一個懸而未決超過半世紀的物理預測，終於從理論走進實驗室。科學家首次透過實驗直接驗證旋轉超輻射現象，證明波可從物體旋轉過程「竊取能量」。
2020 年諾貝爾物理學獎得主──英國數學物理學家羅傑·彭羅斯（Sir Roger Penrose），曾在 50 年前提出一個驚人理論：可以從快速旋轉的黑洞竊取能量。
旋轉黑洞周圍外面有個特殊區域稱為動圈（ergosphere），在這個區域，黑洞旋轉力量強大到連時空本身都被「拖著旋轉」，而彭羅斯提出，如果一顆粒子進入動圈後分裂成兩半，其中一個會陷入黑洞，另一個則攜帶比原始粒子更多的能量逃逸，多出來的能量「竊取」自黑洞旋轉動能。
這個過程理論上完全合理，不違反任何物理定律。
後來，前蘇聯理論天體物理學家雅科夫·澤爾多維奇（Yakov Zel’dovich）進一步將此概念延伸至「波」，他預測當一道波（如電磁波、聲波、量子波）與旋轉速度夠快的物體交互作用，這道波不只不會被吸收或反射，還會從物體旋轉過程汲取能量，最後以更高強度離開。
該現象稱為旋轉超輻射（Rotational Superradiance），理論建構相當嚴謹，但存在實驗痛點：計算表明要量測超輻射效應，物體旋轉速度必須接近光速，對當前任何機械裝置來說都不太可能達到，因此過去半世紀以來，此現象只存於理論，從未被實驗室直接驗證，透過天文觀測難度也極高。
現在，紐約市立大學研究生中心（CUNY ASRC）團隊展示放大此類波的新思路：製造一個「看起來在高速旋轉」的系統。
繞過物理極限
研究人員實際上並未讓物體以極快速度旋轉，而是開發出模仿旋轉並隨空間時間變化的電波設備，使送入系統的波「感覺」自己在和一個高速旋轉的物體交互作用，這種「合成旋轉」最終能模擬遠超機械極限的旋轉速度。
接下來就是測試波能否從合成旋轉過程提取能量。
實驗結果證實了旋轉超輻射現象存在，當具特定旋轉特性的電磁波被送入這種環形系統，確實從合成旋轉汲取能量，以比進入時更高的強度離開。
這是科學家首次於受控實驗室環境直接驗證旋轉超輻射，突破過去 50 多年「相信理論卻無法直接證明」的困境。
這種方法未來可用來驗證其他仍是純理論的預測，比如各種量子光學效應；也能成為通往實際技術應用的橋樑，包括無線通訊（設計新型天線或訊號處理元件）、古典光學（改善光學元件設計）、量子光學領域（改善量子運算與量子通訊）。
（首圖來源：pixabay）
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