實驗證明可以從黑洞中提取能量

彭羅斯機制

50多年前，英國數學物理學家與牛津大學數學系名譽教授羅傑·彭羅斯提出一種理論，可以從轉動的黑洞提取能量，現在，這一理論終於得到了實驗驗證。

物理學家通過對所需組件的模擬，證明彭羅斯機制確實是可行的，如果我們能夠開發出適當的方法的話，可以將黑洞中的一些旋轉能量提取出來。

黑洞是狂野的。在一顆恆星生命周期的終結階段，它的體積會變得非常巨大，一旦超新星化，其核心就無法再承受自身的引力，完全坍塌成一個奇點，一個密度無限的單維點。

這個奇點位於一個被稱為事件地平線的區域內。在這個點上，黑洞周圍的引力非常強大，以至於光速都不足以達到逃逸速度。而在事件視界之外，一個延伸的時空區域隨著黑洞的旋轉而被拖動，變得扭曲起來，這種效應被稱為「慣性系拖拽」。

這就是彭羅斯機制的由來。1969年，羅傑·彭羅斯提出，事件地平線外的一個區域稱為「齧齒層」，這裡的拖幀效應最強，可以利用它來提取能量。

根據彭羅斯的計算，如果一個物體掉進了「齧齒層」，就會一分為二，其中一部分會被甩到事件視界之外。而另一部分則會在黑洞的額外作用下，向外加速。如果一切順利的話，它從「齧齒層」出來時，能量會比進入時多出21%左右。

我們還不能直接去黑洞測試這個理論。但在1971年，蘇聯物理學家雅可夫·澤爾多維奇提出了一個更實用的實驗：用一個旋轉的金屬圓柱體代替黑洞，然後向它發射扭曲的光束。如果圓柱體以合適的速度旋轉，光就會被反射回來，並從圓柱體的旋轉中提取額外的能量，這是由於一種叫做旋轉都卜勒效應造成的。

當一個旋轉的光源發出波時，可以看到它，這些波根據旋轉的方向而縮短和延長。朝著你旋轉的那一邊發出的波會顯得縮短，而遠離旋轉的那一邊發出的波則會顯得延長。這就是天文學家衡量恆星和星系旋轉的方法。

澤爾多維奇的方法只存在一個問題。旋轉圓柱體的速度至少需要每秒旋轉10億次。

於是這件事就這樣擱置了，直到蘇格蘭格拉斯哥大學物理與天文學學院的一個物理學家設計了一個新的實驗，他們沒有使用光波，而是使用了聲波。

使用聲波證明可以從黑洞獲取能量

實驗由一個環形揚聲器組成，在聲波中引入扭曲，類似于澤爾多維奇實驗中的扭曲光。黑洞是用一個泡沫圓盤製成的旋轉吸音器模擬，當聲波擊中它時，它的旋轉速度會加快。圓盤另一邊的麥克風陣列會在聲波通過圓盤後進行探測。

證實彭羅斯過程是通過圓盤的聲波的音調和振幅的變化。格拉斯哥大學的物理學家和天文學家馬裡恩·克朗布解釋說：「當從旋轉表面的角度測量時，扭曲的聲波會改變其音調，如果表面旋轉的速度足夠快，那麼聲音頻率就可以做一些非常奇怪的事情，它可以從一個正頻率變成一個負頻率，並以此從表面的旋轉中竊取一些能量。」

隨著圓盤旋轉的加速，麥克風上的聲音音調降低，直到聽不清。然後，它又開始上升回到原來的音調，但比揚聲器發出的聲音大30%。聲波從旋轉的圓盤中獲得了額外的能量。

實驗裝置

克朗布說：「我們在實驗過程中聽到聲音是不同尋常的。隨著自旋速度的增加，聲波的頻率正在被都卜勒效應轉移到零。當聲音再次開始回升時，那是因為聲波已經從正頻率轉移到了負頻率。這些負頻波能夠從旋轉的泡沫盤中獲取部分能量，在這個過程中變得更響亮，就像澤爾多維奇在1971年提出的那樣。」

這項研究是在理解黑洞方面邁出的相當棒的一步，該團隊計劃將這項研究擴展到光。

這項研究還表明，如果你有合適的工具，在實驗室環境中就能探索黑洞的極端特性，而不需玻色-愛因斯坦凝聚體。

該研究已發表在《自然物理學》上。