В лабораторных условиях ученые впервые показали работу принципа, который в теории дает возможность извлекать энергию от быстрого черного вихря. Проведенное исследование подтвердило физический феномен, предсказанный более полувека назад, и выявило, что кинетическая энергия может передаваться колебаниям для их интенсификации.

Впервые концепция подобной процедуры была выдвинута английским ученым-физиком и математиком сэром Роджером Пенроузом еще в 1969 году. Он предположил, что из черного вихря Керра – быстро вращающегося объекта без электрического заряда, о котором рассказал новозеландский специалист по математике Рой Керр — можно получить энергию.

В соответствии с предложенным Пенроузом механизмом, предмет, оказавшийся в зоне вокруг вращения черного вихря, известной как эргосфера, может расколоться на две части. Одна из них должна упасть за границу горизонта событий, а вторая – покинуть окрестности объекта, получив при этом больше энергии, чем изначально обладал.

Область эргосферы расположена за пределами границы, откуда ничто не может вырваться из гравитационного притяжения чёрной дыры. В этой области вращение пространства-времени связано с её собственным вращением; движение в ней становится зависимым от вращения объекта и невозможно остановить относительно внешнего наблюдателя.

Впоследствии, в 1971 году советский ученый Яков Зельдович расширил концепции Пенроуза. Он высказал предположение о том, что волна, сталкивающаяся с быстро вращающимся телом, может не только поглощать энергию, но и увеличиваться в интенсивности. Недавно исследователи из Центра передовых научных исследований Городского университета Нью-Йорка (CUNY-ASRC) впервые провели экспериментальную проверку этого принципа в лабораторных условиях.

Задействованное исследование не было связано с реальным черным вихрем, а использовало искусственную конструкцию для имитации основных физических характеристик экстремального вращения.

«Разработанная нами технология открывает новый способ взаимодействия волн и вещества, при котором вращающиеся волны извлекают энергию из искусственно создаваемого и изменяющегося во времени движения, что приводит к появлению селективного усиления широкого спектра частот. », — отметил соавтор исследования Андреа Алу, профессор физики CUNY Graduate Center и руководитель фотонного направления CUNY ASRC.

Для проверки теории Пенроуза и ЗельдовичаСпециалисты создали прибор, позволяющий сымитировать стремительное кружение без реального физического перемещения. Вместо того чтобы заставлять предмет быстро вертеться, научная группа использовала радиочастотную систему, характеристики которой менялись одновременно в пространстве и во времени.

Прототип состоял из кольцевого расположения электронных резонаторов. Параметры этих элементов можно было оперативно модифицировать согласно заранее установленной временной схеме, формируя движущийся по окружности искусственный паттерн.

Несмотря на то что само устройство оставалось статичным, электромагнитные колебания воздействовали на систему так, будто она вращалась с колоссальной скоростью. Таким образом, разработчики сформировали подобие «искусственной» вращающейся среды, воспроизводя условия, существующие вблизи быстро вращающегося гравитационного объекта.

Данный метод позволил преодолеть ограничения, которые на протяжении многих лет препятствовали экспериментальному исследованию физики экстремального вращения. Традиционные механические системы не способны развивать скорости, необходимые для проверки подобных явлений; однако искусственное кружение дало возможность воспроизвести требуемые условия.

«Благодаря этому удачному опыту появляется возможность перейти от теоретических разработок к практическому применению в области исследования очень быстрых вращательных процессов, а также формируется гибкая основа для изучения явлений на стыке астрофизики, волновой физики и квантовой механики. «Это открывает новые перспективы», — отметила Хадисех Насари, главный автор научной работы и научный сотрудник фотонной инициативы CUNY ASRC.

Кроме того, исследователи убедились в способности электромагнитных колебаний воздействовать на неподвижное оборудование таким образом, будто оно вращается с колоссальной скоростью, и использовать энергию, получаемую от искусственно созданного движения.

Как пояснил Хади Мусса, соавтор исследования и ранее проходивший обучение в рамках фотонной инициативы CUNY ASRC, волны, обладающие определенными вращательными свойствами, действительно поглощали энергию из системы и демонстрировали усиление. Следовательно, данный эксперимент подтвердил основные принципы работы процесса Пенроуза–Зельдовича.

По мнению специалистов, полученные данные представляют интерес не только с точки зрения теоретических изысканий, но и для прогресса в области телекоммуникаций, оптики и фотоники. Разработанная платформа способна служить средством изучения физических явлений в экстремальных условиях и со временем может оказать поддержку при создании инновационных беспроводных и квантовых систем передачи информации.

Тем не менее, исследователи акцентируют внимание на том, что до внедрения этих концепций в практику предстоит преодолеть значительный путь. Необходимы дальнейшие работы для оценки потенциала увеличения масштабов технологии и определения того, какие конкретные приборы смогут быть реализованы благодаря выявленному эффекту.

Исследование опубликовано в журнале Nature.