В лаборатории впервые воспроизвели извлечение энергии из черной дыры

Черные дыры — не просто объекты, поглощающие все вокруг. Еще в 1969 году британский физик Роджер Пенроуз показал, что из вращающейся черной дыры можно извлекать энергию. Его идея, получившая название процесса Пенроуза, основана на существовании эргосферы — области, где вращение дыры увлекает само пространство-время. Если в эту область попадает объект и распадается на две части, одна из которых падает в дыру (балласт), а другая вылетает, то последняя получает дополнительную энергию, равную энергии балласта.

Позже советский физик Яков Зельдович развил эту концепцию, показав, что волны также могут усиливаться при взаимодействии с вращающимися объектами. Однако долгое время эти идеи оставались чисто теоретическими: провести эксперимент с реальной черной дырой невозможно, а воссоздать необходимые условия в лаборатории — крайне сложно.

Синтетическое вращение вместо физического

Группе физиков удалось обойти эти ограничения. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи построили прибор, работающий в радиодиапазоне, который имитирует вращение без физического перемещения компонентов. Устройство представляет собой кольцо электронных резонаторов, свойства которых быстро меняются в пространстве и времени в тщательно выверенной последовательности.

Хотя аппаратное обеспечение остается неподвижным, изменения параметров создают движущийся паттерн внутри кольца. В результате электромагнитные волны начинают вести себя так, будто система физически вращается. «Волны извлекали энергию из системы и усиливались, воспроизводя основные физические процессы Пенроуза — Зельдовича, — объясняет соавтор исследования Хади Мусса (Hady Moussa). — Наш подход основан на использовании специально разработанных метаматериалов, предназначенных для управления распространением волн».

Преодоление десятилетних препятствий

Замена физического движения на «синтетическое» вращение позволила исследователям преодолеть препятствия, которые стояли перед учеными десятилетиями. Синтетическое вращение дает возможность имитировать взаимодействие волн с объектом, движущимся быстрее скорости света, — явление, которое иначе невозможно исследовать в лаборатории.

Первый автор работы Хадисе Насари (Hadiseh Nasari) подчеркивает: «Этот успешный эксперимент переместил исследования динамики экстремального вращения из теоретической области в поле практики и создал гибкую экспериментальную платформу для изучения широкого круга явлений на пересечении астрофизики, волновой и квантовой физики. Это повлияет на фундаментальные науки, фотонику, оптику и системы связи».

Таким образом, ученые впервые продемонстрировали, что предсказанный Пенроузом и Зельдовичем процесс усиления волн за счет энергии вращения может быть реализован в лаборатории. Хотя до практического использования энергии черных дыр еще далеко, эта работа открывает новые возможности для изучения экстремальных физических процессов и может найти применение в фотонике и технологиях связи.