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火中取栗?彭罗斯50年前的理论被证实,人类有望攫取黑洞的能量
2021/7/9 16:23:14 | 浏览:422 | 评论:0
自从第一次听到黑洞的概念,我们就知道一个道理:离它越远越好。黑洞拥有着恐怖的引力,连光都能够吞噬,如果人类的探测器在宇宙中飞行,可能在距离黑洞极远的位置就会被它捕获、撕碎。

可是,有一群科学家相信,物理学上有一种机制,可以允许我们从黑洞中提取能量。尽管看起来的确非常危险,有种火中取栗的意味,但是从理论上讲,这件事是有可能的。这个理论,就是彭罗斯过程。

火中取栗?彭罗斯50年前的理论被证实,人类有望攫取黑洞的能量

彭罗斯过程是著名物理学家罗杰·彭罗斯在1969年提出的,至今已经51年了。彭罗斯最著名的,就是和霍金一起证明了奇点定理,他的彭罗斯阶梯也为人们津津乐道,以至于他自己在物理学上的深厚造诣有些被人们忽略。今天说到的彭罗斯过程,在被提出51年之后,前不久终于被今天的科学家们证明。

我们知道,黑洞是爱因斯坦引力场方程的一个真空解,其本质是一个奇点,没有体积,拥有着巨大的质量,因此密度无限大。在奇点周围有一片区域,任何进入到这里的物质,包括光,都无法逃脱,这个区域被称为事件视界

即使来到事件视界之外,有些光也仍然无法被我们观测到。在事件视界附近的一定范围内发出的光,对于外界来说引力红移无穷大,仍然让我们无法观测。这个范围的边界,科学家称之为静界。对于旋转的黑洞来说,静界和事件视界并不重合,二者之间的区域被称作能层(ergosphere)。

火中取栗?彭罗斯50年前的理论被证实,人类有望攫取黑洞的能量

(图片说明:静界、事件视界、能层的关系示意图)

随着黑洞的旋转,事件视界以外的一片区域的空间也会被拉扯得变形,这就类似于一条在湖面上的小船旋转时会带动周围的湖水也旋转起来一样,这个现象就是爱因斯坦预言的惯性系拖曳效应(frame-dragging)。

彭罗斯指出:在能层范围内,我们可以利用黑洞强大的惯性系拖曳效应,提取出黑洞的能量,这就是所谓的彭罗斯过程。彭罗斯告诉我们:当物质被黑洞吞噬,落入能层范围的阶段,会被分裂成两部分,其中一部分就可以被射出到黑洞之外。他的计算结果显示,如果没有意外的话,射出物质的能量甚至可以比进入时高出约21%!而这个能量,来自于能层中以负能量区,它可以从黑洞中窃取能量。

从上面我们对彭罗斯过程的描述你应该注意到了,这个过程有一个前提:黑洞必须要在旋转。这意味着,没有旋转的史瓦西黑洞是不可以的,不过其他黑洞(如克尔-纽曼黑洞等)可以进行彭罗斯过程。

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这个理论刚刚提出,就引起了许多科学家的兴趣。但是问题在于:我们又不可能飞到黑洞附近来检验,那该如何证明彭罗斯过程的正确性呢?

1971年,前苏联科学家雅科夫·泽尔多维奇想到了一个有趣的办法。他用金属做了一个圆柱体代替黑洞,将它旋转起来,并向它发射光束。如果金属圆柱的旋转速度恰巧处在某个范围内,光就会带着更多的能量被反射回来。科学家告诉我们,这和我们熟知的多普勒效应有关。

多普勒效应指的是波源和接受者之间的相对运动,导致接受者观测到的波长和波源实际波长有变化的现象。当一辆车靠近你时,你会听见它的音调略高;远离你时音调略低,就是多普勒效应的体现。对于光来说,波长就体现在颜色上,蓝色和自身波长比较短,而红色则相对长一些。对于黑洞或者星系这样的天体来说,它们在旋转过程中,其中一侧看起来就像是朝向我们运动,另一侧看起来就是远离我们运动,这就能导致两侧的光向两种不同的颜色发生偏移。

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可能我说得不够简单,咱们举个例子。上图中这个陀螺,就可以代表黑洞或者星系。如果我们观测到的天体是这样旋转的,那么我们观测到右侧光的波长比实际要短,光谱就会偏向蓝色,这叫做蓝移;而左侧的光看起来比实际的波长要长一些,就会偏向红色,这叫做红移。这就是我们测量某个天体旋转方向的方法。

泽尔多维奇的旋转金属圆柱实验确实非常有趣,但可惜并不实际,这要求它必须每秒钟旋转10亿次才能观测到实际效果。所以,这个实验很快就被束之高阁,无人问津。

不过最近,来自苏格兰格拉斯哥大学物理与天文学学院的一个科学家团队想到了一个巧妙的办法,让旋转金属圆柱实验变得可行。他们的办法就是不再使用速度最快的光,而是利用相对慢一些的声波。而原来的金属圆柱,也被他们换成了一个泡沫圆环制成的收音器,将它旋转起来模拟黑洞。同时,这套设备连接了一组麦克风,通过输出的声音对声波进行检测,通过音调和振幅来验证彭罗斯过程到底有没有真的发生。

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格拉斯哥大学的物理学家和天文学家马里恩·克罗姆介绍说:“如果表面旋转得足够快,声音的频率就会出现一些非常奇怪的现象——它可以从一个正频率变成一个负频率,借此从圆环中窃取一部分能量。”这个负频率,就有点类似于彭罗斯说的负能量区。

在圆环加速旋转的过程中,麦克风传出的声音首先逐渐降低声调,直至完全听不见。随着圆环继续加速,声音竟然又开始上升到原来的声调,但是声音却提升了30%。这意味着,确实有能量被声音带了出来。

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克罗姆向我们解释了这个过程发生的变化:“随着旋转速度的增加,声波的频率在多普勒效应下逐渐变为0。在声音再一次上扬时,其实是因为声波从正频率转移到了负频率。这种负频率能够从旋转的泡沫盘中获取部分能量,在此过程中变得更响亮——正如泽尔多维奇在1971年所说的那样。”他以主要作者的身份,和他的团队将这次研究整理为论文,发表在了《自然物理学》上。

我们知道,声和光本质上都是波,具有一定的相似性,因此有理由相信光也存在彭罗斯过程。不过,二者又有着不同之处,比如声是机械波,光是电磁波。因此,克罗姆等人也希望继续进行实验,检测光的彭罗斯过程。

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如果彭罗斯过程最终被完全证实,那么我们未来或许可以从黑洞中攫取大量的能源来使用。当然了,这有一个前提,那就是能活着回来……

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