特征》)。

已发表于《新发现》

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