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
然而，這一過程在工程學(xué)上來(lái)說是極大的挑戰(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
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，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
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
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)期待聽到的是，由于多普勒效應(yīng)的古怪影響，聲波在穿過泡沫盤時(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
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)重要問題，它也將開辟許多科學(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)。
