Można ukraść energię z czarnej dziury. Ożyła teoria sprzed 50 lat

Ponad 50 lat temu fizyk Sir Roger Penrose zaproponował niezwykłą koncepcję: w odpowiednich warunkach możliwe byłoby wydobycie energii z szybko wirującej czarnej dziury. Ale jak to możliwe skoro czarna dziura pochłania absolutnie wszystko?

Sekret kryje się w ergosferze. Jest to obszar otaczający czarną dziurę, znajdujący się jeszcze nad horyzontem zdarzeń, z którego nic już nie może uciec. Gdy czarna dziura obraca się, a wszystkie znane nam czarne dziury rotują, w ergosferze dochodzi do zjawiska "wleczenia" czasoprzestrzeni. Obrotowa czarna dziura wiruje i ciągnie za sobą całą otaczającą ją przestrzeń oraz czas. Wszystko, co znajduje się w ergosferze, jest zmuszone poruszać się w tym samym kierunku, co czarna dziura.

Zgodnie z teorią Sir Rogera Penrose'a cząstka wpadająca do ergosfery czarnej dziur jest ciągnięta przez obrót obiektu i mogłaby się rozdzielić na dwie części. Jeden fragment wpadłby do czarnej dziury, a drugi uciekłby, zabierając ze sobą więcej energii niż pierwotna cząstka.

Później fizyk Jakow Zeldowicz rozwinął tę koncepcję, przewidując, że fale oddziałujące z obiektem obracającym się wystarczająco szybko również mogłyby zyskać energię i ulec wzmocnieniu.

Teraz naukowcy z Advanced Science Research Center przy nowojorskiej uczelni CUNY (CUNY ASRC) zaprezentowali eksperyment inspirowany tymi teoriami. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature zespół wykazał, że wzmocnienie fal można uzyskać za pomocą urządzenia symulującego ekstremalny obrót bez fizycznego wirowania.

Największą barierą w testowaniu teorii Penrose'a i Zeldowicza na Ziemi były fundamentalne prawa mechaniki. Gdybyśmy próbowali fizycznie rozkręcić jakikolwiek materialny obiekt do prędkości wymaganych do uzyskania takich efektów relatywistycznych, siły odśrodkowe natychmiast rozerwałyby całą konstrukcję na strzępy. Zanim maszyna zbliżyłaby się do pożądanych obrotów, zamieniłaby się w pył.

Zamiast więc obracać obiekt mechanicznie, naukowcy zbudowali urządzenie wykorzystujące częstotliwość radiową, którego właściwości szybko zmieniają się zarówno w przestrzeni, jak i w czasie. Ten starannie zaprojektowany system stwarza iluzję ultraszybkiego obrotu, osiągając efektywne prędkości obrotowe znacznie przekraczające możliwości konwencjonalnych systemów mechanicznych.

Zastępując ruch fizyczny obrotem syntetycznym, naukowcy pokonali trudności, które przez dziesięciolecia ograniczały badania eksperymentalne fizyki ekstremalnych zjawisk rotacyjnych.

Główna autorka pracy, Hadiseh Nasari, badaczka z CUNY ASRC, powiedziała, że ​​eksperyment przekształca długo obowiązującą koncepcję teoretyczną w praktyczne narzędzie badawcze.

Naukowcy postanowili odpowiedzieć na fundamentalne pytanie: czy fale elektromagnetyczne oddziałujące z całkowicie nieruchomym urządzeniem mogą zachowywać się tak, jakby napotykały obiekt obracający się z ultraszybką prędkością i czerpać energię z tego syntetycznego ruchu?

Aby to zbadać, skonstruowali pierścień rezonatorów elektronicznych, których właściwości były szybko dostosowywane w starannie zsynchronizowanej sekwencji. Chociaż sam sprzęt się nie poruszał, te zmiany w czasie generowały wzór przemieszczania się wokół pierścienia. W rezultacie fale elektromagnetyczne sprawiały, że system wirował z niezwykłą prędkością.

Eksperyment nie byłby możliwy bez zastosowania metamateriałów. Są to specjalnie projektowane struktury, których własności można kontrolować znacznie dokładniej niż w przypadku naturalnych materiałów.

Pozwalają one wpływać na sposób rozchodzenia się fal elektromagnetycznych, dźwiękowych czy świetlnych. W ostatnich latach metamateriały wykorzystywano m.in. do badań nad soczewkami o niezwykłych właściwościach, układami radarowymi oraz nowoczesnymi antenami.

Tym razem umożliwiły stworzenie środowiska, które dla fal wyglądało jak obiekt wirujący z prędkością znacznie przekraczającą możliwości klasycznej mechaniki.

Choć punktem wyjścia dla naukowców były najbardziej zagadkowe i niebezpieczne obiekty we wszechświecie, konsekwencje tego odkrycia mogą bezpośrednio wpłynąć na technologie, z których korzystamy każdego dnia. Ponieważ syntetyczna rotacja pozwala na imitowanie ruchu w kontrolowanym środowisku, otwiera ona zupełnie nowe możliwości projektowania urządzeń elektronicznych.

W praktyce opisywany mechanizm może doprowadzić do istotnego przełomu w bezprzewodowej transmisji danych, optyce oraz fotonice. Nowe metody manipulacji falami mogą posłużyć do budowy znacznie wydajniejszych systemów komunikacji nowej generacji, czulszych sensorów optycznych czy nowoczesnych układów przetwarzania informacji w komputerach kwantowych.

To nie oznacza, że wkrótce nauczymy się zasilać miasta energią pozyskiwaną z czarnych dziur. Oznacza jednak coś równie istotnego, fizycy zyskali nowe narzędzie do badania zjawisk, których dotychczas nie dało się sprawdzić eksperymentalnie.