几个世纪以来，宇宙一直吸引着人类的想象力，而在众多天体现象中，很少有像黑洞那样神秘莫测、引人入胜。这些时空区域的引力极其强大，以至于没有任何东西可以逃脱。它的理论对应物——白洞，虽然更具推测性，但也提出了一个同样引人入胜的概念：排斥一切的区域，其事件视界无法从外部穿越。
虽然直接探测这些引力巨兽仍然是一项艰巨的挑战，但最近在光子学领域的一项突破，通过创造一个“黑白引力洞的光学模拟”，为我们窥探其基本物理学提供了一个诱人的机会，正如发表在《Advanced Photonics》期刊上的一篇开创性论文所详述的那样。
要理解这种光学模拟的意义，首先必须了解它试图模仿的引力实体。黑洞是爱因斯坦广义相对论预测的，由大质量恒星在自身引力作用下坍缩后的残骸形成。黑洞的决定性特征是其事件视界，这是一个边界，一旦越过，逃逸速度将超过光速。任何穿过这个视界的东西都不可避免地被吸引到黑洞中心的奇点。另一方面，白洞是黑洞的假想时间反演。黑洞吞噬一切，而白洞则被理论化为喷射物质和能量。它们的事件视界充当一个无法从外部进入的边界，本质上是宇宙喷泉。尽管白洞在理论上很有吸引力，但其存在尚未得到证实，这更增添了它们的神秘感。
与黑洞和白洞相关的极端条件使得直接观测和实验变得极其困难。这就是类比概念变得非常宝贵的地方。通过在不同的物理领域创建表现出相似行为的系统，科学家可以深入了解支配这些现象的基本原理。多年来，人们已经在各种系统中探索了黑洞的类似物，包括流体动力学、声学、玻色-爱因斯坦凝聚态和光学。这些类似物使研究人员能够在受控的实验室环境中研究诸如霍金辐射或波在事件视界附近的表现等现象。
论文《黑白引力洞的光学模拟》通过开发一种单一的光学设备，根据入射光的偏振状态，可以模拟黑洞的光吸收特性和白洞的光排斥特性，从而使这种方法更进一步。这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设计。该设备本质上是由特定的光学元件排列组成，包括镜子和一个薄吸收体，旨在操纵空间相干入射辐射的波前。
该设备功能的关键在于驻波的形成。当特定偏振（例如，s偏振）的光入射到设备上时，它会发生干涉，从而在薄吸收体上建设性地形成驻波。这种建设性干涉导致相干完美吸收，这意味着几乎所有这种偏振的入射光都被设备吸收，有效地模拟了黑洞的光捕获特性。从外部观察者来看，该设备看起来是黑暗的，仿佛吞噬了光线。
相反，当正交偏振（p偏振）的光入射到同一设备上时，干涉图案在薄吸收体的位置是破坏性的。这种破坏性干涉导致入射光几乎完全被反射，仿佛遇到了一个无法穿透的屏障。这种行为与白洞的理论概念相符，白洞排斥任何试图进入其事件视界的东西。实现这种偏振相关行为的关键因素是反射光束获得的几何相位，对于两种偏振，几何相位是不同的。
研究人员提供了这种光学黑白洞的实验原理验证。他们表明，对于一种线性偏振，该设备在很宽的波长范围内表现出高吸收率，而对于正交偏振，则表现出高反射率。这些实验结果令人信服地证明了该设备作为光学黑洞和光学白洞的功能。此外，模拟结果也证实了这些发现，说明了黑洞类似物没有反射，以及白洞类似物中驻波的形成。
这项研究的意义是多方面的。首先，它提供了一个有形的、易于访问的平台，用于研究与事件视界相关的基本物理学。虽然光学模拟是在电磁学原理而非引力作用下运行的，但在光的吸收和反射方面的类似行为使得研究人员能够探索诸如信息丢失或波与表现出单向渗透性的边界的相互作用等概念。即使无法直接接触这些天体，这也有可能为黑洞和白洞的复杂物理学带来新的见解。
