Zaraz, można ukraść energię z czarnej dziury?

Muszę wam powiedzieć o czymś, co sprawi, że poczujecie, iż oficjalnie wkroczyliśmy w przyszłość.

Czarne dziury słyną z tego, że są odkurzaczami wszechświata — połykają wszystko, co zbliży się za bardzo, i nic z nich nie ucieka. Światło też nie. To w sumie ich cała esencja.

Ale tutaj pojawia się coś, co mnie powala: od ponad pięćdziesięciu lat fizycy spekulują, że przy odpowiednich warunkach da się obrabować wirującą czarną dziurę z jej energii. Jak w jakimś kosmicznym filmie kryminalnym. I teraz naukowcy to zrobili. W laboratorium. Falami radiowymi.

Tak, wiem. Też musiałem przeczytać to zdanie kilka razy.

Proces Penrose'a: marzenie sprzed pół wieku

Przenieśmy się w lata sześćdziesiąte. Fizyk Roger Penrose wpadł na szalony pomysł: jeśli wrzucisz coś do wirującej czarnej dziury pod odpowiednim kątem, ten obiekt może się rozpaść podczas spadania. Jeden kawałek przekracza horyzont zdarzeń (żegnaj na zawsze), ale drugi ucieka — zabierając ze sobą więcej energii niż na początku.

Kluczem jest coś o nazwie ergosfera. To dziki obszar wokół wirującej czarnej dziury, gdzie sama czasoprzestrzeń jest wleczona w ruch obrotowy, kręcąca się razem z czarną dziurą jak woda wirować wokół odpływu. Jeśli wrzucisz cząstkę w tę strefę i przypadkiem się rozpadnie, jeden fragment może uciec z energią wykradzioną z rotacji czarnej dziury.

Brzmiało to jak science fiction, gdy Penrose to zaproponował. Później inny genialny fizyk, Jakow Zeldowicz, rozwinął ten pomysł, sugerując, że fale mogą zrobić coś podobnego — zyskiwać energię poprzez oddziaływanie z obracającym się obiektem.

Jedyny problem? Nie da się tak po prostu ustawić eksperymentu obok czarnej dziury. Są one odrobinę trudne do zdobycia.

Budowanie czarnej dziury w Brooklynie

I tutaj robi się ciekawie. Zespół z CUNY Graduate Center pomyślał: "A co jeśli po prostu... stworzymy własną rotację, która zachowuje się jak czarna dziura? Bez faktycznego obracania czegokolwiek?"

I im się udało.

Naukowcy zbudowali pierścień z elementów elektronicznych — konkretnie rezonatorów radiowych — ułożonych w okrąg. Ale tu jest sprytna część: nie obracali pierścienia. Zamiast tego szybko zmieniali właściwości każdego komponentu w starannie zaplanowanej sekwencji, tworząc wzór podróżujący, który symulował ekstremalną rotację.

Pomyślcie o tym jak o filmikach, gdzie łopaty wentylatora wyglądają, jakby kręciły się do tyłu przez sposób, w jaki kamera łapie klatki. Naukowcy zaprojektowali system tak, żeby fale wewnątrz myślały, że oddziałują z czymś wirującym z niewiarygodną prędkością — prędkościami, których nie da się osiągnąć mechanicznie.

"Tworzymy złudzenie ultrafast rotacji," wyjaśnił zespół badawczy. "Fale o odpowiednich właściwościach wyciągają energię z tego syntetycznego ruchu i zostają wzmocnione."

To w zasadzie proces Penrose'a. Ale z falami radiowymi zamiast cząstek. I w urządzeniu, które zmieści się na stole laboratoryjnym.

Dlaczego to naprawdę ma znaczenie

Pozwólcie, że wyjaśnię, dlaczego to jest takie ważne.

Po pierwsze, wreszcie możemy testować fizykę czarnych dziur bez opuszczania Ziemi. Najbardziej ekstremalne środowiska we wszechświecie — czarne dziury, gwiazdy neutronowe, regiony gdzie czasoprzestrzeń się gnie — zawsze były niedostępne dla bezpośrednich eksperymentów. Teraz mamy kontrolowany sposób na odtworzenie istoty fizyki tych środowisk.

Po drugie, otwiera to drzwi dla praktycznych technologii. Te same zasady, które pozwalają wykraść energię z symulowanej rotacji czarnej dziury, mogą pomóc nam projektować lepsze systemy komunikacji, optyki i fotoniki. Jeśli możesz wzmacniać sygnały używając syntetycznej rotacji, możesz budować urządzenia bardziej efektywne, bardziej selektywne i potężniejsze.

Po trzecie, technologie kwantowe też mogą skorzystać. Naukowcy sugerują, że to samo podejście może działać z fotonami i układami kwantowymi, co może zrewolucjonizować przetwarzanie i kontrolowanie informacji kwantowej.

Najfajniejsza część (przynajmniej dla mnie)

Oto co naprawdę mnie ekscytuje.

Ponieważ syntetyczna rotacja może symulować ruch wykraczający poza to, czego fizyczne obiekty mogą się dokonać, nagle jesteśmy w stanie badać reżimy fizyczne, które wcześniej były nie do pomyślenia. W normalnej fizyce nic nie może obracać się szybciej, niż pozwala na to prędkość światła. Ale w tym syntetycznym systemie? Matematyka może grać według innych zasad.

To znaczy, że nie tylko odtwarzamy istniejącą fizykę — odkrywamy, co się dzieje, gdy rotacja wychodzi znacznie poza normalne limity. A to może prowadzić do zupełnie nowych zjawisk, których jeszcze nie wyobrażaliśmy sobie.

Sami badacze mówią, że jeszcze dużo pracy przed nimi, zanim te koncepcje przełożą się na prawdziwe urządzenia. Ale dowód koncepcji istnieje, a możliwości są szczerze ekscytujące.

Podsumowując

Jestem naprawdę zaskoczony, że żyjemy w czasach, gdy "wydobywanie energii z symulowanej czarnej dziury" to coś, co ludzie robią w prawdziwych laboratoriach. Nie science fiction. Nie teoretyczne prace z lat sześćdziesiątych. Prawdziwe eksperymenty. Prawdziwe wzmocnienie. Prawdziwe wyniki.

Czasem myślę, że przyjmujemy takie postępy zbyt lekko. Pięćdziesiąt lat temu Roger Penrose wymarzył sobie proces, który wydawał się niemożliwy, oparty na dziwnej fizyce wirujących czarnych dziur. Dziś możemy odtworzyć istotę tego procesu używając fal radiowych i sprytnej inżynierii.

Co przyniosą następne pięćdziesiąt lat?

Szczerze? Nie mogę się doczekać, żeby się przekonać.