黑洞也能“爆炸”？科學(xué)家首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)50年前的驚人預(yù)言

如果有一種裝置能從黑洞中抽取能量并持續(xù)放大，直至引發(fā)"爆炸"，你會(huì)相信嗎？這聽起來(lái)像是科幻電影的情節(jié)，但2025年3月，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)卻在實(shí)驗(yàn)室中成功模擬了這一過(guò)程。這種被稱為"黑洞炸彈"的理論概念，正在顛覆我們對(duì)宇宙最神秘天體的認(rèn)知，從根本上挑戰(zhàn)了我們長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)黑洞的理解。

我們都知道，黑洞是宇宙中引力極強(qiáng)的天體，連光線都無(wú)法逃脫其"魔爪"，一旦物質(zhì)越過(guò)事件視界，就會(huì)被永遠(yuǎn)吞噬。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了這些奇異天體，它們代表著時(shí)空的極端彎曲，形成了所謂的"奇點(diǎn)"——密度無(wú)限大的點(diǎn)。當(dāng)一顆質(zhì)量足夠大的恒星燃料耗盡、核心坍縮時(shí)，就可能形成黑洞。2019年，人類通過(guò)事件視界望遠(yuǎn)鏡首次拍攝到M87星系中心黑洞的"照片"，進(jìn)一步確認(rèn)了這些神秘天體的存在。傳統(tǒng)理解中，黑洞似乎只會(huì)"索取"而不會(huì)"付出"，是宇宙中的"終極吞噬者"。

但鮮為人知的是，早在1969年，諾貝爾獎(jiǎng)得主羅杰·彭羅斯提出了一個(gè)反直覺(jué)的理論：旋轉(zhuǎn)的黑洞實(shí)際上可以被"榨取"能量！當(dāng)波動(dòng)（如光波或粒子波）以特定方式接近旋轉(zhuǎn)黑洞時(shí)，它們可以從黑洞的自轉(zhuǎn)中獲取能量并被放大，這一過(guò)程被稱為"超輻射"。彭羅斯的這一洞見(jiàn)顛覆了當(dāng)時(shí)主流的黑洞觀念，開創(chuàng)了黑洞熱力學(xué)和量子效應(yīng)研究的新領(lǐng)域，最終為霍金輻射等更深層次理論的提出奠定了基礎(chǔ)。

要理解超輻射，可以想象一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的游泳池漩渦。如果你順著漩渦旋轉(zhuǎn)方向輕推水波，這些水波會(huì)被漩渦加速并變得更強(qiáng)。而如果你逆著漩渦方向推動(dòng)水波，它們會(huì)被削弱。類似地，當(dāng)電磁波以低于黑洞自轉(zhuǎn)角速度的頻率入射時(shí)，它們會(huì)與黑洞的"能量提取區(qū)"相互作用，從中獲取能量并以更大幅度反射回來(lái)。能量提取區(qū)是一個(gè)環(huán)繞事件視界的特殊區(qū)域，在這里，時(shí)空本身被黑洞高速旋轉(zhuǎn)所拖拽，任何物體都被迫跟隨黑洞旋轉(zhuǎn)，即使光線也無(wú)法靜止或反向運(yùn)動(dòng)。

從數(shù)學(xué)角度看，彭羅斯的理論可以用相對(duì)論方程描述：當(dāng)入射波頻率ω滿足條件ω < mΩ時(shí)（其中m為波動(dòng)量子數(shù)，Ω為黑洞角速度），波動(dòng)會(huì)從黑洞中提取能量并被放大。根據(jù)計(jì)算，這種放大效應(yīng)雖然每次幅度有限，但確實(shí)能從黑洞的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能中"竊取"能量。這揭示了黑洞不僅是能量的"黑洞"，也可以是能量的"源泉"，完全改變了我們對(duì)這些宇宙巨獸的認(rèn)知。

問(wèn)題在于，單純的超輻射只能實(shí)現(xiàn)一次性的能量提取，遠(yuǎn)稱不上"炸彈"。直到1972年，物理學(xué)家威廉·普雷斯與索爾·特科爾斯基提出了一個(gè)驚人的設(shè)想：如果在黑洞周圍設(shè)置一個(gè)環(huán)形"鏡子"，將放大后的波再次反射回黑洞區(qū)域會(huì)怎樣？

這就像兩面鏡子面對(duì)面進(jìn)行擺放，里面的物體就會(huì)來(lái)回來(lái)回的反射，并且是無(wú)限次反射。不過(guò)不同的是，黑洞旁邊放置的這面"鏡子"，每次反射都會(huì)放大能量。理論計(jì)算表明，在這種布局下，波動(dòng)會(huì)在黑洞和鏡子之間來(lái)回"彈跳"，每次都從黑洞獲取更多能量，最終導(dǎo)致能量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，產(chǎn)生災(zāi)難性的爆發(fā)——這就是"黑洞炸彈"效應(yīng)。

普雷斯和特科爾斯基通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明，這種機(jī)制下的能量增長(zhǎng)率與黑洞質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度密切相關(guān)。對(duì)于接近極限自轉(zhuǎn)速度的克爾黑洞，理論上能量積累可在數(shù)小時(shí)內(nèi)達(dá)到宇宙學(xué)尺度，遠(yuǎn)超新星爆發(fā)釋放的能量。當(dāng)然，這里的"爆炸"并非黑洞本身被摧毀，而是指環(huán)繞黑洞的能量場(chǎng)達(dá)到極端強(qiáng)度并劇烈釋放。

自1972年這一理論提出后，多位物理學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)完善。1985年，卡迪茲等人的計(jì)算表明，不同角量子數(shù)m的波動(dòng)模式會(huì)以不同速率增長(zhǎng)，形成復(fù)雜的波動(dòng)譜。2009年，東京大學(xué)的研究小組通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬了黑洞炸彈的完整動(dòng)力學(xué)過(guò)程，顯示能量放大率可達(dá)每30微秒增長(zhǎng)一倍，這在宇宙標(biāo)準(zhǔn)下是極為迅速的過(guò)程。

在宇宙中，自然形成的粒子云或引力透鏡可能形成類似"鏡面"的作用，理論上可能觸發(fā)這種不穩(wěn)定性。若這種情況真實(shí)發(fā)生，將產(chǎn)生極為劇烈的能量釋放，可能解釋某些高能宇宙現(xiàn)象的起源，如快速射電暴或超高能宇宙射線的產(chǎn)生機(jī)制。有天文學(xué)家甚至推測(cè)，某些類星體的巨大能量輸出可能與中心超大質(zhì)量黑洞的超輻射機(jī)制有關(guān)，盡管這仍是假說(shuō)階段。

盡管黑洞炸彈理論在數(shù)學(xué)上行得通，但由于無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建真正的黑洞，這一概念始終停留在理論層面，直到最近。

2025年3月，一個(gè)由南安普敦大學(xué)、格拉斯哥大學(xué)和意大利國(guó)家研究委員會(huì)組成的研究團(tuán)隊(duì)，首次在地球上模擬了這一驚人效應(yīng)。他們的實(shí)驗(yàn)基于1971年蘇聯(lián)物理學(xué)家雅科夫·澤爾多維奇提出的另一個(gè)關(guān)鍵理論：任何旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體都可以對(duì)入射的電磁波進(jìn)行放大，這一效應(yīng)成為超輻射在實(shí)驗(yàn)室模擬中的理論基石。

研究團(tuán)隊(duì)巧妙地用一根直徑約10厘米，高度約20厘米旋轉(zhuǎn)的鋁柱來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)黑洞，鋁材質(zhì)被選中是因?yàn)槠淞己玫膶?dǎo)電性與機(jī)械穩(wěn)定性。再通過(guò)環(huán)繞鋁柱的高品質(zhì)磁線圈構(gòu)建"鏡面"反射系統(tǒng)，每層線圈之間通過(guò)空氣隙和絕緣層隔離，確保電磁耦合主要發(fā)生在預(yù)定頻帶內(nèi)。Q值是諧振系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)，數(shù)值越高意味著能量損耗越小，回波能夠在系統(tǒng)中多次往返而不被迅速耗散。

實(shí)驗(yàn)初期，研究人員在外部導(dǎo)入微弱的電磁波信號(hào)，并通過(guò)高靈敏磁場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)入射與反射信號(hào)。當(dāng)鋁柱以每分鐘2000多轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，團(tuán)隊(duì)觀察到入射的微弱電磁信號(hào)在單次循環(huán)后就增強(qiáng)了15%以上，遠(yuǎn)超普通諧振衰減模型所能解釋的水平。

更令人震驚的是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入第二階段，團(tuán)隊(duì)撤除外部電磁激勵(lì)，僅保留鋁柱旋轉(zhuǎn)和線圈諧振條件時(shí)，系統(tǒng)中的熱噪聲竟然足以觸發(fā)自發(fā)振蕩，這些微弱的起始信號(hào)被迅速放大，振幅在短短數(shù)十毫秒內(nèi)增長(zhǎng)近百倍，最終導(dǎo)致部分電路元件因能量過(guò)載而產(chǎn)生火花甚至損毀。這一現(xiàn)象清晰地展示了在不需外部持續(xù)驅(qū)動(dòng)的情況下，系統(tǒng)依舊能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界增益和自發(fā)能量釋放，完美驗(yàn)證了"黑洞炸彈"效應(yīng)的核心特征：自發(fā)的指數(shù)級(jí)能量增長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬，科研團(tuán)隊(duì)證實(shí)了超輻射效應(yīng)在旋轉(zhuǎn)體周圍對(duì)波動(dòng)增益的本質(zhì)機(jī)制。2023年發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的預(yù)備研究顯示，這一模擬系統(tǒng)有望幫助天文學(xué)家更好地理解類星體、伽馬射線暴等高能天體現(xiàn)象的能量機(jī)制。有學(xué)者推測(cè)，近年來(lái)觀測(cè)到的快速射電暴可能與類似機(jī)制相關(guān)，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出極短時(shí)間內(nèi)的巨大能量釋放特征。

英國(guó)著名物理學(xué)家斯蒂芬·霍金曾說(shuō)："黑洞不像我們想象的那樣黑"，指的就是黑洞不僅能吸收能量，還能以不同形式釋放能量。而如今的"黑洞炸彈"實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步印證了這一觀點(diǎn)，展示了黑洞動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性與豐富性。

正如著名物理學(xué)家約翰·惠勒所說(shuō)："黑洞教會(huì)我們，宇宙不僅比我們想象的更奇怪，甚至比我們能夠想象的還要奇怪。"——科學(xué)永遠(yuǎn)在顛覆認(rèn)知的路上。