50年后,实验终于表明可以从黑洞中提取能量

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从旋转的黑洞中提取能量的50年理论过程终于有了实验验证。

通过使用所需成分的类似物,物理学家已经表明,彭罗斯过程确实是一种可行的机制,可以消灭一些旋转能量-如果我们能开发出这种方法的话。

那是不可能的,但是这项工作确实表明,可以将独特的理论思想巧妙地用于探索宇宙中某些最极端物体的物理特性。

黑洞是疯狂的-恒星生命周期的末期如此之大,以至于一旦超新星消失,核心将无法再承受其自身的引力,而完全坍塌成奇异点-无限密度的单个一维点。

这种奇异性位于一个称为事件视界的区域内-在该点上,黑洞周围的引力是如此之强,甚至光速也不足以实现逃逸速度。在事件视界之外,随着黑洞的旋转拖动,时空的延伸区域变得扭曲,这种现象称为帧拖曳。

这就是彭罗斯(Penrose)过程进入的地方。1969年,数学物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出,可以利用事件视线之外的区域称为“人体工学”,该区域最容易拖曳框架,以提取能量。

根据彭罗斯(Penrose)的计算,如果一个物体落入人体的空间要一分为二,那么其中的一部分将被抛到事件视界之外。

但是,另一个将向外加速,并从黑洞中再踢一脚。如果一切顺利,它将以比进入时高出约21%的能量从人体圈出来。

现在,我们不能只是捏到一个黑洞来进行测试。但是在1971年,苏联物理学家Yakov Zel’dovich提出了一个更实际的实验。您可以用旋转的金属圆柱体替换黑洞,并向其发射扭曲的光束。如果圆柱体正好以正确的速度旋转,由于所谓的旋转多普勒效应的怪异,光将从圆柱体的旋转中提取出的额外能量反射回来。

如果您是普通读者,您可能已经熟悉上述效果:旋转的源发出波时可以看到它,波的长度根据旋转的方向而变短和变长。朝向您旋转的那一侧的波浪似乎会缩短;从旋转的一侧发出的波浪似乎延长了。这就是天文学家如何测量恒星和星系的自转。

泽尔多维奇的提议只有一个问题。旋转圆柱体的速度必须至少为每秒10亿转-请记住,“比黑洞更实用” 还有很多不切实际的余地。

事情就这样解决了,直到格拉斯哥大学苏格兰物理与天文学学院的一组物理学家出现了。他们基于Zel’dovich的工作设计了一个实验-但是他们没有使用光波,而是使用了声波。

实验

该实验由一组扬声器环组成,以使声波产生扭曲,类似于Zel’dovich实验中的扭曲光。“黑洞”是由泡沫盘制成的旋转吸声器,随着声波撞击它,其旋转速度会加快。光盘另一侧的麦克风阵列将在声波通过光盘后对其进行检测。

验证彭罗斯过程的吸烟枪是通过光盘的声波的音高和振幅发生了变化。

研究小组论文的主要作者,格拉斯哥大学的物理学家和天文学家马里恩·克朗布解释说: “当从旋转表面的角度进行测量时,扭曲的声波会改变音调。”

“如果表面旋转得足够快,那么声音频率可能会做一些非常奇怪的事情-它可以从正频率变为负频率,并且这样做会从表面旋转中窃取一些能量。”

结果是惊人的。随着光盘旋转的加快,击中麦克风的声音的音调降低,直到听不见。然后它又开始上升回原来的音调-但比扬声器发出的声音大30%。声波从转盘上吸收了更多的能量。

本实验

“我们在实验中听到的是非同寻常的,” 克罗姆布说。

“正在发生的是,随着自旋速度的增加,声波的频率会被多普勒频移移至零。当声音再次恢复时,这是因为声波已从正频率移至负频率。那些负频率高频波能够从旋转的泡沫圆盘中吸收一些能量,在此过程中变得更大-就像泽尔多维奇在1971年提出的那样。”

该小组计划尝试弄清楚如何将这项研究扩展到电磁波(光)上,但是这项研究是理解黑洞的一个非常了不起的进步。它显示了如果您拥有合适的工具,就可以在实验室环境中探究它们的极端性能-而且它们不一定总是花哨的高科技Bose-Einstein冷凝物。

如果可以设计出一种方法来利用这种引人入胜的现象,那么诸如此类的研究也可能会带来新技术。

格拉斯哥大学的物理学家丹尼尔·法乔(Daniel Faccio)说: “我们很高兴能够在理论提出半个世纪后就通过实验验证了一些极其奇异的物理学。”

“以为我们已经能够在苏格兰西部的实验室中确认一个起源于宇宙的半世纪理论,这很奇怪,但是我们认为它将为科学探索开辟许多新途径。”

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