不背降落伞,小实验台上的大物理

图片 1微缩火车模型可以模拟真实世界里的火车,而物理学家正在使用的其他模型,可以模拟小到希格斯粒子,大到宇宙里的黑洞等我们无法真正触及的东西。图片来源:《新科学家》

水中减速

下面来看水下的部分。这部分的估算相当困难。以极高速度运动的人体和水的相互作用,与在天空中下落时可不是一回事。不过我会尽量去算。事实上,我要以对高台跳水的一些分析入手。一开始我看了一下这个相当来劲的高速摄影水下视频。

它展示的是一名跳水者进入水中,但是我得不到足够的有用数据来算出加速度。因此,我会只做一下粗略的估计。

我会使用与在空气中同样的模型来计算阻力,只不过水的密度要大得多(空气密度是1.2千克/立方米,水的密度是1000千克/立方米)。如果我假设美国队长在水中和空气中的阻力系数和横截面积都一样,那么我得到的AC值是0.255平方米(根据站立姿态极限速度)。

他只有一部分身体在水中的难缠阶段我就忽略不计了。下面我可以回到我的数值模型,仅仅修改一下密度。下图是他以67.2米/秒的速度入水后速度与时间的关系。

图片 2

我仅仅绘制出了他的速度降到5米/秒之前的情况。说实话,我关注的只是最初的加速度。不过,我刚刚意识到我忽略了浮力——我觉得这倒也没什么,因为这只是一次估算,而且有那么多的气泡,浮力也不太可能会符合普通模型。

看一看最初0.01秒的运动,美国队长的速度从67.2米/秒降到了34.2米/秒。使用0.01秒的时长,我们得出平均加速度是……3300米/秒2,或者337g

这是不是太大了?

根据维基百科上关于加速度承受能力的词条,人类可以在极短时间内挺过100g的加速度。这确实是极短的时间,但是加速度比100g高很多——我想我该补充一句,记录中人类幸存下来的最大加速度是214g

不过别忘了,这可是美,国,队,长。

图片 3是的,当时就是这样。图片来源:moviewallpapers101.com

霍金在他这次惊世骇俗的主张当中,以温和得多的“表观视界”(apparent horizon)代替了事件视界。表观视界只会暂时地禁锢物质和能量,最终还是会把它们释放出来,尽管已是面目全非。

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被抛弃的视界

现在,霍金提出了简单得令人心痒的第三种观点。量子力学和广义相对论依然完好无损,但黑洞不再拥有一个火爆的事件视界。他的观点的核心是,量子效应在黑洞周围造成了狂暴的时空涨落,以至于无法存在一个平滑的边界面。

霍金提出了“表观视界”来替代事件视界,这个概念指的是试图逃离黑洞核心的光线被禁锢之处。根据广义相对论,对稳定的黑洞来说,这两个视界是相同的,因为试图从黑洞内部逃脱的光线抵达事件视界之后便再无前途,就如同被困在了跑步机上。不过原则上这两个视界也可以不是一回事。如果黑洞吞下了更多物质,事件视界便会膨胀,超过表观视界。

20世纪70年代,霍金还提出过一种相反的情形:黑洞会因为发出“霍金辐射”而慢慢缩小。在这种情况下,理论上来讲事件视界会变得比表观视界还小。霍金的最新理论认为表观视界才是黑洞真正的边界。“没有事件视界意味着没有黑洞——假如我们将黑洞理解为光线永远无法逃脱的区域。”

“霍金设想的情形听上去挺有道理。”加拿大埃德蒙顿市艾伯塔大学的物理学家、黑洞专家唐•佩奇(Don Page)说。他曾于20世纪70年代与霍金合作。“你可以说否定事件视界的存在挺激进的。但我们探讨的问题高度符合量子条件,就连时空尚且含义模糊,更别提是否存在一个可以被视作事件视界的明确区域了。”

对于霍金提出的黑洞可以没有事件视界的观点,佩奇是接受的,但他质疑单此一说是否足以解决火墙悖论。他告诫称,哪怕转瞬即逝的表观视界也会造成与事件视界同样的问题。

与事件视界不同,表观视界会最终消失。佩奇指出,霍金将一种“原则上任何事物都可以逃离黑洞”的极端场景呈现于世人面前。霍金并未在论文中明确指出表观视界消失的方式,但佩奇推断,当其收缩到一定尺度,便有可能在量子力学和引力的共同作用下消失。到时候曾被黑洞困住的一切都将被释放,尽管已不是当初的模样。

如果霍金是正确的,那么在黑洞的中心甚至可能并不存在奇点。实际情形可能是,物质只是被暂时困在表观视界下面。表观视界在黑洞引力作用下逐渐内移,但永远不会被挤压到中心。物质携带的信息不会遭到毁灭,但会被搞得乱七八糟,以至于当其经由霍金辐射被释放出去的时候,形式已经大为不同,基本上不可能再依据它推断出当初被吞没的是什么物体。

“这比复原一本被你烧成灰的书还要困难。”佩奇说。在论文中,霍金则将这种反推比作天气预报:理论上可能,但实际上很难达到较高的精确度。

然而,玻尔钦斯基对于没有事件视界的黑洞是否存在表示怀疑。他认为足以抹掉事件视界的狂暴涨落在宇宙中太过罕见。“在爱因斯坦的引力理论中,黑洞的视界与太空中任何其他区域并无太大区别。”玻尔钦斯基说,“我们从未在附近空间观察到时空涨落:这种现象在大尺度上实在太罕见了。”

曾经师从霍金的加州大学伯克利分校理论物理学家拉斐尔•布索(Raphael Bousso)说,这个最新的观点反映出在物理学家眼中,火墙可能的存在是多么地“讨厌”。然而他对霍金的解决方案还是持谨慎态度。“相对于火墙的存在,黑洞不存在一个有去无回的视界的观点在某些方面更加激进、更容易造成问题。”他说,“可是霍金发表其第一篇关于黑洞和信息的论文足有40年了,我们对这些问题的讨论仍未休止,这一事实足以证明它们的重大意义。”

编译自:《自然》,Stephen Hawking: 'There are no black holes'
图片来源:nbcnews.com

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潜在威力

而在位于爱丁堡的实验室里,法乔正在堆满仪器的实验台上捣鼓,用高功率激光束来模拟黑洞视界。先用玻璃块搭建波导,然后将激光聚焦在波导中很小的一个点上,通过这种方式,法乔能暂时改变该点玻璃的折射率,从而降低后继激光脉冲在这点的传播速度,最终阻止所有脉冲进入。法乔认为,“让这些类比实验如此给力的原因在于,在光子或水波看来,它根本分不清自己穿过的是真实黑洞的视界,还是受到奇怪限制的波导。”

尽管他们实验的初衷是探索物理学中的奇异问题,但从中同样能获得一些实际的回报。用实验中收获的技巧,法乔的研究组正在尝试一种从真空中“挤压”出纠缠光子对的新方法,这种新近发现的现象被称为动态卡斯米尔效应(dynamical Casimir effect)。便宜而容易获得的纠缠光子将惠泽超安全量子通信技术。虽然现在纠缠光子已经用于交换信息,但产生它们还需要大型光学设备。

对法乔来说,探索和利用这类新现象,是类比的另一个引人入胜之处。它们可以超越火车模型那种仅仅对已知世界的模拟,真正的价值在于可以让我们置身无法到达的奇境,告诉我们哪些想法是正确的,哪些效应会真实发生。法乔说:“一旦证明它们存在,接下来你就可以问,‘我能拿它来干些什么?’”

于是,跟纯粹的模型爱好者相比,你已经向前迈进一小步了。

 

编译自:《新科学家》,A black hole in a bath: Big physics on a bench-top

编译自:Rhett Allain. Could Captain America Jump Without a Parachute? WIRED

“在经典理论中,什么都不能从黑洞中逃脱。”霍金对《自然》杂志说。然而量子理论却“意味着能量和信息能够逃离黑洞”。若要完满地解释这一过程,这位物理学家承认,人们需要一个能将引力和其他基本自然力统一起来的理论。然而这个目标已经令物理学家上下求索了接近一个世纪。“正确的解答,”霍金说,“依然是不解之谜。”

这种触类旁通研究物理的方法实际上由来已久。从古希腊时代开始,纯思辨式的思想实验就一直被用于探索物理理论会导致什么样的结果,或者产生什么样的矛盾,这种习惯一直延续到今天的量子和相对论时代。近些年来,威力强大的计算机又开辟出一条模拟物理过程的新路,通过运行一行行代码,来探索各种现象下隐藏的数学规律。

他落水时速度有多大?

美国队长跳出机舱之后,采用的便是跳伞运动员的标准自由落体姿态。在这种姿态下,他很快就会达到极限速度,这时向上的空气阻力在数值上等于向下的重力。对于采用这种姿态的普通跳伞运动员,我一直把极限速度设为大约120英里/小时(53.6米/秒)。因此,我们就假设这是他下落时的速度。

但是等一下!在自由下落的最后,他改变了姿态,好让脚先触水。

图片 4美国队长的跳伞姿态(左)和入水姿态(右)。嗯,美国队长的完美线条被简化了。图片来源:Rhett Allain

在第二种姿态下,他的横截面积减小,因而降低了空气阻力。这意味着他会再次加速。我不打算估算站立姿态的横截面积以及阻力系数,而是直接使用这个网站的数据——站立姿态下的极限速度是大约170英里/小时(76米/秒)。

但是他有时间到达新的极限速度吗?让我们假设他以53.6米/秒的速度进入站立姿态。我根据视频粗略的估计是入水之前他采用这个姿态大约4秒。

如果他确实到达了站立姿态的极限速度,那么下列等式将成立:

图片 5

因为我知道这个极限速度是多少,我便能够求出ρAC的值(ρ是空气密度)。我还需要一个数据——美国队长的质量。我要假设是90千克。那么式子将变形为:

图片 6

这时我就可以利用这个值来为美国队长改变姿态后的速度建模。由于空气阻力取决于他的速率,最简单的办法就是建立数值模型来计算他在这4秒之内的速度。

图片 7

这样算出来他的入水速度是67.2米/秒。哦,是的——他中间确实翻了个身,但是我不予考虑。他就是在耍帅而已。

火墙的困扰

霍金这项新的研究旨在解决所谓的黑洞火墙悖论。自打由凯维里研究所的理论物理学家约瑟夫•玻尔钦斯基(Joseph Polchinski)及其同事提出来,该悖论已经折磨了物理学家们差不多两年。

在一项思想实验中,研究者对一名不幸落入黑洞的宇航员的命运提出了追问。事件视界的存在是爱因斯坦广义相对论简单而直接的数学推论。1915年下半年,爱因斯坦发表广义相对论还不到1个月,德国天文学家卡尔•史瓦西(Karl Schwarzschild)便在写给爱因斯坦的一份信中指出了这一点。长久以来物理学家们一直认为,在这一场景中,宇航员在越过事件视界之时还是无忧无虑的,浑然不知即将到来的霉运。之后他被慢慢拉向中心,途中身体被拉伸得越来越细长,浑如一根兰州拉面。最终他将在奇点——理论上密度无穷大的黑洞中心——被压缩得无形无迹。

然而在细致分析这一情景时,玻尔钦斯基的团队做出了一个惊人的发现:描述小尺度粒子行为的量子理论将之前认为的情形完全改变了。他们说,量子理论决定了事件视界事实上必然是一个高能区域,或者说是一道会把宇航员烧成薯条的“火墙”。

结果是学界一片人心惶惶,因为火墙理论遵守了量子理论,却难与爱因斯坦的广义相对论兼容。根据广义相对论,自由跌落者感知到的物理定律在宇宙中的各处都应当是一致的,不管他是在落向黑洞还是飘行在空寂的星际空间。对爱因斯坦来说,事件视界实在是个平淡无奇的所在。

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