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新实验证明可以从黑洞获得能量

2020年7月10日7:00 环球解密

    人们都知道黑洞吞噬一切,就像个有去无回、不断从周围索取的怪物。其实,早在五十多年前物理学家曾提出理论称,物体还可以从黑洞获取能量。

    早在五十多年前,物理学家潘罗斯(Roger Penrose)提出的理论预测,物体可以从旋转的黑洞中吸取能量,这个过程被称为潘罗斯机制。现在,一组科学家终于通过实验证明了这个理论。

    爱因斯坦广义相对论中一项内容是,任何物体的旋转都将带动周围的时空一起旋转,也称为“参考系拖拽”(frame-dragging)现象。

    1969年,潘罗斯的计算认为,黑洞外围、事件视界的外面,应该存在一个特别的区域。这个区域内参考系拖拽的现象处于最强的状态。这里,物体将从黑洞的旋转中获取能量。

    由此潘罗斯认为,掉进这个区域的物体将被分成两半。一半将掉进黑洞,另一半将从黑洞获得额外的能量,并被加速向外抛出。他的计算显示,这半个飞出物体所带的能量将比原来高出21%。

    现在,英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)物理和天文学院的研究者们设计的实验,第一次证明了这个理论。当然,他们没能丢个物体到一个黑洞中进行测量。

    他们将多个小扬声器摆成环形,向一个转动的海绵盘发送声波,在转盘的另一面放上麦克风探测经过转盘的声波:以声波模拟物体,以有超强吸收声波能力的海绵盘模拟吞噬一切的黑洞,再从麦克风检测抛出物体的能量。

    结果他们观测到,经过这个海绵转盘后,声波降低了它的频率,可是之后声音却被放大了。研究者称,由于多普勒频移理论,导致声波频率的变化;而声音的放大,则是潘罗斯机制的证据。

    “从旋转平面来看,被扭曲的声波改变了它们的声调。”这份研究的负责人克朗布(Marion Cromb)说,“如果平面转速足够快,声波的频率将发生奇特的现象——从正的频率逐渐变成负的频率,这时开始从转动面吸收能量。”

    后面出现的效果很惊人。随着转盘速度的加快,抵达麦克风的音调逐渐降低直到无声。之后它又开始恢复到原来的水平,可是音量却比扬声器发出声音大30%——说明声波从转盘得到了额外的能量。

    “我们从实验看到的效果很惊人。”克朗布说,“随着转速的增加,声波出现多普勒频移效应,递减至零。当声波从正频率变成负频率的时候,这些负频率的声波开始从转盘中获取能量,增强了音量。”

    下一步,研究组计划把实验对象扩展至电磁波和光波,继续检验黑洞的潘罗斯机制。

    这份研究近期发表在《自然-物理学》(Nature Physics)期刊上。

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