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彭罗斯说能从黑洞里抽出能量,半个世纪后,一块静止的电路板做到了

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彭罗斯说能从黑洞里抽出能量,半个世纪后,一块静止的电路板做到了

旋转黑洞的能层可以把一束波放大——这是彭罗斯 1969 年提出、泽尔多维奇随后推广到波的预言,但没有任何机械装置能转得够快去验证它。CUNY 团队用时空调制的谐振器阵列造出"合成旋转",硬件一动不动,却让电磁波以为自己撞上了一个超高速旋转的物体。

1969 年,罗杰·彭罗斯提出一个取巧的办法:往旋转黑洞的能层里扔一个粒子,让它分裂成两块,一块带着负能量掉进去,另一块逃出来。逃出来的那块,能量比原来那个粒子更多——多出来的部分记在黑洞的转动账上。

雅可夫·泽尔多维奇随后把这套算法搬到了波上:一束波打在转得足够快的物体上,也能从旋转里抽能量,出来时振幅更大。这就是旋转超辐射。麻烦在于"转得足够快"这个条件:任何机械装置在达到所需转速之前就先被离心力撕碎了,几十年里没人能在实验台上见到它。

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图1:粒子在能层内分裂,负能量部分落入黑洞,逃逸部分带走更多能量

不动的硬件,转动的图案

CUNY 研究生中心的 ASRC 团队绕开了机械限制。他们做的是一圈射频电子谐振器,用计算机按时序逐个改变每个谐振器的电磁参数。一个变完下一个接着变,绕着环循环下去,形成一道沿环奔跑的调制图案。

电路板本身纹丝不动。但对进入其中的电磁波来说,它面对的是一个性质在绕圈移动的介质,和撞上一个高速旋转的物体没有区别。这种手法属于时空调制的范畴,本次用的是周期性驱动,论文标题里的 Floquet 就指这个。图案的等效转速可以远超任何机械转子,甚至超过光速——但这只是图案的相速度,没有物质和信息以那个速度移动。

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图2:参数按时序沿环变化,形成奔走的调制图案,等效出一个旋转介质

不是所有波都被放大

实验的重点不是"放大了",而是"选择性地放大"。只有角动量和频率与合成旋转匹配的那部分波,才从调制里抽到能量,其余的波基本不受影响。团队由此得到一种宽带、可按旋转特征筛选的放大方式。

论文第一作者 Hadiseh Nasari 的说法是,这项工作把极端旋转动力学从理论搬进了实验室。负责人 Andrea Alù 把它的价值定位在一个可控的实验平台上——天体物理里那些没法直接碰的极端条件,现在可以在台面上用电路模拟。团队同时提醒,走向实用器件还需要后续工程,同样的思路可以往光子和量子平台上推。

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