用“扭曲”的声音，验证50年前的理论黑洞

　　来源：原理

　　1969年，英国物理学家彭罗斯（Roger Penrose）提出，可以通过将一个物体下降到黑洞的能层来产生能量。能层是黑洞事件视界的外层，在那里，物体如果想要保持静止，就必须以比光速更快的速度移动。

　　彭罗斯预测，物体将在这个不寻常的空间区域中获得负能量。如果有人丢下一个物体，并让这个物体一分为二，其中一半落入黑洞，而另一半则被重新收回，反冲的行为则可以测量负能量的损失，实际上，收回的一半将从黑洞的旋转中获得能量。

　彭罗斯与他提出的"从黑洞中获取能量"的设想。| 图片来源：University of Glasgow

　　然而，这一过程在工程学上来说是极大的挑战，因此彭罗斯认为，只有非常先进的文明（或许是外星文明）才有机会实现从黑洞中获取能量。

　　两年后，另一位名叫泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich）的物理学家提出，这个理论可以通过一个更实际的实验来检验。他认为，如果有一个金属圆柱体，以合适的速度旋转，由于旋转多普勒效应的特殊现象，"扭曲"的光波击中圆柱体的表面，最终会被从圆柱体旋转中获得额外的能量反射。

泽尔多维奇和他提出的从旋转的圆柱体中获能的想法。| 图片来源：University of Glasgow

　　大多数人或许很熟悉"线性版本"的多普勒效应。比如，救护车在接近你时，你会听到警报的音调上升，但在救护车远离时，音调则会下降。更具体地说，当声源（或光源）相对于观测者移动时，观测者所接收到声波（或光波）的频率会发生变化。当源朝着接收方移动时，源的波长会变短，频率变高；如果源的移动方向是离接收方远去，那么波长会变长，频率降低。

多普勒效应。| 图片来源：新原理研究所

　　旋转多普勒效应很相似，但它仅限于圆形空间。当从旋转表面测量时，扭曲的声波会改变音调。如果表面旋转得足够快，声波频率就会出现一些非常奇怪的现象，它可以从正频变成负频，这样做就会从表面的旋转中获得一些能量。

　　事实上，泽尔多维奇的想法是理解一些黑洞行为的关键。但是，自1971年以来，这个想法一直停留在理论阶段，因为要想实验成功，他提出的金属圆柱体每秒至少需要旋转10亿次，这对目前人类的工程极限来说又是一个不可逾越的挑战。

　　现在，格拉斯哥大学的研究人员终于找到了一种方法，用实验证明了彭罗斯和泽尔多维奇提出的理论。他们通过扭曲声音，而不是光完成了实验验证。声音是一种频率低得多的来源，因此在操作中更为实际。这项研究已于近日发表在《自然·物理学》上。

　　研究团队使用一圈小型扬声器，在声波中制造扭曲，这很类似泽尔多维奇提出的光波的扭曲。这些扭曲的声波朝着由泡沫盘制成的旋转的吸收体。泡沫盘的旋转速度稳步提高，泡沫盘的后方有一组麦克风，它们会在声音通过圆盘时接收声音。

实验系统示意图。| 图片来源：University of Glasgow 

　　为了确认彭罗斯和泽尔多维奇的想法是正确的，研究团队期待听到的是，由于多普勒效应的古怪影响，声波在穿过泡沫盘时的频率和振幅发生了明显的变化。

　　在实验中，随着泡沫盘旋转的速度增加，扬声器发出的音调会下降，声波的频率被多普勒频移到零。随后，声音再次出现，声波已经从正频移到了负频，音调会再次上升，直到达到之前的音高。与此同时，这些负频率波能够从旋转的泡沫盘中吸收一些能量，声音也变得更大了——振幅增加了30%。这和泽尔多维奇在1971年所预言的现象吻合。

声波能够从旋转的泡沫盘中吸收一些能量，使振幅变大。| 图片来源：University of Glasgow

　　研究人员表示，在彭罗斯和泽尔多维奇的理论提出半个世纪后，他们非常高兴能够通过实验来验证一些非常奇特的物理现象。尽管在现有技术水平下，直接利用光波或电磁波进行实验的难度还很大，但他们认为，类似的概念在原理上可以拓展到电磁波。他们期待未来能用更多不同来源探索这一效应。

　　他们同时相信，这一结果解决了基础物理学中的一个重要问题，它也将开辟许多科学探索的新途径，为今后从旋转系统中获取能量的研究打下基础。

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