人們都知道黑洞吞噬一切,就像個有去無回、不斷從周圍索取的怪物。其實,早在50年多年前物理學家曾提出理論稱,物體還可以從黑洞獲取能量。

早在50年多年前,物理學家潘羅斯(Roger Penrose)提出的理論預測,物體可以從旋轉的黑洞中吸取能量,這個過程被稱為潘羅斯機制。現在,一組科學家終於通過實驗證明了這個理論。

愛因斯坦廣義相對論中一項內容是,任何物體的旋轉都將帶動周圍的時空一起旋轉,也稱為「參考系拖拽」(frame-dragging)現象。

1969年,潘羅斯的計算認為,黑洞外圍、事件視界的外面,應該存在一個特別的區域。這個區域內參考系拖拽的現象處於最強的狀態。這裏,物體將從黑洞的旋轉中獲取能量。

由此潘羅斯認為,掉進這個區域的物體將被分成兩半。一半將掉進黑洞,另一半將從黑洞獲得額外的能量,並被加速向外拋出。他的計算顯示,這半個飛出物體所帶的能量將比原來高出21%。

現在,英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)物理和天文學院的研究者們設計的實驗,第一次證明了這個理論。當然,他們沒能丟個物體到一個黑洞中進行測量。

他們將多個小揚聲器擺成環形,向一個轉動的海綿盤發送聲波,在轉盤的另一面放上麥克風探測經過轉盤的聲波:以聲波模擬物體,以有超強吸收聲波能力的海綿盤模擬吞噬一切的黑洞,再從麥克風檢測拋出物體的能量。

結果他們觀測到,經過這個海綿轉盤後,聲波降低了它的頻率,可是之後聲音卻被放大了。研究者稱,由於多普勒頻移理論,導致聲波頻率的變化;而聲音的放大,則是潘羅斯機制的證據。

「從旋轉平面來看,被扭曲的聲波改變了它們的聲調。」這份研究的負責人克朗布(Marion Cromb)說,「如果平面轉速足夠快,聲波的頻率將發生奇特的現象——從正的頻率逐漸變成負的頻率,這時開始從轉動面吸收能量。」

後面出現的效果很驚人。隨著轉盤速度的加快,抵達麥克風的音調逐漸降低直到無聲。之後它又開始恢復到原來的水平,可是音量卻比揚聲器發出聲音大30%——說明聲波從轉盤得到了額外的能量。

「我們從實驗看到的效果很驚人。」克朗布說,「隨著轉速的增加,聲波出現多普勒頻移效應,遞減至零。當聲波從正頻率變成負頻率的時候,這些負頻率的聲波開始從轉盤中獲取能量,增強了音量。」

下一步,研究組計劃把實驗對像擴展至電磁波和光波,繼續檢驗黑洞的潘羅斯機制。

這份研究近期發表在《自然-物理學》(Nature Physics)期刊上。◇