50多年前，物理学家罗杰·彭罗斯爵士提出了一个了不起的想法：在合适的条件下，可能从快速旋转的黑洞中提取能量。在他的概念中，进入黑洞的运动场（ergosphere）中的一个粒子，可能会在该区域的时空因物体的旋转被拖曳而分裂为两个部分。一个碎片将掉入黑洞，而另一个则逃离，并带走比原粒子更多的能量。后来，物理学家雅科夫·泽尔多维奇扩展了这一概念，预测与足够快速旋转的物体相互作用的波也可以获得能量并被放大。现在，纽约城市大学研究生中心的先进科学研究中心（CUNY ASRC）的研究人员展示了灵感来自这些长期理论的实验方法。团队在《自然》杂志上发表文章，显示使用模拟极端旋转的设备可以实现波的放大。 合成旋转重现极端物理 研究人员并没有机械地旋转一个物体，而是构建了一种无线电频率设备，其特性在空间和时间上迅速变化。这个精心设计的系统创造了超快速旋转的错觉，达到了远超传统机械系统所能实现的有效旋转速度。通过用合成旋转替代物理运动，研究人员克服了阻碍极端旋转物理实验研究数十年的挑战。主要研究员、CUNY研究生中心的杰出教授和爱因斯坦物理学教授安德烈·阿卢表示：“我们的方法促进了一种新的波-物质相互作用的方法，其中具有特定旋转特性的波从合成时间工程旋转中提取能量，产生一种宽带选择性放大的形式。” 主要作者、CUNY ASRC光子学计划的博士后研究员哈迪塞·纳萨里表示，实验将一个长期以来的理论概念转化为一个实用的研究工具。“这项成功的实验将关于极端旋转动力学的想法从理论转向实践，并为探索天体物理学、波物理学和量子科学交汇处的广泛现象创建了一个多功能实验平台，”纳萨里说。“这项工作对基础科学以及通信、光学和光子学的进展具有重要意义。” 实验如何进行 研究人员设定了一个基本问题：与完全静止设备相互作用的电磁波是否可以表现得像它们遇到的是一个以超快速旋转的物体，并从这种合成运动中获取能量？为了调查这一点，他们构建了一个电子谐振器的环，这些谐振器的特性以精确同步的序列迅速调整。尽管硬件本身从未移动，但这些时序变化在环周围生成了一个移动模式。因此，电磁波有效地将该系统视为以非常快速的速度旋转。“具有适当旋转特征的波从系统中提取能量并得到放大，再现了彭罗斯-泽尔多维奇过程的基本物理学，”共同第一作者、曾任CUNY ASRC光子学计划的博士生哈迪·穆萨说。“我们的方法依赖于经过设计的超材料，这些材料旨在控制波的传播方式。” 黑洞物理之外的潜在应用 由于合成旋转可以模仿超光速的运动，研究人员现在拥有一个受控的实验室平台，探索其他情况，否则不可能直接研究。这项工作为研究极端物理创造了新的机会，同时也指向未来在无线通信、光学、光子学和量子技术方面的进展。研究人员指出，在这些想法可以转化为实用设备之前，需要进行更多的工作。他们还认为相同的原理可以应用于光子和量子系统，新可能性将开启对于光的控制、信息处理和研究宇宙中一些最极端环境下的波行为。此研究得到了美国国防部、美国国家科学基金会和西蒙斯基金会的支持。