Bomba z czarnej dziury stworzona w laboratorium. - To jakby rzucić kamień i zobaczyć, że wraca do nas jako… kula armatnia
Czarne dziury to jedne z najbardziej fascynujących i tajemniczych obiektów we wszechświecie. Ich grawitacyjne macki są tak potężne, że nawet światło nie ma szansy ucieczki. Ale co jeśli dałoby się z nich wydobywać energię? Brzmi jak science fiction, ale fizycy właśnie zbudowali coś, co przez dekady istniało jedynie na papierze - bombę z czarnej dziury. I choć na szczęście nie użyli do tego prawdziwej czarnej dziury, lecz wirującego aluminiowego cylindra, zasady fizyki są dokładnie takie same.
Informację o tym niezwykłym i oszałamiającym eksperymencie podał serwis New Scientist, który donosi, że fizycy zbudowali pierwszą "bombę z czarnej dziury". To od dawna teoretyzowane zjawisko, w którym energia jest wzmacniana przez czarną dziurę i więziona przez otaczające ją lustra, aż do wybuchu.
Na szczęście ta wersja jest bezpieczna i nie wykorzystuje prawdziwej czarnej dziury, ale ponieważ zasady fizyczne są identyczne, jej badanie może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, jak wirują prawdziwe czarne dziury.
Zaczęło się od Penrose’a i Zeldowicza
W 1969 r. brytyjski fizyk Roger Penrose zasugerował, że czarne dziury mogą oddawać energię. Wystarczy, by cząstka wleciała blisko tzw. ergosfery – obszaru wokół wirującej czarnej dziury – i z odpowiednią trajektorią została z niej wyrzucona z większą energią niż miała na początku.
Rok później radziecki fizyk Jakow Zeldowicz zaproponował coś jeszcze bardziej intrygującego - podobny efekt może zajść nie tylko wokół czarnej dziury, ale też… w laboratorium.
Zeldowicz przewidział, że światło (czy szerzej – fale elektromagnetyczne) może być wzmacniane, jeśli zostanie odbite od szybko obracającego się metalowego cylindra. Efekt ten nazwano superpromieniowaniem (ang. superradiance). Teoretycznie jeśli otoczymy taki cylinder lustrzaną powłoką, odbijane fale będą się kumulować, wzmacniając z każdą odbitą turą, aż do wybuchu. Tak właśnie działa "bomba z czarnej dziury" – z pozoru niemożliwa, ale fizycznie realna.
Więcej o czarnych dziurach przeczytasz na Spider's Web:
Z teorii do rzeczywistości – dzięki nudzie w pandemii
Choć pomysł Zeldowicza był genialny, miał jedną wadę - potrzebował ekstremalnych prędkości rotacji, niemożliwych do osiągnięcia dla jakiejkolwiek zwykłej materii. Dlatego przez pół wieku pozostawał w sferze teorii. Aż do pandemii COVID-19.
Fizyk z Uniwersytetu w Southampton Richard Ulbricht, spędzając lockdown w Anglii, postanowił zająć się czymś kreatywnym. W domowych warunkach zbudował pierwszą wersję eksperymentu - obracający się aluminiowy cylinder otoczony cewkami magnetycznymi. Ku jego zdziwieniu – i zachwytowi – eksperyment zadziałał. Fale elektromagnetyczne rzeczywiście były wzmacniane, dokładnie jak przewidział Zeldowicz.
- To było niesamowite. Po prostu siedziałem w zamknięciu, zbudowałem eksperyment i nagle zobaczyłem wzmocnienie sygnału. To mnie dosłownie uratowało psychicznie podczas pandemii – powiedział New Scientist Ulbricht.
Jak działa bomba z czarnej dziury?
W laboratoryjnej wersji zamiast prawdziwej czarnej dziury mamy cylinder z aluminium, który obraca się z pomocą silnika elektrycznego. Trzy warstwy cewek tworzą wokół niego obracające się pole magnetyczne. Te cewki pełnią rolę lustrzanej powłoki, a pole magnetyczne zachowuje się jak światło. Efekt? Gdy wprowadzimy słaby sygnał elektromagnetyczny, system oddaje go z nawiązką – tak jakby wyciskał energię z samego obrotu cylindra.
To dokładnie tak, jakby rzucić kamień i zobaczyć, że wraca do nas jako... kula armatnia. Rzucasz falę o niskiej częstotliwości na obracający się cylinder, a wraca coś silniejszego. To kompletnie nieintuicyjne! – komentuje Vitor Cardoso, fizyk z Uniwersytetu w Lizbonie.
Eksperyment wykazał, że nawet jeśli początkowo nie wprowadzimy zewnętrznego pola magnetycznego, sam system zacznie generować sygnał. To dowód na to, że superpromieniowanie może samoistnie wystartować, zupełnie jak teoretyczna bomba z czarnej dziury.
Czarna dziura jako detektor cząstek?
Dlaczego to wszystko jest takie ważne? Bo pozwala testować bardzo trudne i abstrakcyjne koncepcje fizyczne w bezpiecznych, ziemskich warunkach. A wnioski mogą być rewolucyjne.
Czarne dziury mogą oddawać swoją energię nie tylko cząstkom, które już znamy, ale także tym, które dopiero podejrzewamy – np. cząstkom ciemnej materii. Gdyby te cząstki istniały, czarne dziury mogłyby emitować charakterystyczne fale grawitacyjne, gubiąc przy tym energię. A to z kolei mogłoby być wykrywane przez nasze detektory, dając nam nowy sposób badania tajemniczego, ciemnego Wszechświata.
Superpromieniowanie zamienia czarne dziury w detektory cząstek – i to znacznie lepsze niż Wielki Zderzacz Hadronów w CERN – dodaje Cardoso.
Bomba, która nie wybuchnie – ale może zmienić fizykę
Oczywiście nikt nie planuje budować prawdziwych bomb z czarnych dziur. Wersja laboratoryjna jest całkowicie bezpieczna i kontrolowana. Ale daje nam coś, czego do tej pory brakowało: realne dane, które potwierdzają teorie liczące sobie ponad 50 lat. A to ogromny krok w zrozumieniu, jak działa Wszechświat.
Na razie bomba z czarnej dziury to zabawka dla fizyków, ale kto wie – może kiedyś pomoże nam zrozumieć naturę energii, cząstek, a nawet da klucz do okiełznania ciemnej materii.
