Как физики воспроизвели энергию чёрной дыры в обычном приборе

Более пятидесяти лет назад физик Роджер Пенроуз предложил идею, которая казалась чистой теорией: при определённых условиях можно извлечь энергию из быстро вращающейся чёрной дыры. Частица, попадающая в эргосферу — область, где пространство-время увлекается вращением объекта, — способна расщепиться на две части. Один фрагмент уходит внутрь, другой вырывается наружу, неся больше энергии, чем было у исходной частицы. Позднее физик Яков Зельдович расширил эту концепцию: волны, взаимодействующие с достаточно быстро вращающимся телом, тоже могут усиливаться и набирать энергию.

Теперь эта теория перестала быть только умозрительной. Исследователи из Центра перспективных научных исследований при Городском университете Нью-Йорка (CUNY ASRC) создали экспериментальную установку, которая воспроизводит физику процесса — без какого-либо реального вращения. Работа опубликована в журнале *Nature*.

Синтетическое вращение вместо реального

Вместо того чтобы раскручивать физический объект, учёные сконструировали устройство на радиочастотных резонаторах, свойства которых быстро меняются во времени и пространстве по заданной программе. Такая синхронизированная последовательность создаёт иллюзию ультрабыстрого вращения — намного более быстрого, чем любая механическая система.

«Наш подход реализует новый метод взаимодействия волн с вещёством, при котором волны с определёнными ротационными свойствами извлекают энергию из синтетического вращения, порождая широкополосное избирательное усиление», — пояснил руководитель исследования Андреа Алю, заслуженный профессор физики Городского университета Нью-Йорка.

Поскольку синтетическое вращение может превышать скорость света — именно как математическая иллюзия, а не реальное движение, — учёные получили инструмент для изучения физических режимов, которые иначе были бы недостижимы.

Как был поставлен эксперимент

Кольцо из электронных резонаторов с быстро переключающимися параметрами создавало бегущий паттерн по периметру устройства. Сама аппаратура оставалась неподвижной, однако электромагнитные волны «воспринимали» её как объект, вращающийся с чудовищной скоростью.

Результат совпал с предсказанием теории Пенроуза — Зельдовича:

Волны с нужными ротационными характеристиками усилились, забрав энергию из системы.

Процесс воспроизвёл ключевую физику так называемого «суперрадиационного рассеяния».

Усиление носило широкополосный характер — то есть эффект работает в широком диапазоне частот.

Эксперимент использовал метаматериалы — искусственно структурированные среды с нестандартными волновыми свойствами.

«Это успешный эксперимент переводит идеи об экстремальной роторной динамике из теории в практику и создаёт универсальную платформу для исследования широкого круга явлений на стыке астрофизики, физики волн и квантовой науки», — отметила ведущий автор работы Хадиссе Насари.

Что это даёт технологиям

Прямых технических приложений пока нет — авторы честно признают, что до практических устройств ещё далеко. Но сам принцип открывает новые пути в нескольких областях:

В физике эксперимент даёт контролируемую лабораторную платформу для проверки теорий, связанных с чёрными дырами и квантовой механикой — без необходимости лететь к реальному астрофизическому объекту. В технологиях тот же подход управления волнами может найти применение в беспроводной связи, оптике и фотонике — там, где нужна избирательная широкополосная обработка сигнала. Наконец, исследователи полагают, что аналогичные принципы применимы к квантовым системам — для управления светом и обработки информации.

Работа поддержана Министерством обороны США, Национальным научным фондом и Фондом Саймонса.

Читайте также по теме: новых сигналах чёрных дыр.

*Примечание редакции: данная статья основана на материалах ScienceDaily, агрегатора научных новостей.*