用“扭曲”的聲音，驗證50年前的理論
研究人員通過扭曲聲音，而不是光，證明了彭羅斯和澤爾多維奇提出的理論。
1969年，英國物理學家彭羅斯（Roger Penrose）提出，可以通過將一個物體下降到黑洞的能層來產生能量。能層是黑洞事件視界的外層，在那里，物體如果想要保持靜止，就必須以比光速更快的速度移動。
彭羅斯預測，物體將在這個不尋常的空間區域中獲得負能量。如果有人丟下一個物體，并讓這個物體一分為二，其中一半落入黑洞，而另一半則被重新收回，反沖的行為則可以測量負能量的損失，實際上，收回的一半將從黑洞的旋轉中獲得能量。
彭羅斯與他提出的“從黑洞中獲取能量”的設想。| 圖片來源：University of Glasgow
然而，這一過程在工程學上來說是極大的挑戰，因此彭羅斯認為，只有非常先進的文明（或許是外星文明）才有機會實現從黑洞中獲取能量。
兩年后，另一位名叫澤爾多維奇（Yakov Zel‘dovich）的物理學家提出，這個理論可以通過一個更實際的實驗來檢驗。他認為，如果有一個金屬圓柱體，以合適的速度旋轉，由于旋轉多普勒效應的特殊現象，“扭曲”的光波擊中圓柱體的表面，最終會被從圓柱體旋轉中獲得額外的能量反射。
澤爾多維奇和他提出的從旋轉的圓柱體中獲能的想法。| 圖片來源：University of Glasgow
大多數人或許很熟悉“線性版本”的多普勒效應。比如，救護車在接近你時，你會聽到警報的音調上升，但在救護車遠離時，音調則會下降。更具體地說，當聲源（或光源）相對于觀測者移動時，觀測者所接收到聲波（或光波）的頻率會發生變化。當源朝著接收方移動時，源的波長會變短，頻率變高；如果源的移動方向是離接收方遠去，那么波長會變長，頻率降低。
多普勒效應。| 圖片來源：新原理研究所
旋轉多普勒效應很相似，但它僅限于圓形空間。當從旋轉表面測量時，扭曲的聲波會改變音調。如果表面旋轉得足夠快，聲波頻率就會出現一些非常奇怪的現象，它可以從正頻變成負頻，這樣做就會從表面的旋轉中獲得一些能量。
事實上，澤爾多維奇的想法是理解一些黑洞行為的關鍵。但是，自1971年以來，這個想法一直停留在理論階段，因為要想實驗成功，他提出的金屬圓柱體每秒至少需要旋轉10億次，這對目前人類的工程極限來說又是一個不可逾越的挑戰。
現在，格拉斯哥大學的研究人員終于找到了一種方法，用實驗證明了彭羅斯和澤爾多維奇提出的理論。他們通過扭曲聲音，而不是光完成了實驗驗證。聲音是一種頻率低得多的來源，因此在操作中更為實際。這項研究已于近日發表在《自然·物理學》上。
研究團隊使用一圈小型揚聲器，在聲波中制造扭曲，這很類似澤爾多維奇提出的光波的扭曲。這些扭曲的聲波朝著由泡沫盤制成的旋轉的吸收體。泡沫盤的旋轉速度穩步提高，泡沫盤的后方有一組麥克風，它們會在聲音通過圓盤時接收聲音。
實驗系統示意圖。| 圖片來源：University of Glasgow
為了確認彭羅斯和澤爾多維奇的想法是正確的，研究團隊期待聽到的是，由于多普勒效應的古怪影響，聲波在穿過泡沫盤時的頻率和振幅發生了明顯的變化。
在實驗中，隨著泡沫盤旋轉的速度增加，揚聲器發出的音調會下降，聲波的頻率被多普勒頻移到零。隨后，聲音再次出現，聲波已經從正頻移到了負頻，音調會再次上升，直到達到之前的音高。與此同時，這些負頻率波能夠從旋轉的泡沫盤中吸收一些能量，聲音也變得更大了——振幅增加了30%。這和澤爾多維奇在1971年所預言的現象吻合。
聲波能夠從旋轉的泡沫盤中吸收一些能量，使振幅變大。| 圖片來源：University of Glasgow
研究人員表示，在彭羅斯和澤爾多維奇的理論提出半個世紀后，他們非常高興能夠通過實驗來驗證一些非常奇特的物理現象。盡管在現有技術水平下，直接利用光波或電磁波進行實驗的難度還很大，但他們認為，類似的概念在原理上可以拓展到電磁波。他們期待未來能用更多不同來源探索這一效應。
他們同時相信，這一結果解決了基礎物理學中的一個重要問題，它也將開辟許多科學探索的新途徑，為今后從旋轉系統中獲取能量的研究打下基礎。
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