科学家在实验室制造出“黑洞炸弹” 史上首次

科学家首次在实验室中制造出能验证泽尔多维奇效应的“黑洞炸弹”。此为黑洞示意图。(NASA/JPL-Caltech)

科学家首次在实验室中制造出“黑洞炸弹”（black hole bomb），验证了已经存在超过半个世纪的理论。这项突破有助于科学家更好地了解宇宙中的黑洞如何旋转与相关领域的概念。

据生活科学（Live Science）网站报导，美国物理学家普雷斯（William Press）和图科斯基（Saul Teukolsky）在1972年描述了一种被称为“黑洞炸弹”的理论现象，意指镜子会反射并以指数等级大幅放大旋转黑洞所发出的电磁波。

这个观点可以追溯到另外两名物理学家奠定的基础。其一是英国数学物理学家暨诺贝尔奖得主彭罗斯（Roger Penrose），他在1969年提出了一种从旋转黑洞中提取能量的方法。

随后，前苏联天体物理学家泽尔多维奇（Yakov Zel’dovich）在1971年经研究发现，在适当的条件下，旋转的物体可以放大电磁波。这种现象被称为泽尔多维奇效应（Zel’dovich effect）。

如今，英国南安普敦大学（University of Southampton）和格拉斯哥大学（University of Glasgow）等研究机构的物理学家在实验室内制造出能验证泽尔多维奇效应的“黑洞炸弹”，有助于天体物理学家更好地了解黑洞如何旋转。

在这项研究中，研究人员利用泽尔多维奇效应的概念来进行实验。他们设计了电动马达带动旋转的铝制圆柱体，并在其周围缠绕三层金属线圈。这些线圈会产生磁场并将其反射回圆柱体，起到镜子的作用。

当研究人员将很弱的磁场指向圆柱体时，他们观察到圆柱体反射的磁场比较强，呈现出超辐射（superradiance），亦即被大幅放大。

接下来，他们清除了线圈最初的弱磁场。然而，此时电路会产生自己的电磁波，旋转的圆柱体会将其放大，使线圈聚集能量。在圆柱体的旋转速度和放大的磁场之间，泽尔多维奇效应正在全面展开。

泽尔多维奇先前也预测，如果旋转吸收体（如圆柱体）的表面移动速度比入射波更快，它将从吸收转变为放大，而这项实验也证实了这一点。

研究人员在发表于线上预印本资料库arXiv上的报告中说：“这里介绍的实验是旋转的吸收体放大器直接实现。该放大器由泽尔多维奇于1971年首次提出，后来由普雷斯和图科斯基发展为黑洞炸弹的概念。”

这项研究的报告撰写人之一、格拉斯哥大学的物理学研究员布拉伊多蒂（Maria Chiara Braidotti）告诉生活科学网站说，虽然该团队没有创造出真正的黑洞，但这个类似的装置证明了一个关键概念——旋转超辐射和指数等级放大是普遍存在的，而且不仅适用于黑洞。

布拉伊多蒂说，这个模型还能帮助物理学家了解黑洞如何旋转以及天文物理学、热力学和量子理论等领域相互交叉的概念。