宇宙黑洞是個能量體進入其中的物體會獲得無限能量

2020-12-04 西瑪帶你看世界

我們知道黑洞是強大的奇點,在時空中這些區域的引力是如此強大,以至於任何東西甚至光本身都無法逃脫。

大約50年前,英國物理學家羅傑·彭羅斯提出,黑洞可能是一種能源。現在蘇格蘭格拉斯哥大學的研究人員通過模擬實驗證明了這一點。對空間和科學感興趣的人都知道,黑洞的正中心有一個奇點,還有一個事件視界,在這個邊界上一旦黑洞經過,任何東西都不能返回。但黑洞的複雜結構中還有其他因素。例如黑洞周圍的封閉區就是層,這項新的研究圍繞著黑洞的層展開的。

層是視界的外部區域。1969年,彭羅斯提出了一個理論,如果你把一個物體放入層,它就會產生能量。在層裡由於幀拖拽物體是不可能靜止的。廣義相對論預測,旋轉的質量,比如黑洞,會拖拽鄰近的時空。所以任何放入層的物體都會開始運動,沒有辦法阻止它。層是視界之外的一個區域,在那裡物體不能保持靜止。如果一個物體落入層中,它將獲得負能量。如果一個物體掉進去,然後一分為二,一半會被黑洞吞噬,另一半不會。如果一半從層中退出,反衝作用意味著退出的一半將失去負能量。因為負負得正,這個物體會從黑洞的旋轉中獲得一些能量。

顯然,這不是人類文明在短期內將要嘗試的事情。只有高度發達的文明才能接近這樣的東西。科學家提出可以通過向旋轉的金屬圓柱體表面發射扭曲的光波來測試這個想法。如果以正確的速度發送,這些波會在圓柱體的旋轉中獲得額外的能量後反彈到圓柱體上。這都是由於都卜勒效應的一個奇怪特性。

當人們談到都卜勒效應時,他們通常指的是線性都卜勒效應。常用的例子是救護車的警報器。當救護車靠近聽眾時,聲波在救護車前被壓縮到更高頻率,聽眾聽到的是音調的增加。相反,當救護車經過聽眾時,聲波不再被救護車的前進運動所壓縮,聽眾聽到的頻率降低了,就成了較低的音調。但這個想法涉及到轉動都卜勒效應。

旋轉都卜勒效應是類似的,但這種效應僅限於圓形空間。當從旋轉表面的角度測量時,扭曲的聲波會改變它們的音調。如果表面旋轉的足夠快,那麼聲音頻率就會發生一些非常奇怪的事情它會從正頻率變成負頻率,這樣做會從表面的旋轉中偷取一些能量。研究中的這個數字說明了揚聲器發出的聲音在進入旋轉盤之前是如何被扭曲的,麥克風的標籤是「M」。四幅插圖顯示了實驗中使用的不同配置:左側插圖,帶麥克風和吸收體的支撐盤是同向旋轉的;左中嵌入,吸收體是分離的,保持靜態,而麥克風旋轉;右中插入,吸收器被放置在兩個麥克風中的一個的前面;右插入,吸收器被完全移除,麥克風旋轉。

無論如何,澤爾多維奇的想法從未得到驗證。問題在於,這個圓柱體必須以每秒數十億次的難以達到的速度旋轉,因為光本身的傳播速度非常快。這是我們的技術遠遠達不到的。儘管旋轉吸收器導致的波放大很難用光學或電磁波來驗證,但使用聲波可以直接測量,因為聲波的傳播速度比光慢得多。

該裝置一開始就有一圈揚聲器來產生扭曲的聲波。這些波指向一個旋轉的泡沫圓盤,泡沫圓盤吸收了聲音。在泡沫盤的後面是一個麥克風來測量聲音。實驗開始時,泡沫盤的轉速上升。研究小組正在尋找聲波通過泡沫盤時聲音頻率和振幅的明顯變化。一開始,隨著旋轉圓盤的速度增加,聲音的音調變得很低,人耳聽不到。然後,音高或頻率再次升高。它再次達到了原來的音高,但這次的振幅或響度比原來提高了30%。聲波從旋轉的圓盤中獲得了能量。所發生的情況是,隨著自旋速度的增加,聲波的頻率被都卜勒移到了零。當聲音重新開始時,是因為聲波從正頻率轉移到了負頻率。這些負頻率波能夠從旋轉的泡沫盤中吸收一些能量,在這個過程中聲音會變得更大。

它只是向我們展示了一些想法在某一時刻似乎是古怪的和不可測試的。但隨著時間的推移,它們可以得到檢驗。例如,就像相對論,以及光因引力透鏡而彎曲。

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