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物理学

研究人员观察到模拟黑洞中的静止霍金辐射
由英格丽(Ingrid Fadelli) 黑洞是太空中引力非常强的区域-如此之强,以至于没有任何东西能够进入其中,包括光。理论预测表明,黑洞周围有一个半径,称为事件视界。一旦事物超过了事件视界,它就再也无法逃脱黑洞,因为重力接近中心时会变得更强。 理论物理学家史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)预测,虽然没有任何东西可以从它们内部逸出,但黑洞会自发地发出有限的光,这就是霍金辐射。根据他的预测,这种辐射是自发的(即,它是一无所有),并且是固定的(即,其强度不会随时间变化很大)。 以色列以色列理工学院的研究人员最近进行了一项旨在检验霍金理论预测的研究。更具体地说,他们检查了在实验室环境中创建的“人造黑洞”中的霍金辐射是否相等。 进行这项研究的研究人员之一杰夫·斯坦豪(Jeff Steinhauer)对Phys表示:“如果进入事件视界,就连光也无法逃脱。” “鹰嘴辐射刚好在事件视界之外开始,光线几乎无法散发出去。这真是奇怪,因为那里什么都没有;它是空的空间。然而,这种辐射是从零开始的,出射并朝着地球传播。” Steinhauer和他的同事创造的人造黑洞长约0.1毫米,是由由8000个atoms原子组成的气体制成的,而atoms原子的数量相对较少。研究人员每次拍摄照片时,黑洞都会被破坏。为了观察其随时间的演变,他们必须制作黑洞,对其进行拍照,然后再创建一个黑洞。这个过程重复了很多次,持续了几个月。 研究人员创建的模拟黑洞。图片来源:Kolobov等。 模拟黑洞发出的霍金辐射是由声波而不是光波构成的。atoms原子的流动速度快于声速,因此声波无法到达事件视界并从黑洞逸出。但是,在事件范围之外,气体流动缓慢,因此声波可以自由移动。 Steinhauer解释说:“ The的流动速度比声音的速度快,这意味着声音不能逆流而行。” “假设您试图逆流而行。如果流过的速度快于可游泳的速度,那么您就无法前进,您会被推回去,因为水流的移动速度太快且方向相反,所以您就是卡住了。这就是卡在黑洞中,然后试图从内部到达事件视界的感觉。” 根据霍金的预测,黑洞发出的辐射是自发的。在之前的一项研究中,Steinhauer和他的同事们能够在他们的人造黑洞中证实这一预测。在他们的新研究中,他们着手研究黑洞发出的辐射是否也静止(即,如果它随时间保持不变)。 Steinhauer说:“黑洞应该像黑体一样辐射,这实际上是一个温暖的物体,它会发出恒定的红外辐射(即黑体辐射)。” “霍金建议黑洞就像规则的恒星一样,恒星一直不断地辐射某种类型的辐射。这就是我们想要在研究中证实的,并且我们做到了。” 霍金辐射由成对的光子(即光粒子)组成:一个从黑洞中射出,另一个从黑洞中回落。当试图确定他们创建的模拟黑洞发出的霍金辐射时,Steinhauer和他的同事因此寻找相似的声波对,一个来自黑洞,另一个进入其中。一旦他们确定了这些声波对,研究人员便试图确定它们之间是否存在所谓的相关性。 “我们必须收集大量数据才能看到这些相关性,” Steinhauer说。“因此,我们进行了97,000次重复实验;总共进行了124天的连续测量。” 总体而言,这一发现似乎证实了黑洞发出的辐射是固定的,正如霍金所预测的那样。尽管这些发现主要适用于他们创建的模拟黑洞,但理论研究可以帮助确认它们是否也可以应用于真实黑洞。 “我们的研究还提出了重要的问题,因为我们观察了模拟黑洞的整个寿命,这意味着我们也看到了霍金辐射是如何开始的,” Steinhauer说。“在未来的研究中,人们可以尝试将我们的结果与对真实黑洞中发生的情况的预测进行比较,以观察'真实的'霍金辐射是否从零开始,然后如我们所观察到的那样积累。” 在研究人员进行实验的某个时刻,围绕模拟黑洞的辐射变得非常强,因为黑洞形成了所谓的“内部视界”。除了事件视界之外,爱因斯坦的广义相对论还预测了这种存在内部视界的角度,黑洞内部的半径勾勒出一个更靠近其中心的区域。 在内部视界内部的区域中,重力的牵引力要低得多,因此物体能够自由移动,而不再被拉向黑洞的中心。但是,它们仍然无法离开黑洞,因为它们无法以相反的方向(即,朝向事件地平线)穿过内部地平线。 “从本质上讲,事件视界是黑洞的外层球体,在它的内部,有一个称为内层视界的小球体,” Steinhauer说。“如果您跌入内层视线,那么您仍然会陷于黑洞中,但至少您不会感到陷入黑洞中的怪异现象。您将处于一个'更'正常'的环境中,因为引力会降低,所以您不会再有这种感觉了。” 一些物理学家已经预测,当模拟黑洞形成内部视界时,其发射的辐射会变得更强。有趣的是,这正是Technion研究人员创建的模拟黑洞中发生的情况。因此,这项研究可能会激发其他物理学家研究内部视界的形成对黑洞霍金辐射强度的影响。 点击:查看更多物理文章 查看更多关于太空探索文章 使用双语译文翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于:phys
2021-02-20 18:24:31
接近地球的电子如何达到几乎光速?
How do electrons close to Earth reach almost the speed of light?接近地球的电子如何达到几乎光速? by Helmholtz Association of German Research Centres亥姆霍兹德国研究中心协会The contours in color show the intensities of the radiation belts. Grey lines show the trajectories of the relativistic electrons in the radiation belts. Concentric circular lines show the trajectory of scientific satellites traversing this dangerous region in space. Credit: Ingo Michaelis and Yuri Shprits, GFZ颜色轮廓显示了辐射带的强度。灰线显示了辐射带中相对论电子的轨迹。同心圆线表
2021-02-04 17:53:30
研究人员构建了比钢强的分子纳米纤维
麻省理工学院的 史蒂夫·纳迪斯(Steve Nadis)麻省理工学院的研究人员设计了添加水时能自发形成纳米带的小分子。这些分子在设计中包括一个由凯夫拉尔启发的“芳族聚酰胺”结构域,该结构域将每个分子固定在适当的位置,并产生比钢强的纳米带。此图描绘了三个凯夫拉尔启发的“芳族聚酰胺两亲”纳米带。信用:彼得·艾伦 自组装在自然世界中无处不在,是在每个生物体内形成有组织结构的途径。例如,当两条DNA链没有任何外部刺激或引导时结合形成双螺旋,或者当大量分子结合形成膜或其他重要的细胞结构时,就可以看到这种现象。一切都应运而生,而一个看不见的建筑商则不必一次将所有零件放在一起。在过去的几十年中,科学家和工程师一直在遵循自然界的先驱,设计能够在水中组装的分子,其目的是制造纳米结构,主要用于生物医学应用,例如药物输送或组织工程。麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)助理教授茱莉亚·奥托尼(Julia Ortony)解释说:“这些基于小分子的材料往往会很快降解,而且它们也是化学不稳定的。除去水,特别是当施加任何种类的外力时。”但是,她和她的团队设计了一种新型的小分子,它们以前所未有的强度自发组装成纳米带,将其结构保留在水外。Ortony及其合著者在1月21日的《自然纳米技术》中描述了这项多年努力的结果,可以激发广泛的应用。“这一开创性的工作通过高度受控的自组装产生了异常的机械性能,应该对该领域产生重大影响。”理化学研究所新兴物质科学中心副主任兼该化学和生物技术教授Taidako Aida教授断言。未参与研究的东京大学。MIT小组构建的材料(或更确切地说,允许其自身构建)是在细胞膜之后建模的。它的外部是“亲水的”,这意味着它喜欢在水中,而内部是“疏水的”,这意味着它要避免进水。Ortony评论说,这种构型“为自组装提供了驱动力”,因为分子的取向使其自身最小化了疏水区域与水之间的相互作用,因此呈纳米级形状。在这种情况下,形状是由水赋予的,通常整个结构在干燥时会塌陷。但是Ortony和她的同事们提出了一个防止这种情况发生的计划。当分子松散地结合在一起时,它们像流体一样快速移动。随着分子间力的强度增加,运动变慢并且分子呈固态。Ortony解释说,这个想法是“通过对单个分子进行小的修饰来减缓分子运动,这可能导致纳米结构性质的集体变化,并希望是戏剧性的变化。”博士Ty Christoff-Tempesta指出,减慢分子速度的一种方法。学生和该论文的第一作者,“是要使它们彼此之间的结合比在生物系统中更牢固。” 当密集的氢键网络将这些分子连接在一起时,就可以实现这一点。Christoff-Tempesta说:“这就是使像凯夫拉尔纤维那样的材料具有化学稳定性和强度的原因,这种材料由所谓的'芳族聚酰胺'构成。”Ortony的团队将这种能力纳入了其分子设计中,该分子具有三个主要成分:一个喜欢与水相互作用的外部部分,一个用于结合的芳族聚酰胺以及一个对水有强烈厌恶感的内部部分。研究人员测试了数十种满足这些标准的分子,然后发现了导致纳米级厚度的长条带的设计。然后,作者测量了纳米带的强度和刚度,以了解包括分子之间的芳纶样相互作用的影响。他们发现纳米带出奇的坚固-实际上比钢还要坚固。这一发现使作者想知道纳米带是否可以捆绑以生产稳定的宏观材料。Ortony的小组设计了一种策略,将对齐的纳米带拉成可以干燥和处理的长线。值得注意的是,Ortony的团队表明,这些线可以承受自身重量的200倍,并且具有非常高的表面积-每克材料200平方米。Christoff-Tempesta解释说:“这种高的表面质量比为通过减少化学物质而进行更多化学反应提供了使技术小型化的希望。” 为此,他们已经开发出纳米带,其表面涂有可以将重金属(例如铅或砷)从污染水中拉出的分子。对于Ortony而言,他们仍然能够实现其最初的研究目标“调整物质的内部状态以创建异常强大的分子纳米结构”仍然感到惊讶。事情很容易就相反了。这些材料可能被证明是杂乱无章的,或者它们的结构像它们的前辈一样脆弱,只能滞留在水中。但是,她说:“我们很高兴看到我们对分子结构的修饰确实被分子的集体行为所放大,从而创建了具有极其强大的机械性能的纳米结构。下一步,找出最重要的应用,将是令人兴奋的。” 推荐文献文章:切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响点击:查看更多物理学文章 查看其它分类文章 使用文档翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-02-03 20:22:11
​物理学家为单光子开发了创纪录的光源
Physicists develop record-breaking source for single photons物理学家为单光子开发了创纪录的光源by University of Basel巴塞尔大学The new single-photon source is based on excitation of a quantum dot (shown as a bulge on the bottom left), which then emits photons. A micro-cavity ensures that the photons are guided into an optical fiber and emerge at its end. Credit: University of Basel, Department of Physics新的单光子源基于量子点的激发(在左下角显示为凸起),然后发射光子。微腔确保将光子导入光纤并在其末端出射。图片来源:巴塞尔大学物理系 Researchers at the University of Basel and Ruhr University Bochum have developed a source of single photons that can produce billions of these quantum particles per second. With its record- breaking efficiency, the photon source represents a new and powerful building-block for quantum technologies.巴塞尔大学和波鸿鲁尔大学的研究人员已经开发出一种单光子源,每秒可以产生数十亿个这样的量子粒子。光子源凭借其破纪录的效率,代表了量子技术的一个强大的新组成部分。Quantum cryptography promises absolutely secure communications. A key component here are strings of single photons. Information can be stored in the quantum states of these light particles and transmitted over long distances. In the future, remote quantum processors will communicate with each other via single photons. And perhaps the processor itself will use photons as quantum bits for computing.量子密码术保证绝对安全的通信。这里的关键组件是单光子串。信息可以存储在这些光粒子的量子状态中,并可以长距离传输。将来,远程量子处理器将通过单个光子相互通信。也许处理器本身将使用光子作为计算的量子位。A basic prerequisite for such applications, however, is an efficient source of single photons. A research team led by Professor Richard Warburton, Natasha Tomm and Dr. Alisa Javadi from the University of Basel, together with colleagues from Bochum, now reports in the journal Nature Nanotechnology on the development of a single-photon source that significantly surpasses previously known systems in terms of efficiency.但是,此类应用的基本先决条件是有效的单光子源。由巴塞尔大学的Richard Warburton教授,Natasha Tomm和Alisa Javadi博士以及Bochum的同事领导的研究小组现在在《自然纳米技术》杂志上报道了单光子源的发展,该光子源的发展大大超越了先前已知的系统在效率方面。 "Funnel" guides light particles“漏斗”引导轻粒子Each photon is created by exciting a single "artificial atom" (a quantum dot) inside a semiconductor. Usually, these photons leave the quantum dot in all possible directions and thus a large fraction is lost. In the photon source now presented, the researchers have solved this problem by positioning the quantum dot inside a "funnel" to send all photons in a specific direction.通过激发半导体内部的单个“人工原子”(量子点)来创建每个光子。通常,这些光子在所有可能的方向上离开量子点,因此损失了很大一部分。在现在提出的光子源中,研究人员通过将量子点放置在“漏斗”中以将所有光子按特定方向发送来解决了这个问题。The funnel is a novel micro-cavity that represents the real innovation of the research team: The micro-cavity captures almost all of the photons and then directs them into an optical fiber. The photons, each about two centimeters long, emerge at the end of an optical fiber.漏斗是一种新颖的微腔,代表了研究团队的真正创新:微腔捕获几乎所有的光子,然后将它们引导到光纤中。每个大约两厘米长的光子出现在光纤的末端。The efficiency of the entire system—that is, the probability that excitation of the quantum dot actually results in a usable photon—is 57 percent, more than double that of previous single- photon sources. "This is a really special moment," explains lead author Richard Warburton. "We've known for a year or two what's possible in principle. Now we've succeeded in putting our ideas into practice."整个系统的效率(即量子点的激发实际上产生可用光子的概率)为57%,是以前的单光子源的两倍以上。主要作者理查德·沃伯顿(Richard Warburton)解释说:“这是一个非常特殊的时刻。 “我们已经知道原则上可能的一两年了。现在我们已经成功地将我们的想法付诸实践。” Enormous increase in computing power极大地提高了计算能力The increase in efficiency has significant consequences, Warburton adds: "increasing the efficiency of single photon creation by a factor of two adds up to an overall improvement of a factor of one million for a string of, say, 20 photons. In the future, we'd like to make our single- photon source even better: We'd like to simplify it and pursue some of its myriad applications in quantum cryptography, quantum computing and other technologies."Warburton补充说,效率的提高将产生重大后果:“将单个光子的创建效率提高两倍,一串20个光子的总效率将提高一百万。在未来,我们希望使我们的单光子源更好:我们希望简化它,并在量子密码学,量子计算和其他技术中追求其无数的应用。”点击:查看更多物理学文章 查看更多分类文章 使用双语译文翻译免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:Phys
2021-02-03 20:16:05
碳的压力是地球核心压力的5倍,打破了晶体形成记录
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的 布雷安娜·毕晓普(Breanna Bishop) 艺术家绘制的55 Cancri e(富含碳的系外行星)的渲染图。在实验室环境中,通过NIF的发现科学计划进行的实验首次达到了与了解占据这些系外行星内部碳的结构有关的极端压力。图片来源:ESA / Hubble / M。康美瑟 碳是宇宙中第四大最丰富的元素,是所有已知生命的基石,也是位于富含碳的系外行星内部的一种物质。几十年来,科学家的大量研究表明,碳的晶体结构对其性能具有重大影响。除了在常压下发现的最常见的碳结构即石墨和金刚石外,科学家还预测了在高于1000吉帕斯卡(GPa)的压力下可以发现的几种新碳结构。这些压力大约是地球核心压力的2.5倍,与模拟系外行星内部有关,但在实验室中无法实现。也就是说,直到现在。根据发现科学计划,学术科学家可以使用LLNL的旗舰国家点火装置(NIF),由LLNL和牛津大学领导的国际研究人员团队成功地测量了压力达到2,000 GPa(地球压力的5倍)的碳。芯),几乎是直接探测晶体结构的最大压力的两倍。该结果今天在《自然》杂志上发表。LLNL物理学家艾米·
2021-01-29 19:25:31
引导单个离子通过Bose-Einstein冷凝物
Researchers guide a single ion through a Bose-Einstein condensate研究人员引导单个离子通过Bose-Einstein冷凝物by University of Stuttgart斯图加特大学The path of the positively charged ion (yellow) through the BEC (green) can still only be depicted artistically. An ion microscope currently being developed at the Fifth Institute of Physics at the University of Stuttgart will make this path directly visible with a resolution of less than 200 nanometers. Credit: University of Stuttgart/PI5, Celina Brandes 带正电的离子(黄
2021-01-26 19:46:24
破纪录激光链路可为国际射电中心提供爱因斯坦理论检验
Record-breaking laser link could provide test of Einstein's theory by International Centre for Radio Astronomy Research打破纪录的激光链路可以为国际射电天文学研究中心提供爱因斯坦理论的检验由国际射电天文学研究中心提供 UWA's rooftop observatory. Credit: ICRAR西澳大学的屋顶天文台。信用:ICRAR Scientists from the International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) and the University of Western Australia (UWA) have set a world record for the most stable transmission of a laser signal through the atmosphere.国际射电天文学研究中心(ICRAR)和西澳大利亚大学(UWA)的科学家为激光信号在大气中的最稳定传输创造了世界纪录。In a study published today in the journal Nature Communications, Australian researchers teamed up with researchers from the French National Centre for Space Studies (CNES) and the French metrology lab Systèmes de Référence Temps-Espace (SYRTE) at Paris Observatory.在今天发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中,澳大利亚研究人员与来自法国国家太空研究中心(CNES)和法国巴黎天文台空间实验室SystèmesdeRéférenceTemps-Espace(SYRTE)的研究人员合作。The team set the world record for the most stable laser transmission by combining the Aussies' phase stabilization technology with advanced self-guiding optical terminals. Together, these technologies allowed laser signals to be sent from one point to another without interference from the atmosphere.该团队结合了澳大利亚的相位稳定技术和先进的自导光学终端,创造了最稳定的激光传输世界纪录。这些技术一起使激光信号可以从一个点发送到另一点,而不受大气干扰。Lead author Benjamin Dix-Matthews, a Ph.D. student at ICRAR and UWA, said the technique effectively eliminates atmospheric turbulence. "We can correct for atmospheric turbulence in 3-D, that is, left-right, up-down and, critically, along the line of flight," he said. "It's as if the moving atmosphere has been removed and doesn't exist. It allows us to send highly stable laser signals through the atmosphere while retaining the quality of the original signal."主要作者本杰明·迪克斯·马修斯(Benjamin Dix-Matthews),博士学位。 ICRAR和UWA的一名学生说,该技术有效地消除了大气湍流。他说:“我们可以校正3-D的大气湍流,即左右,上下,关键是沿着飞行路线。” “好像移动的气氛已经被去除并且不存在。它使我们能够通过大气发送高度稳定的激光信号,同时保持原始信号的质量。”The result is the world's most precise method for comparing the flow of time between two separate locations using a laser system transmitted through the atmosphere.结果是世界上最精确的方法,它使用通过大气传输的激光系统比较两个单独位置之间的时间流。One of the self-guiding optical terminals on its telescope mount on the roof of a building at the CNES campus in Toulouse. Credit: ICRAR/ UWA望远镜上的一个自导光学终端安装在图卢兹CNES校园的一栋建筑物的屋顶上。信用:ICRAR / UWAICRAR-UWA senior researcher Dr. Sascha Schediwy said the research has exciting applications. "If you have one of these optical terminals on the ground and another on a satellite in space, then you can start to explore fundamental physics," he said. "Everything from testing Einstein's theory of general relativity more precisely than ever before, to discovering if fundamental physical constants change over time."ICRAR-UWA高级研究员Sascha Schediwy博士说,这项研究具有令人兴奋的应用。他说:“如果将这些光学终端中的一个放置在地面上,将另一个放置在太空中,则可以开始探索基本物理原理。” “从比以往任何时候都更精确地测试爱因斯坦的广义相对论,到发现基本物理常数是否随时间变化的一切。”The technology's precise measurements also have practical uses in earth science and geophysics. "For instance, this technology could improve satellite-based studies of how the water table changes over time, or to look for ore deposits underground," Dr. Schediwy said.该技术的精确测量在地球科学和地球物理学中也有实际应用。 Schediwy博士说:“例如,这项技术可以改善基于卫星的地下水位随时间变化的研究,或者寻找地下的矿床。”There are further potential benefits for optical communications, an emerging field that uses light to carry information. Optical communications can securely transmit data between satellites and Earth with much higher data rates than current radio communications.光通信还有一个潜在的好处,光通信是一个新兴的领域,使用光来承载信息。光通信可以安全地在卫星和地球之间传输数据,其数据速率比当前的无线电通信要高得多。"Our technology could help us increase the data rate from satellites to ground by orders of magnitude," Dr. Schediwy said. "The next generation of big data-gathering satellites would be able to get critical information to the ground faster."Schediwy博士说:“我们的技术可以帮助我们将卫星到地面的数据速率提高几个数量级。” “下一代大数据收集卫星将能够更快地将关键信息传递到地面。”The phase stabilization technology behind the record-breaking link was originally developed to synchronize incoming signals for the Square Kilometer Array telescope. The multi-billion-dollar telescope is set to be built in Western Australia and South Africa from 2021.打破记录的链路背后的相位稳定技术最初是为了使平方公里阵列望远镜的输入信号同步而开发的。这项价值数十亿美元的望远镜将于2021年在西澳大利亚和南非建造。 点击:查看更多物理学文章 查看更多双语译文文章 免费试用文档翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-01-25 19:56:48
超导体中的光控希格斯模式;电位传感器,计算用途
Light-controlled Higgs modes found in superconductors; potential sensor, computing uses超导体中的光控希格斯模式;电位传感器,计算用途by Iowa State University爱荷华州立大学This illustration shows light at trillions of pulses per second (red flash) accessing and controlling Higgs modes (gold balls) in an iron- based superconductor. Even at different energy bands, the Higgs modes interact with each other (white smoke). Credit: Illustration courtesy of Jigang Wang.该图显示了以铁为基础的超导体中每秒访问和控制希格斯模式(金球)的每秒万亿个脉冲的光(红色闪光)。即使在不同的能带
2021-01-23 17:00:01
我们可以利用黑洞中的能量吗?
Could we harness energy from black holes?我们可以利用黑洞中的能量吗?by Carla Cantor, Columbia University哥伦比亚大学卡拉·坎特 Plasma close to the event horizon about to be devoured by a rotating black hole. Credit: Classical And Quantum Gravity, 2015. Reproduced By Permission of IOP Publishing接近事件视界的等离子体将被旋转的黑洞吞噬。图片来源:Classic and Quantum Gravity,2015年。A remarkable prediction of Einstein's theory of general relativity—the theory that connects space, time, and gravity—is that rotating black holes have enormous amounts of energy available to be tapped.爱因斯坦的广义相对论(将空间,时间和引力联系起来的理论)的一个杰出预言是,旋转的黑洞有大量可利用的能量。For the last 50 years, scientists have tried to come up with methods to unleash this power. Nobel physicist Roger Penrose theorized that a particle disintegration could draw energy from a black hole; Stephen Hawking proposed that black holes could release energy through quantum mechanical emission; while Roger Blandford and Roman Znajek suggested electromagnetic torque as a main agent of energy extraction.在过去的50年中,科学家们试图想出释放这种力量的方法。诺贝尔物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出了一种理论,即粒子崩解可能会从黑洞中吸收能量。史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出黑洞可以通过量子机械发射来释放能量。而罗杰·布兰福德(Roger Blandford)和罗曼·扎纳克(Roman Znajek)则建议将电磁转矩作为能量提取的主要手段。Now, in a study published in the journal Physical Review D, physicists Luca Comisso from Columbia University and Felipe Asenjo from Universidad Adolfo Ibanez in Chile, found a new way to extract energy from black holes by breaking and rejoining magnetic field lines near the event horizon, the point from which nothing, not even light, can escape the black hole's gravitational pull.现在,在《物理评论D》(Physical Review D)杂志上发表的一项研究中,哥伦比亚大学的物理学家Luca Comisso和智利阿道夫·伊巴内斯大学的Felipe Asenjo找到了一种新的方法,可以通过打破并重新结合事件视界附近的磁场线来从黑洞中提取能量。 ,一点,甚至没有光都无法逃离黑洞的引力。"Black holes are commonly surrounded by a hot 'soup' of plasma particles that carry a magnetic field," said Luca Comisso, research scientist at Columbia University and first author on the study.哥伦比亚大学研究科学家,该研究的第一作者卢卡·科米索(Luca Comisso)表示:“黑洞通常被带有磁场的等离子颗粒的热'汤'包围着。”"Our theory shows that when magnetic field lines disconnect and reconnect, in just the right way, they can accelerate plasma particles to negative energies and large amounts of black hole energy can be extracted."“我们的理论表明,当磁场线以正确的方式断开和重新连接时,它们可以将等离子体粒子加速为负能量,并且可以提取出大量的黑洞能量。”This finding could allow astronomers to better estimate the spin of black holes, drive black hole energy emissions, and might even provide a source of energy for the needs of an advanced civilization, Comisso said.Comisso说,这一发现可以使天文学家更好地估计黑洞的自旋,驱动黑洞的能量排放,甚至可以为先进文明的需求提供能量来源。Comisso and Asenjo built their theory on the premise that reconnecting magnetic fields accelerates plasma particles in two different directions. One plasma flow is pushed against the black hole's spin, while the other is propelled in the spin's direction and can escape the clutches of the black hole, which releases power if the plasma swallowed by the black hole has negative energy.Comisso和Asenjo建立理论的前提是重新连接磁场会在两个不同的方向上加速等离子体粒子。一种等离子流被推向黑洞的自旋,而另一种则沿自旋的方向推进,可以逃离黑洞的离合器,如果黑洞吞下的等离子具有负能量,则释放动力。"It is like a person could lose weight by eating candy with negative calories," said Comisso, who explained that essentially a black hole loses energy by eating negative- energy particles. "This might sound weird," he said, "but it can happen in a region called the ergosphere, where the spacetime continuum rotates so fast that every object spins in the same direction as the black hole."Comisso说:“就像一个人通过吃负热量的糖果可以减轻体重一样。”他解释说,黑洞本质上是通过吃负能量粒子而失去能量的。他说:“这听起来可能很奇怪,但是它可能发生在一个称为“遍及地球”的区域,在该区域中,时空连续体旋转得如此之快,以至于每个物体都以与黑洞相同的方向旋转。”Inside the ergosphere, magnetic reconnection is so extreme that the plasma particles are accelerated to velocities approaching the speed of light.在人体工圈内部,磁性重新连接非常极端,以致等离子体粒子被加速到接近光速的速度。Asenjo, professor of physics at the Universidad Adolfo Ibáñez and coauthor on the study, explained that the high relative velocity between captured and escaping plasma streams is what allows the proposed process to extract massive amounts of energy from the black hole.阿道夫·伊巴涅斯大学的物理学教授,该研究的合著者阿森霍解释说,被捕获和逃逸的等离子体流之间的高相对速度是使拟议的过程能够从黑洞中提取大量能量的原因。"We calculated that the process of plasma energization can reach an efficiency of 150 percent, much higher than any power plant operating on Earth," Asenjo said. "Achieving an efficiency greater than 100 percent is possible because black holes leak energy, which is given away for free to the plasma escaping from the black hole."“我们计算出,等离子体通电过程的效率可以达到150%,远高于地球上运行的任何发电厂,” Asenjo说。 “由于黑洞会泄漏能量,因此有可能获得大于100%的效率,而能量会免费释放给从黑洞逸出的等离子体。”The process of energy extraction envisioned by Comisso and Asenjo might be already operating in a large number of black holes. That may be what is driving black hole flares—powerful bursts of radiation that can be detected from Earth.Comisso和Asenjo设想的能量提取过程可能已经在大量黑洞中运行。这可能是造成黑洞耀斑的原因-可以从地球探测到的强大的辐射爆发。"Our increased knowledge of how magnetic reconnection occurs in the vicinity of the black hole might be crucial for guiding our interpretation of current and future“我们对黑洞附近如何发生磁重新连接的了解增加,对于指导我们对当前和未来的解释至关重要。telescope observations of black holes, such as the ones by the Event Horizon Telescope," Asenjo said.望远镜观测黑洞,例如事件地平线望远镜的黑洞。”While it may sound like the stuff of science fiction, mining energy from black holes could be the answer to our future power needs.虽然这听起来像是科幻小说,但从黑洞中开采能量可能会满足我们未来的电力需求。"Thousands or millions of years from now, humanity might be able to survive around a black hole without harnessing energy from stars," Comisso said. "It is essentially a technological problem. If we look at the physics, there is nothing that prevents it."科米索说:“从现在起的数千年或数百万年中,人类可能能够在不利用恒星能量的情况下在黑洞附近生存。” “这本质上是一个技术问题。如果我们看物理学,没有什么可以阻止它的。”The study, Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes, was funded by the National Science Foundation's Windows on the Universe initiative, NASA, and Chile's National Fund for Scientific and Technological Development.这项名为“磁重连接作为从旋转黑洞中提取能量的机制的研究”,是由美国国家科学基金会的“宇宙之窗”计划,美国国家航空航天局和智利国家科学和技术发展基金会资助的。Vyacheslav (Slava) Lukin, a program director at NSF, said the Foundation aims to catalyzes new theoretical efforts based on frontier observations at facilities such as the EHT, bringing together theoretical physics and observational astronomy under one roof.NSF的项目主管Vyacheslav(Slava)Lukin表示,基金会的目标是基于EHT等设施的前沿观测,促进新的理论工作,将理论物理学和观测天文学融合在一起。"We look forward to the potential translation of seemingly esoteric studies of black hole astrophysics into the practical realm," Lukin said.卢金说:“我们期待着将黑洞天体物理学似乎深奥的研究潜在地转化为实际领域。”"The ideas and concepts discussed in this work are truly fascinating," said Vyacheslav (Slava) Lukin, a program director at the National Science Foundation. He said NSF aims to catalyze new theoretical efforts based on frontier observations, bringing together theoretical physics and observational astronomy under one roof.国家科学基金会项目负责人维亚切斯拉夫(Slava)卢金说:“这项工作中讨论的想法和概念确实令人着迷。”他说,国家科学基金会的目的是基于前沿观测,促进新的理论工作,将理论物理学和观测天文学融合在一起。"We look forward to the potential translation of seemingly esoteric studies of black hole astrophysics into the practical realm," he added.他补充说:“我们期待将似乎深奥的黑洞天体物理学研究转化为实际领域。”点击:查看更多双语译文文章 查看更多物理学文章 使用双语译文翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2021-01-17 18:05:44
一维量子气体中物质的新状态
New state of matter in one-dimensional quantum gas一维量子气体中物质的新状态by Stanford University斯坦福大学Credit: CC0 Public Domain信用:CC0公共领域As the story goes, the Greek mathematician and tinkerer Archimedes came across an invention while traveling through ancient Egypt that would later bear his name. It was a machine consisting of a screw housed inside a hollow tube that trapped and drew water upon rotation. Now, researchers led by Stanford University physicist Benjamin Lev have developed a quantum version of Archimedes' screw that, instead of water, hauls fragile collections of gas atoms to higher and higher energy states without collapsing. Their discovery is detailed in a paper published Jan. 14in Science.随着故事的发展,希腊数学家和修补匠阿基米德在穿越古埃及时遇到了一项发明,后来以他的名字命名。这是一台机器,由一个装在空心管内的螺钉组成,该空心管在旋转时捕获并吸水。现在,由斯坦福大学物理学家本杰明·列夫(Benjamin Lev)领导的研究人员开发出了阿基米德螺杆的量子版本,该螺杆代替水将脆弱的气体原子集牵引到越来越高的能态而不会塌陷。 1月14日在《科学》杂志上发表的一篇论文中详细介绍了他们的发现。"My expectation for our system was that the stability of the gas would only shift a little," said Lev, who is an associate professor of applied physics and of physics in the School of Humanities and Sciences at Stanford. "I did not expect that I would see a dramatic, complete stabilization of it. That was beyond my wildest conception."斯坦福大学人文与科学学院应用物理学和物理学副教授列夫说:“我对我们的系统的期望是气体的稳定性只会发生一点变化。” “我没想到我会看到它的戏剧性,完全稳定。这超出了我最疯狂的构想。”Along the way, the researchers also observed the development of scar states— extremely rare trajectories of particles in an otherwise chaotic quantum system in which the particles repeatedly retrace their steps like tracks overlapping in the woods. Scar states are of particular interest because they may offer a protected refuge for information encoded in a quantum system. The existence of scar states within a quantum system with many interacting particles—known as a quantum many-body system—has only recently been confirmed. The Stanford experiment is the first example of the scar state in a many-body quantum gas and only the second ever real-world sighting of the phenomenon.在研究过程中,研究人员还观察到了疤痕状态的发展,这种情况是粒子在极其混乱的量子系统中极为罕见的轨迹,在这种量子系统中,粒子反复地回溯其步伐,就像在树林中重叠的轨迹一样。疤痕状态特别令人感兴趣,因为它们可以为量子系统中编码的信息提供受保护的避难所。直到最近才确认具有多个相互作用粒子的量子系统中存在的疤痕状态(称为量子多体系统)。斯坦福大学的实验是多体量子气体中疤痕状态的第一个例子,而在现实世界中仅第二次看到该现象。Super and stable超级稳定Lev specializes in experiments that extend our understanding of how different parts of a quantum many-body system settle into the same temperature or thermal equilibrium. This is an exciting area of investigation because resisting this so-called "thermalization" is key to creating stable quantum systems that could power new technologies, such as quantum computers.Lev专门从事实验,这些实验扩展了我们对量子多体系统的不同部分如何沉降到相同温度或热平衡的理解。这是一个令人兴奋的研究领域,因为抵制这种所谓的“热化”是创建稳定的量子系统的关键,该系统可以为新技术提供动力,例如量子计算机。In this experiment, the team explored what would happen if they tweaked a very unusual many-body experimental system, called a super Tonks-Girardeau gas. These are highly excited one-dimensional quantum gases—atoms in a gaseous state that are confined to a single line of movement—that have been tuned in such a way that their atoms develop extremely strong attractive forces to one another. What's super about them is that, even under extreme forces, they theoretically should not collapse into a ball-like mass (like normal attractive gases will). However, in practice, they do collapse because of experimental imperfections. Lev, who has a penchant for the strongly magnetic element dysprosium, wondered what would happen if he and his students created a super Tonks-Girardeau gas with dysprosium atoms and altered their magnetic orientations 'just so.' Perhaps they would resist collapse just a little bit better than nonmagnetic gases?在这个实验中,研究小组探索了如果调整一个非常不寻常的多体实验系统(称为超级唐克斯-吉拉多气体)会发生什么。这些是高度激发的一维量子气体(一种处于气态的原子,仅局限在一条运动线上),其调谐方式使它们的原子彼此产生极强的吸引力。它们的优点在于,即使在极端力的作用下,它们在理论上也不应坍塌成球形(就像正常的吸引气体一样)。但是,实际上,由于实验的不完善,它们的确会崩溃。对强磁性元素有兴趣的列夫(Lev)想知道,如果他和他的学生用with原子创建超级的唐克斯-吉拉多(Tonks-Girardeau)气体,并且“如此改变”它们的磁取向,将会发生什么。也许它们会比非磁性气体更好地抵抗崩溃?"The magnetic interactions we were able to add were very weak compared to the attractive interactions already present in the gas. So, our expectations were that not much would change. We thought it would still collapse, just not quite so readily." said Lev, who is also a member of Stanford Ginzton Lab and Q-FARM. "Wow, were we wrong."“与气体中已经存在的有吸引力的相互作用相比,我们能够添加的磁性相互作用非常弱。因此,我们的期望是不会有太大变化。我们认为它仍然会崩溃,只是不太容易。”列夫说,他也是斯坦福·金兹顿实验室和Q-FARM的成员。 “哇,我们错了吗?”Their dysprosium variation ended up producing a super Tonks-Girardeau gas that remained stable no matter what. The researchers flipped the atomic gas between the attractive and repulsive conditions, elevating or "screwing" the system to higher and higher energy states, but the atoms still didn't collapse.他们的变化最终产生了无论如何都保持稳定的超级Tonks-Girardeau气体。研究人员在吸引和排斥条件之间翻转了原子气体,将系统提升或“旋动”到越来越高的能量状态,但是原子仍然没有崩溃。Building from the foundation从基础建设While there are no immediate practical applications of their discovery, the Lev lab and their colleagues are developing the science necessary to power that quantum technology revolution that many predict is coming. For now, said Lev, the physics of quantum many-body systems out of equilibrium remain consistently surprising.尽管他们的发现没有立即的实际应用,但Lev实验室及其同事正在开发必要的科学,以推动许多人预言的量子技术革命。列夫说,目前,不平衡的量子多体系统的物理学始终令人惊讶。"There's no textbook yet on the shelf that you can pull off to tell you how to build your own quantum factory," he said. "If you compare quantum science to where we他说:“书架上还没有教科书可供您介绍如何建立自己的量子工厂。” “如果将量子科学与我们的研究进行比较were when we discovered what we needed to know to build chemical plants, say, it's like we're doing the late 19th-century work right now."是当我们发现建造化工厂所需的知识时,例如,这就像我们现在正在做19世纪晚期的工作一样。”These researchers are only beginning to examine the many questions they have about their quantum Archimedes' screw, including how to mathematically describe these scar states and if the system does thermalize—which it must eventually—how it goes about doing that. More immediately, they plan to measure the momentum of the atoms in the scar states to begin to develop a solid theory about why their system behaves the way it does.这些研究人员才刚刚开始研究关于量子阿基米德螺杆的许多问题,包括如何以数学方式描述这些疤痕状态以及系统是否确实热化(最终必须这样做)如何进行。更直接地,他们计划测量疤痕状态下原子的动量,以开始发展关于其系统为何如此行为的可靠理论。The results of this experiment were so unanticipated that Lev says he can't strongly predict what new knowledge will come from deeper inspection of the quantum Archimedes' screw. But that, he points out, is perhaps experimentalism at its best.这个实验的结果是出乎意料的,以至于列夫说,他无法强有力地预测,对量子阿基米德螺杆的更深入检查将带来什么新知识。但他指出,这也许是最好的实验主义。"This is one of the few times in my life where I've actually worked on an experiment that was truly experimental and not a demonstration of existing theory. I didn't know what the answer would be beforehand," said Lev. "Then we found something that was truly new and unexpected and that makes me say, 'Yay experimentalists!'"列夫说:“这是我一生中几次真正从事实验的实验之一,而不是对现有理论的真实证明。我不知道答案是什么。” “然后,我们发现了一些真正新的和出乎意料的东西,这让我说,是的实验主义者!'” 点击:查看更多双语译文文章 使用双语译文翻译功能 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。 来源于:phys
2021-01-16 18:05:38
在绝缘子中发现量子行为表明可能存在新粒子
Discovery of quantum behavior in insulators suggests possible new particle在绝缘子中发现量子行为表明可能存在新粒子by Tom Garlinghouse, Princeton University普林斯顿大学汤姆·加林豪斯(Tom Garlinghouse) A team led by Princeton physicists discovered a surprising quantum phenomenon in an atomically thin insulator made of tungsten ditelluride. The results suggest the formation of completely new types of quantum phases previously hidden in insulators. Credit: Kai Fu for the Wu Lab, Princeton University由普林斯顿物理学家领导的一个小组在由二碲化钨制成的
2021-01-12 20:41:51
极有希望在下一代能源材料中形成的极化子
SLAC国家加速器实验室的 Glennda Chui 上图显示了极化子-消除了材料原子晶格中的扭曲-在有前途的下一代能源材料铅杂钙钛矿中。SLAC和斯坦福大学的科学家首次观察到这些畸变的“气泡”是如何在电荷载子周围形成的,这些载流子是由光脉冲释放的电子和空穴,在此处显示为亮点。这个过程可能有助于解释为什么电子在这些材料中如此高效地传播,从而导致高太阳能电池性能。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室 极化子在材料的原子晶格中短暂地扭曲,这些畸变在移动的电子周围以几万亿分之一秒的速度形成,然后迅速消失。它们虽然短暂,但它们会影响材料的行为,甚至可能是用铅钙钛矿制成的太阳能电池在实验室中获得极高效率的原因。现在,能源部的SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家首次使用该实验室的X射线激光观察和直接测量极化子的形成。他们今天在《自然材料》中报告了他们的发现。斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的研究人员亚伦·林登伯格(Aaron Lindenberg)表示:“由于这些材料的高效率和低成本,它们已经席卷了太阳能研究领域,但人们仍在争论它们
2021-01-05 18:05:00
现在可以大规模生产原子级纳米线
东京都立大学 (a)TMC纳米线的图示(b)化学气相沉积。成分在氢气/氮气气氛中蒸发,使其沉积并自组装在基材上。经Ref。许可转载。1分:版权2020美国化学学会(ACS)东京城市大学的研究人员发现了一种使用化学气相沉积技术大规模制造过渡金属硫族化物自组装纳米线的方法。通过改变形成导线的基板,它们可以调整这些导线的排列方式,从原子薄板的对齐配置到成束的随机网络。这为在下一代工业电子产品中的工业部署铺平了道路,包括能量收集以及透明,高效,甚至灵活的设备。电子技术就是要使事物变得更小—例如,芯片上的较小功能意味着在相同的空间中拥有更多的计算能力和更高的效率,这对于满足由机器学习和人工智能提供动力的现代IT基础架构日益增长的繁重需求至关重要。随着设备的小型化,对复杂的接线也提出了相同的要求,这些接线将所有东西绑在一起。最终目标将是仅是一两个原子的粗细的导线。随着穿过它们的电子的行为越来越像它们生活在一维世界而不是3D世界中,这种纳米线将开始利用完全不同的物理学。实际上,科学家已经拥有诸如碳纳米管和过渡金属硫族化物(TMC),过渡金属和能够自组装成原子级纳米线的16族元素的混合物之类的材料。问题在于使它们足够长且足够大。大规模生产纳米线的一种方式将改变游戏规则。现在,由东京都市大学的Hong En Lim博士和Yasumitsu Miyata副教授领导的团队提出了一种以前所未有的大规模制造长过渡金属碲化物纳米线的方法。使用称为化学气相沉积的过程(CVD),他们发现可以根据用作模板的表面或基材以不同的排列方式组装TMC纳米线。示例如图2所示。在(a)中,生长在硅/二氧化硅衬底上的纳米线形成了随机的束网络;在(b)中,导线按照设定的方向按照下面的蓝宝石晶体的结构组装在蓝宝石衬底上。通过简单地改变它们的生长位置,团队现在可以访问以所需排列方式覆盖的厘米级晶圆,包括单层,双层和束状网络,所有这些都具有不同的应用。他们还发现,导线本身的结构是高度结晶且有序的,其性能(包括出色的导电性和类似一维的行为)与理论预测中的相符。 (a)在硅/二氧化硅晶片上生长的纳米线的扫描电子显微镜照片。(b)在晶体蓝宝石衬底上生长的纳米线的原子力显微镜图像。(c)对齐导线的扫描透射电子显微镜图像。(d)从末端看,单根TMC纳米线的扫描透射电子显微镜图像,并带有结构示意图。经Ref。许可转载。1个学分:美国化学学会(ACS)拥有大量的长且高度结晶的纳米线肯定可以帮助物理学家更深入地表征和研究这些奇异的结构。重要的是,这是朝着在透明灵活的电子设备,超高效设备和能量收集应用中看到原子细线的实际应用迈出的令人兴奋的一步。 (左)(a)图示了在基板上组装的不同形式的TMC。(b)纳米线单层,(c)纳米线双层和(d)3D束的透射电子显微镜图像的横截面的扫描透射电子显微镜图像。点击:查看更多物理学文章 其他分类文章 免责声明:福昕翻译只充当翻译功能,此文内容及相关信息仅为传递更多信息之目的,仅代表作者个人观点,与本网站无关,版权归原始网站所有。仅供读者参考,并请自行核实相关内容。若需要浏览原文、下载参考文献等,请自行搜索文中提到的原文网站进行阅读。来源于:phys
2020-12-26 18:05:51