疯狂,如何从黑洞中获取能量?

2020.6.24 发布在 科学脑洞 栏目

疯狂,如何从黑洞中获取能量? 科学脑洞-第1张

1969年,英国物理学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)提出,可以通过将一个物体丢入黑洞的能层(黑洞事件视界的外层)来泵出能量。

彭罗斯率先发现,黑洞的能层有一个奇怪的特性:落入其中的物体将在这个不寻常的空间区域中获得负能量。用通俗的比喻,大概可以理解成,当你被黑洞捕获时,你的“财产”包括你本身就不再属于自己了,而是属于黑洞;在落入债权人“黑洞”手里之前,你在客观层面保有自己的资产;等落到债权人手里之后,立刻就被盘剥一空,你自己也归人家所有,而你甚至还要为黑洞你抓进来而付出的能量买单!所以你的资产(能量)就是负的。

既然如此,如果我们把类似二级火箭的东西投入黑洞,在接近能层的高度,让火箭点火分离。借助反冲力,火箭的上半部分扭转下坠之势,下半部分则加速落入黑洞。

落入黑洞的那部分,转为负的质量能;再考虑整体的能量守恒和动量关系,逃逸的那部分携带的能量大于它在二级助推时反冲作用获得的能量!相当于变相从黑洞中泵出了能量。但能量不会无中生有,逃逸出来的多了,说明黑洞的就少了。但是黑洞确实吞下了物质,质量不会减少,那黑洞损失了什么?角动量!

上面这一流程就是著名的彭罗斯过程

但是,要想实现这种技术,彭罗斯(Penrose)认为,只有非常先进的高等文明才有希望。

2年后,名叫Yakov Zel’dovich的物理学家提出可以用一个更实际的实验来验证彭罗斯过程。 他提出,“扭曲”的光波撞击到以正确速度旋转的金属圆柱体的表面,由于存在旋转多普勒效应,最终可从圆柱体的旋转中提取出额外的反射能量。

但是Zel’dovich的想法自1971年以来一直停留在理论层面,因为如果进行实验,满足条件的金属圆柱体至少需要每秒旋转十亿次,这是当前工程学另一个无法逾越的藩篱。

现在,格拉斯哥大学物理与天文学学院的研究人员终于找到了一种方法验证彭罗斯和Zel’dovich的思想:通过扭曲声音而非光达成效果。

他们的论文发表在《自然·物理学》上,研究人员构建了系统,使用小扬声器环来产生类似于Zel’dovich扭曲光波的扭曲声波。

扭曲的声波被引向由泡沫盘制成的旋转吸声器,吸声器后面有一组麦克风。

如果彭罗斯和Zel’dovich的理论是正确的,声波在泡沫盘中传播时的频率和振幅会有明显变化,这是由多普勒效应引起的。

日常生活中的多普勒效应:当一辆救护车迎面驶来的时候,听到声音比原来纤细;而车离去的时候声音的音高比原来雄浑。

多普勒效应的线性形式为大多数人所熟悉,旋转多普勒效应与之类似,但仅限于圆形空间。当我们把参照系建立在旋转圆柱的表面上时,扭曲的声波会改变音调。如果表面旋转得足够快,则声频会变得非常奇怪——它可以从正频率变为负频率,同时从表面旋转中窃取一些能量。

在实验过程中,随着转盘速度的提高,扬声器发出的声音的音调会下降,直到变得太低而无法被听到为止。然后,音高再次上升直到达到其先前的音高——但更大声,振幅比来自扬声器的原始声音大30%。

“我们在实验中听到的声音是非同寻常的。随着自旋速度的增加,声波的频率正多普勒频移到零。当声音再次恢复时,这是因为声波已经从正频率变为负频率。这些负频率波能够从旋转的泡沫圆盘中吸收一些能量,在此过程中变得更向——就像Zel’dovich在1971年提出的那样。”

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