英國美國物理學家攜手合作,首次在實驗室中成功製造出「黑洞炸彈」(black hole bomb),驗證了塵封逾半世紀的理論模型,為解開宇宙中黑洞旋轉與能量放大的奧秘邁出關鍵一步。

根據《Live Science》報導,這項研究由英國南安普敦大學(University of Southampton)與格拉斯哥大學(University of Glasgow)等機構的研究團隊共同完成,並已發表於線上預印本平台 arXiv。研究團隊設計出一套模擬系統,能在實驗室環境中重現早年提出的「澤爾多維奇效應」(Zel’dovich effect),並藉此驗證所謂的「黑洞炸彈」概念。

「黑洞炸彈」理論最早由美國物理學家威廉・普雷斯(William Press)與索爾・圖科斯基(Saul Teukolsky)於 1972 年提出。該理論指出,若能將旋轉黑洞發出的電磁波以「鏡子」形式反射回去,將可能造成能量的指數級放大,最終導致類似炸彈般的能量釋放。

這一理論建基於英國數學物理學家、諾貝爾獎得主羅傑・彭羅斯(Roger Penrose)1969 年提出的黑洞能量提取機制,以及前蘇聯天體物理學家雅科夫・澤爾多維奇(Yakov Zel’dovich)於 1971 年的研究,後者指出旋轉物體在特定條件下可以放大電磁波,即所謂的「澤爾多維奇效應」。

「黑洞炸彈」理論最早由美國物理學家威廉・普雷斯(William Press)與索爾・圖科斯基(Saul Teukolsky)於 1972 年提出。 圖:翻攝自X帳號@ExploreCosmos_

此次實驗中,研究人員利用一個由電動馬達驅動的旋轉鋁製圓柱體,外部纏繞三層金屬線圈。這些線圈能產生磁場並將其反射回圓柱體,模擬黑洞周圍的「反射鏡」結構。

當研究團隊將微弱磁場施加於裝置時,觀察到圓柱體反射出的磁場強度遠高於原本輸入,呈現出明顯的「超輻射」(superradiance)現象,亦即能量被放大。而當線圈內原有的磁場被清除後,系統仍會自行產生電磁波,並持續放大,證實旋轉與能量增幅之間的動力學互動。

報告撰寫人之一、格拉斯哥大學物理研究員瑪麗亞・布拉伊多蒂(Maria Chiara Braidotti)指出,雖然實驗中並未涉及真正的黑洞,但所創造出的模擬裝置足以驗證一項關鍵物理原理:「旋轉超輻射」以及「指數級能量放大」是普遍的物理現象,並不限於黑洞系統。

她強調,這一實驗模型不僅有助於理解黑洞旋轉機制,更為探索天體物理、熱力學與量子理論的交叉領域開闢了嶄新路徑。

布拉伊多蒂強調,這一實驗模型不僅有助於理解黑洞旋轉機制,更為探索天體物理、熱力學與量子理論的交叉領域開闢了嶄新路徑。   圖:翻攝自X帳號@QuanticASI