
一个悬而未决超过半世纪的物理预测,终于从理论走进实验室。科学家首次通过实验直接验证旋转超辐射现象,证明波可从物体旋转过程“窃取能量”。
2020年诺贝尔物理学奖得主──英国数学物理学家罗杰·彭罗斯(SirRogerPenrose),曾在50年前提出一个惊人理论:可以从快速旋转的黑洞窃取能量。
旋转黑洞周围外面有个特殊区域称为动圈(ergosphere),在这个区域,黑洞旋转力量强大到连时空本身都被“拖著旋转”,而彭罗斯提出,如果一颗粒子进入动圈后分裂成两半,其中一个会陷入黑洞,另一个则携带比原始粒子更多的能量逃逸,多出来的能量“窃取”自黑洞旋转动能。
这个过程理论上完全合理,不违反任何物理定律。
后来,前苏联理论天体物理学家雅科夫·泽尔多维奇(YakovZel’dovich)进一步将此概念延伸至“波”,他预测当一道波(如电磁波、声波、量子波)与旋转速度够快的物体交互作用,这道波不只不会被吸收或反射,还会从物体旋转过程汲取能量,最后以更高强度离开。
该现象称为旋转超辐射(RotationalSuperradiance),理论建构相当严谨,但存在实验痛点:计算表明要量测超辐射效应,物体旋转速度必须接近光速,对当前任何机械装置来说都不太可能达到,因此过去半世纪以来,此现象只存于理论,从未被实验室直接验证,通过天文观测难度也极高。
现在,纽约市立大学研究生中心(CUNYASRC)团队展示放大此类波的新思路:制造一个“看起来在高速旋转”的系统。
研究人员实际上并未让物体以极快速度旋转,而是开发出模仿旋转并随空间时间变化的电波设备,使送入系统的波“感觉”自己在和一个高速旋转的物体交互作用,这种“合成旋转”最终能模拟远超机械极限的旋转速度。
接下来就是测试波能否从合成旋转过程提取能量。
实验结果证实了旋转超辐射现象存在,当具特定旋转特性的电磁波被送入这种环形系统,确实从合成旋转汲取能量,以比进入时更高的强度离开。
这是科学家首次于受控实验室环境直接验证旋转超辐射,突破过去50多年“相信理论却无法直接证明”的困境。
这种方法未来可用来验证其他仍是纯理论的预测,比如各种量子光学效应;也能成为通往实际技术应用的桥梁,包括无线通讯(设计新型天线或讯号处理元件)、古典光学(改善光学元件设计)、量子光学领域(改善量子运算与量子通讯)。