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用“扭曲”的聲音,驗(yàn)證50年前的理論

時(shí)間:2020-06-28 15:21來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
來(lái)源:原理1969年,英國(guó)物理學(xué)家彭羅斯(RogerPenrose)提出,可以通過(guò)將一個(gè)物體下降到黑洞的能層來(lái)產(chǎn)生能量。能層是黑洞事件視

來(lái)源:原理

1969年,英國(guó)物理學(xué)家彭羅斯(Roger Penrose)提出,可以通過(guò)將一個(gè)物體下降到黑洞的能層來(lái)產(chǎn)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(dòng)。

彭羅斯預(yù)測(cè),物體將在這個(gè)不尋常的空間區(qū)域中獲得負(fù)能量。如果有人丟下一個(gè)物體,并讓這個(gè)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(cè)量負(fù)能量的損失,實(shí)際上,收回的一半將從黑洞的旋轉(zhuǎn)中獲得能量。

 彭羅斯與他提出的“從黑洞中獲取能量”的設(shè)想。|圖片來(lái)源:University of Glasgow 彭羅斯與他提出的“從黑洞中獲取能量”的設(shè)想。|圖片來(lái)源:University of Glasgow

然而,這一過(guò)程在工程學(xué)上來(lái)說(shuō)是極大的挑戰(zhàn),因此彭羅斯認(rèn)為,只有非常先進(jìn)的文明(或許是外星文明)才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)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(xué)家提出,這個(gè)理論可以通過(guò)一個(gè)更實(shí)際的實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。他認(rèn)為,如果有一個(gè)金屬圓柱體,以合適的速度旋轉(zhuǎn),由于旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)的特殊現(xiàn)象,“扭曲”的光波擊中圓柱體的表面,最終會(huì)被從圓柱體旋轉(zhuǎn)中獲得額外的能量反射。

澤爾多維奇和他提出的從旋轉(zhuǎn)的圓柱體中獲能的想法。| 圖片來(lái)源:University of Glasgow澤爾多維奇和他提出的從旋轉(zhuǎn)的圓柱體中獲能的想法。| 圖片來(lái)源:University of Glasgow

大多數(shù)人或許很熟悉“線性版本”的多普勒效應(yīng)。比如,救護(hù)車在接近你時(shí),你會(huì)聽(tīng)到警報(bào)的音調(diào)上升,但在救護(hù)車遠(yuǎn)離時(shí),音調(diào)則會(huì)下降。更具體地說(shuō),當(dāng)聲源(或光源)相對(duì)于觀測(cè)者移動(dòng)時(shí),觀測(cè)者所接收到聲波(或光波)的頻率會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)源朝著接收方移動(dòng)時(shí),源的波長(zhǎng)會(huì)變短,頻率變高;如果源的移動(dòng)方向是離接收方遠(yuǎn)去,那么波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng),頻率降低。

多普勒效應(yīng)。| 圖片來(lái)源:新原理研究所多普勒效應(yīng)。| 圖片來(lái)源:新原理研究所

旋轉(zhuǎn)多普勒效應(yīng)很相似,但它僅限于圓形空間。當(dāng)從旋轉(zhuǎn)表面測(cè)量時(shí),扭曲的聲波會(huì)改變音調(diào)。如果表面旋轉(zhuǎn)得足夠快,聲波頻率就會(huì)出現(xiàn)一些非常奇怪的現(xiàn)象,它可以從正頻變成負(fù)頻,這樣做就會(huì)從表面的旋轉(zhuǎn)中獲得一些能量。

事實(shí)上,澤爾多維奇的想法是理解一些黑洞行為的關(guān)鍵。但是,自1971年以來(lái),這個(gè)想法一直停留在理論階段,因?yàn)橐雽?shí)驗(yàn)成功,他提出的金屬圓柱體每秒至少需要旋轉(zhuǎn)10億次,這對(duì)目前人類的工程極限來(lái)說(shuō)又是一個(gè)不可逾越的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在,格拉斯哥大學(xué)的研究人員終于找到了一種方法,用實(shí)驗(yàn)證明了彭羅斯和澤爾多維奇提出的理論。他們通過(guò)扭曲聲音,而不是光完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。聲音是一種頻率低得多的來(lái)源,因此在操作中更為實(shí)際。這項(xiàng)研究已于近日發(fā)表在《自然·物理學(xué)》上。

研究團(tuán)隊(duì)使用一圈小型揚(yáng)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(zhuǎn)的吸收體。泡沫盤的旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)步提高,泡沫盤的后方有一組麥克風(fēng),它們會(huì)在聲音通過(guò)圓盤時(shí)接收聲音。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。| 圖片來(lái)源:University of Glasgow實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。| 圖片來(lái)源:University of Glasgow

為了確認(rèn)彭羅斯和澤爾多維奇的想法是正確的,研究團(tuán)隊(duì)期待聽(tīng)到的是,由于多普勒效應(yīng)的古怪影響,聲波在穿過(guò)泡沫盤時(shí)的頻率和振幅發(fā)生了明顯的變化。

在實(shí)驗(yàn)中,隨著泡沫盤旋轉(zhuǎn)的速度增加,揚(yáng)聲器發(fā)出的音調(diào)會(huì)下降,聲波的頻率被多普勒頻移到零。隨后,聲音再次出現(xiàn),聲波已經(jīng)從正頻移到了負(fù)頻,音調(diào)會(huì)再次上升,直到達(dá)到之前的音高。與此同時(shí),這些負(fù)頻率波能夠從旋轉(zhuǎn)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(yù)言的現(xiàn)象吻合。

聲波能夠從旋轉(zhuǎn)的泡沫盤中吸收一些能量,使振幅變大。| 圖片來(lái)源:University of Glasgow聲波能夠從旋轉(zhuǎn)的泡沫盤中吸收一些能量,使振幅變大。| 圖片來(lái)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(gè)世紀(jì)后,他們非常高興能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一些非常奇特的物理現(xiàn)象。盡管在現(xiàn)有技術(shù)水平下,直接利用光波或電磁波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的難度還很大,但他們認(rèn)為,類似的概念在原理上可以拓展到電磁波。他們期待未來(lái)能用更多不同來(lái)源探索這一效應(yīng)。

他們同時(shí)相信,這一結(jié)果解決了基礎(chǔ)物理學(xué)中的一個(gè)重要問(wèn)題,它也將開(kāi)辟許多科學(xué)探索的新途徑,為今后從旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中獲取能量的研究打下基礎(chǔ)。

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