Группа физиков из Университета Саутгемптона впервые в лабораторных условиях воспроизвела процесс извлечения энергии из вращающейся черной дыры, известный как механизм Пенроуза — Зельдовича. Результаты эксперимента опубликованы в журнале Nature.
Сама идея была предложена ещё в 1969 году: сэр Роджер Пенроуз показал, что черная дыра может отдавать энергию при определенных условиях, если тело в её эргосфере распадается на две части.
В 1970-х Яков Зельдович дополнил картину, доказав, что то же самое работает и с волнами — они способны усиливаться, взаимодействуя с вращающимся объектом. Однако проверить это на практике долгое время не удавалось: физически раскрутить черную дыру или её аналог в лаборатории невозможно.
Главные мысли за 1 минуту
- Процесс Пенроуза предсказан в 1969 году, а волновая версия Зельдовича — в начале 1970-х.
- Энергия извлекается в эргосфере — области, где вращение черной дыры увлекает пространство-время.
- Ученые заменили физическое вращение «синтетическим» с помощью кольца из электронных резонаторов, чьи свойства быстро менялись во времени.
- Электромагнитные волны вели себя так, будто система вращалась быстрее скорости света, и действительно усиливались.
- Эксперимент создает платформу для изучения экстремальных вращений, что может повлиять на фотонику, оптику и системы связи.
Теория, которую проверяли полвека
Процесс Пенроуза основан на эффекте в эргосфере — области вокруг вращающейся черной дыры, где пространство-время буквально закручивается вместе с ней. Если объект (например, частица или волна) попадает туда, он может разделиться.
Одна часть с отрицательной энергией падает в черную дыру, другая — вылетает наружу с большей энергией, чем имела изначально. Зельдович показал: то же относится и к электромагнитным волнам — при отражении от вращающегося тела они могут усиливаться.
До сих пор все попытки воспроизвести этот эффект в лаборатории упирались в техническое ограничение: чтобы волна забрала энергию, мишень должна вращаться со скоростью, сопоставимой со скоростью света. Построить такой маховик невозможно — никакой материал не выдержит. Ученые нашли обходной путь.
Как обмануть пространство и время
Исследователи собрали устройство из кольца электронных резонаторов. Само кольцо оставалось неподвижным, но его электрические свойства менялись в строго синхронизированной последовательности.
«Изменения в параметрах системы создавали движущийся паттерн в кольце, — пояснил соавтор работы Хади Мусса. — Электромагнитные волны вели себя так, будто система физически вращается».
Этот прием, названный «синтетическим вращением», имитирует условия, при которых волна взаимодействует с объектом, движущимся быстрее скорости света.
В ходе эксперимента волны действительно извлекали энергию из системы и усиливались. «Наш подход основан на использовании специально разработанных метаматериалов, предназначенных для управления распространением волн», — добавил Мусса. Установка работает в радиодиапазоне, но принцип универсален.
От фундаментальной теории к инженерным приложениям
Авторы работы подчеркивают: эксперимент не просто подтверждает давнюю теорию.
«Этот успешный эксперимент переместил исследования динамики экстремального вращения из теоретической области в поле практики, — отметила первый автор Хадисе Насари. — Мы создали гибкую экспериментальную платформу для изучения широкого круга явлений на пересечении астрофизики, волновой и квантовой физики. Результаты повлияют на фундаментальные науки, фотонику, оптику и системы связи».
Пока речь идет только о лабораторной имитации. Однако возможность управлять усилением волн через синтетическое вращение уже сейчас может найти применение в создании новых типов антенн, усилителей сигнала и устройств для передачи энергии.
Астрофизики, в свою очередь, получают экспериментальную базу для проверки моделей, которые раньше оставались чисто умозрительными.