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彭罗斯对广义相对论的贡献

已有 3337 次阅读 2021-3-15 11:16 |系统分类:人物纪事

随着彭罗斯的获奖,他对广义相对论的贡献也引起了人们的关注。彭罗斯是和另外两位物理学家共同获得诺贝尔物理学奖的。三个人的获奖原因则是因为他们对黑洞研究的重要贡献。而导致他们的研究受到重视的另一个更重要的原因在于黑洞被证实确实是存在的。包括安德烈·盖斯和莱因哈德·根泽尔等人发现在银河系中心存在一个巨大的黑洞,当然还有对M87星系中心黑洞的研究以及照片的成功拍摄。而彭罗斯则是相关黑洞理论研究的最重要的学者。自然黑洞的最终被确认离不开理论物理学家和实验物理学家们的贡献。

另外我感觉彭罗斯能够获得诺贝尔奖还跟他提出的彭罗斯过程在实验上被一定程度证实有关系。彭罗斯过程指的是在有角动量的克尔黑洞周围存在一个能层,该能层的时间和空间出现如同黑洞内部那样的调换。因此物体掉落到这个能层之后将不可能静止下来。如果一个物体掉进能层之后,变成两个碎片,其中一个碎片将获得负能量并永久地掉落黑洞之中,而另一个碎片则可以获得正能量并快速地飞出黑洞的能层,向无穷远处飞出去。彭罗斯过程的一个很重要的特性就是飞向无穷远处的碎片获得的能量大于整个物体进入能层之前的能量。从能量守恒的角度来进行分析,之所以能够产生这样的效应,是由于飞出去的碎片实际上是从黑洞的旋转角动量中获得了额外的能量。这被称作从黑洞中提取能量的一种方法。

当然彭罗斯过程目前来看是无法直接观察到的,毕竟我们现在对黑洞的观察也还仅仅是做到拍摄一张模糊不清的照片而已。不过在2020年的时候一个研究小组找到了模拟彭罗斯过程的方法。这就是将一束纠缠在一起的声音信号射向一个高速旋转的金属圆盘,当金属圆盘的转速越来越快的时候,研究者发现从金属圆盘上面反射出来的声音频率开始逐渐降低,这是由于旋转开普勒效应引起的。当研究者将金属圆盘的转速继续加快,就发现反射出来的声音信号频率逐渐降低到0,然后开始变成负频率。让他们感到奇怪的是,继续加快圆盘的转速,负频率开始逐渐增加,最终这种负频率的声音其对应的能量超出了入射声音的能量。这在一定程度上模拟了黑洞能层的彭罗斯过程。就是说至少在理论上证实了彭罗斯过程是可以实现的。今后如果有条件,在实际的黑洞周围观察到彭罗斯过程的可能性也就大为增加了。

诺贝尔物理学奖历来对理论能否被实验证实是很重视的,考虑到黑洞的存在已经被证实(包括银河系中心的黑洞的发现、M87星系中心的黑洞照片被成功拍摄出来等),加上实验室中成功模拟出彭罗斯过程,都说明彭罗斯的理论可信度是非常高的。因此彭罗斯获得诺贝尔奖可以说是当之无愧!




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