科學家製造出「黑洞炸彈」

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科學家在實驗室製造出「黑洞炸彈」史上首次



科學家首次在實驗室中製造出「黑洞炸彈」（black hole bomb），驗證了已經存在超過半個世紀的理論。這項突破有助於科學家更好地了解宇宙中的黑洞如何旋轉與相關領域的概念。


據生活科學（Live Science）網站報導，美國物理學家普雷斯（William Press）和圖科斯基（Saul Teukolsky）在1972年描述了一種被稱為「黑洞炸彈」的理論現象，意指鏡子會反射並以指數等級大幅放大旋轉黑洞所發出的電磁波。


這個觀點可以追溯到另外兩名物理學家奠定的基礎。其一是英國數學物理學家暨諾貝爾獎得主彭羅斯（Roger Penrose），他在1969年提出了一種從旋轉黑洞中提取能量的方法。

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隨後，前蘇聯天體物理學家澤爾多維奇（Yakov Zel’dovich）在1971年經研究發現，在適當的條件下，旋轉的物體可以放大電磁波。這種現象被稱為澤爾多維奇效應（Zel’dovich effect）。


如今，英國南安普敦大學（University of Southampton）和格拉斯哥大學（University of Glasgow）等研究機構的物理學家在實驗室內製造出能驗證澤爾多維奇效應的「黑洞炸彈」，有助於天體物理學家更好地了解黑洞如何旋轉。


在這項研究中，研究人員利用澤爾多維奇效應的概念來進行實驗。他們設計了電動馬達帶動旋轉的鋁製圓柱體，並在其周圍纏繞三層金屬線圈。這些線圈會產生磁場並將其反射回圓柱體，起到鏡子的作用。


當研究人員將很弱的磁場指向圓柱體時，他們觀察到圓柱體反射的磁場比較強，呈現出超輻射（superradiance），亦即被大幅放大。


接下來，他們清除了線圈最初的弱磁場。然而，此時電路會產生自己的電磁波，旋轉的圓柱體會將其放大，使線圈聚集能量。在圓柱體的旋轉速度和放大的磁場之間，澤爾多維奇效應正在全面展開。


澤爾多維奇先前也預測，如果旋轉吸收體（如圓柱體）的表面移動速度比入射波更快，它將從吸收轉變為放大，而這項實驗也證實了這一點。


研究人員在發表於線上預印本資料庫arXiv上的報告中說：「這裡介紹的實驗是旋轉的吸收體放大器直接實現。該放大器由澤爾多維奇於1971年首次提出，後來由普雷斯和圖科斯基發展為黑洞炸彈的概念。」


這項研究的報告撰寫人之一、格拉斯哥大學的物理學研究員布拉伊多蒂（Maria Chiara Braidotti）告訴生活科學網站說，雖然該團隊沒有創造出真正的黑洞，但這個類似的裝置證明了一個關鍵概念——旋轉超輻射和指數等級放大是普遍存在的，而且不僅適用於黑洞。


布拉伊多蒂說，這個模型還能幫助物理學家了解黑洞如何旋轉以及天文物理學、熱力學和量子理論等領域相互交叉的概念。