宝马棋牌最新版下载-用“扭曲”的声音,验证50年前的理论

  来源:原理

  1969年,英国物理学家彭罗斯(Roger Penrose)提出,可以通过将一个物体下降到黑洞的能层来产生能量。能层是黑洞事件视界的外层,在那里,物体如果想要保持静止,就必须以比光速更快的速度移动。

  彭罗斯预测,物体将在这个不寻常的空间区域中获得负能量。如果有人丢下一个物体,并让这个物体一分为二,其中一半落入黑洞,而另一半则被重新收回,反冲的行为则可以测量负能量的损失,实际上,收回的一半将从黑洞的旋转中获得能量。

 彭罗斯与他提出的“从黑洞中获取能量”的设想。| 图片来源:University of Glasgow

  然而,这一过程在工程学上来说是极大的挑战,因此彭罗斯认为,只有非常先进的文明(或许是外星文明)才有机会实现从黑洞中获取能量。

  两年后,另一位名叫泽尔多维奇(Yakov Zel‘dovich)的物理学家提出,这个理论可以通过一个更实际的实验来检验。他认为,如果有一个金属圆柱体,以合适的速度旋转,由于旋转多普勒效应的特殊现象,“扭曲”的光波击中圆柱体的表面,最终会被从圆柱体旋转中获得额外的能量反射。

泽尔多维奇和他提出的从旋转的圆柱体中获能的想法。| 图片来源:University of Glasgow

  大多数人或许很熟悉“线性版本”的多普勒效应。比如,救护车在接近你时,你会听到警报的音调上升,但在救护车远离时,音调则会下降。更具体地说,当声源(或光源)相对于观测者移动时,观测者所接收到声波(或光波)的频率会发生变化。当源朝着接收方移动时,源的波长会变短,频率变高;如果源的移动方向是离接收方远去,那么波长会变长,频率降低。

多普勒效应。| 图片来源:新原理研究所

  旋转多普勒效应很相似,但它仅限于圆形空间。当从旋转表面测量时,扭曲的声波会改变音调。如果表面旋转得足够快,声波频率就会出现一些非常奇怪的现象,它可以从正频变成负频,这样做就会从表面的旋转中获得一些能量。

  事实上,泽尔多维奇的想法是理解一些黑洞行为的关键。但是,自1971年以来,这个想法一直停留在理论阶段,因为要想实验成功,他提出的金属圆柱体每秒至少需要旋转10亿次,这对目前人类的工程极限来说又是一个不可逾越的挑战。

  现在,格拉斯哥大学的研究人员终于找到了一种方法,用实验证明了彭罗斯和泽尔多维奇提出的理论。他们通过扭曲声音,而不是光完成了实验验证。声音是一种频率低得多的来源,因此在操作中更为实际。这项研究已于近日发表在《自然·物理学》上。

  研究团队使用一圈小型扬声器,在声波中制造扭曲,这很类似泽尔多维奇提出的光波的扭曲。这些扭曲的声波朝着由泡沫盘制成的旋转的吸收体。泡沫盘的旋转速度稳步提高,泡沫盘的后方有一组麦克风,它们会在声音通过圆盘时接收声音。

实验系统示意图。| 图片来源:University of Glasgow 

  为了确认彭罗斯和泽尔多维奇的想法是正确的,研究团队期待听到的是,由于多普勒效应的古怪影响,声波在穿过泡沫盘时的频率和振幅发生了明显的变化。

  在实验中,随着泡沫盘旋转的速度增加,扬声器发出的音调会下降,声波的频率被多普勒频移到零。随后,声音再次出现,声波已经从正频移到了负频,音调会再次上升,直到达到之前的音高。与此同时,这些负频率波能够从旋转的泡沫盘中吸收一些能量,声音也变得更大了——振幅增加了30%。这和泽尔多维奇在1971年所预言的现象吻合。

声波能够从旋转的泡沫盘中吸收一些能量,使振幅变大。| 图片来源:University of Glasgow

  研究人员表示,在彭罗斯和泽尔多维奇的理论提出半个世纪后,他们非常高兴能够通过实验来验证一些非常奇特的物理现象。尽管在现有技术水平下,直接利用光波或电磁波进行实验的难度还很大,但他们认为,类似的概念在原理上可以拓展到电磁波。他们期待未来能用更多不同来源探索这一效应。

  他们同时相信,这一结果解决了基础物理学中的一个重要问题,它也将开辟许多科学探索的新途径,为今后从旋转系统中获取能量的研究打下基础。