幾個世紀以來，宇宙一直吸引著人類的想象力，而在眾多天體現(xiàn)象中，很少有像黑洞那樣神秘莫測、引人入勝。這些時空區(qū)域的引力極其強大，以至于沒有任何東西可以逃脫。它的理論對應(yīng)物——白洞，雖然更具推測性，但也提出了一個同樣引人入勝的概念：排斥一切的區(qū)域，其事件視界無法從外部穿越。
雖然直接探測這些引力巨獸仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)，但最近在光子學(xué)領(lǐng)域的一項突破，通過創(chuàng)造一個“黑白引力洞的光學(xué)模擬”，為我們窺探其基本物理學(xué)提供了一個誘人的機會，正如發(fā)表在《Advanced Photonics》期刊上的一篇開創(chuàng)性論文所詳述的那樣。
要理解這種光學(xué)模擬的意義，首先必須了解它試圖模仿的引力實體。黑洞是愛因斯坦廣義相對論預(yù)測的，由大質(zhì)量恒星在自身引力作用下坍縮后的殘骸形成。黑洞的決定性特征是其事件視界，這是一個邊界，一旦越過，逃逸速度將超過光速。任何穿過這個視界的東西都不可避免地被吸引到黑洞中心的奇點。另一方面，白洞是黑洞的假想時間反演。黑洞吞噬一切，而白洞則被理論化為噴射物質(zhì)和能量。它們的事件視界充當(dāng)一個無法從外部進入的邊界，本質(zhì)上是宇宙噴泉。盡管白洞在理論上很有吸引力，但其存在尚未得到證實，這更增添了它們的神秘感。
與黑洞和白洞相關(guān)的極端條件使得直接觀測和實驗變得極其困難。這就是類比概念變得非常寶貴的地方。通過在不同的物理領(lǐng)域創(chuàng)建表現(xiàn)出相似行為的系統(tǒng)，科學(xué)家可以深入了解支配這些現(xiàn)象的基本原理。多年來，人們已經(jīng)在各種系統(tǒng)中探索了黑洞的類似物，包括流體動力學(xué)、聲學(xué)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)和光學(xué)。這些類似物使研究人員能夠在受控的實驗室環(huán)境中研究諸如霍金輻射或波在事件視界附近的表現(xiàn)等現(xiàn)象。
論文《黑白引力洞的光學(xué)模擬》通過開發(fā)一種單一的光學(xué)設(shè)備，根據(jù)入射光的偏振狀態(tài)，可以模擬黑洞的光吸收特性和白洞的光排斥特性，從而使這種方法更進一步。這一非凡的成就得益于基于相干完美吸收和干涉原理的巧妙設(shè)計。該設(shè)備本質(zhì)上是由特定的光學(xué)元件排列組成，包括鏡子和一個薄吸收體，旨在操縱空間相干入射輻射的波前。
該設(shè)備功能的關(guān)鍵在于駐波的形成。當(dāng)特定偏振（例如，s偏振）的光入射到設(shè)備上時，它會發(fā)生干涉，從而在薄吸收體上建設(shè)性地形成駐波。這種建設(shè)性干涉導(dǎo)致相干完美吸收，這意味著幾乎所有這種偏振的入射光都被設(shè)備吸收，有效地模擬了黑洞的光捕獲特性。從外部觀察者來看，該設(shè)備看起來是黑暗的，仿佛吞噬了光線。
相反，當(dāng)正交偏振（p偏振）的光入射到同一設(shè)備上時，干涉圖案在薄吸收體的位置是破壞性的。這種破壞性干涉導(dǎo)致入射光幾乎完全被反射，仿佛遇到了一個無法穿透的屏障。這種行為與白洞的理論概念相符，白洞排斥任何試圖進入其事件視界的東西。實現(xiàn)這種偏振相關(guān)行為的關(guān)鍵因素是反射光束獲得的幾何相位，對于兩種偏振，幾何相位是不同的。
研究人員提供了這種光學(xué)黑白洞的實驗原理驗證。他們表明，對于一種線性偏振，該設(shè)備在很寬的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出高吸收率，而對于正交偏振，則表現(xiàn)出高反射率。這些實驗結(jié)果令人信服地證明了該設(shè)備作為光學(xué)黑洞和光學(xué)白洞的功能。此外，模擬結(jié)果也證實了這些發(fā)現(xiàn)，說明了黑洞類似物沒有反射，以及白洞類似物中駐波的形成。
這項研究的意義是多方面的。首先，它提供了一個有形的、易于訪問的平臺，用于研究與事件視界相關(guān)的基本物理學(xué)。雖然光學(xué)模擬是在電磁學(xué)原理而非引力作用下運行的，但在光的吸收和反射方面的類似行為使得研究人員能夠探索諸如信息丟失或波與表現(xiàn)出單向滲透性的邊界的相互作用等概念。即使無法直接接觸這些天體，這也有可能為黑洞和白洞的復(fù)雜物理學(xué)帶來新的見解。
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