Hetkinen, mustasta reiästä voi varastaa energiaa?

Hei, tässä on jotain, mikä saa sinut tuntemaan, että olemme virallisesti astuneet tulevaisuuteen.

Mustat reiät ovat kuuluisia siitä, että ne ovat maailmankaikkeuden lopullisia imureita — ne nielaisevat kaiken, mikä tulee liian lähelle, eikä mikään pääse pakoon. Ei edes valo. Se on vähän niiden erikoisuus.

Mutta tässä tulee se osa, joka räjäyttää pään: jo yli 50 vuoden ajan fyysikot ovat esittäneet teorioita siitä, että täsmälleen oikeissa olosuhteissa voi oikeasti riistää pyörivältä mustalta reiältä osan sen energiasta. Aivan kuin jossain avaruusryöstöelokuvassa. Ja nyt tutkijat ovat onnistuneet siinä. Laboratoriossa. Radioaalloilla.

Joo, tiedän. Minunkin piti lukea tuo lause useamman kerran.

Penrose-prosessi: 50 vuoden vanha unelma

Kerrataanpa menneisyyteen, 1960-luvulle. Fyysikko nimeltä Roger Penrose esitti rohkean ajatuksen: jos heität jonkin esineen pyörivään mustaan reikään täsmälleen oikealla tavalla, tuo esine voi jakaantua pudotessaan. Yksi pala menee tapahtumahorisontin sisäpuolelle (heitä ikuisiksi ajoiksi hyvästejä), mutta toinen pala pääsee pakoon — ja kantaa mukanaan enemmän energiaa kuin alun perin laitoit sisään.

Avain on ergosfääriksi kutsuttu alue. Se on tämä villi vyöhyke pyörivän mustan reiän ympärillä, jossa avaruusaika itsessään tempaistuu mukaan pyörimiseen — pyörii mustan reiän mukana kuin vesi pyörii viemärin ympärillä. Jos pudotat hiukkasen tähän vyöhykkeeseen ja se sattuu jakaantumaan, yksi fragmentti voi paeta ja viedä mukanaan pyörivästä mustasta reiästä varastettua energiaa.

Se kuulosti tieteiskuvitelmalta, kun Penrose sen ehdotti. Myöhemmin toinen nero, Jakov Zeldovitš, laajensi ajatusta ja ehdotti, että aallot voisivat tehdä saman — kerätä energiaa vuorovaikutuksessa pyörivän kohteen kanssa.

Ainoa ongelma? Emme voi oikeastaan tehdä koetta mustan reiän vieressä. Niihin pääseminen on vähän hankalaa.

Mustan reiän rakentaminen Brooklyniin

Tässä kohtaa tarina muuttuu hauskaksi. CUNY Graduate Centerin tutkimusryhmä päätti: "Mitä jos me jäljittelisimme pyörimistä, joka * käyttäytyy* kuten musta reikä? Ilman, että mekaanisesti pyöritetään mitään?"

Ja he onnistuivat.

Tutkijat rakensivat elektroniikista koostuvan renkaan — tarkemmin sanottuna radioTaajuusresonaattoreita — ympyrän muotoon. Mutta nyt tulee se nokkela osuus: he eivät pyörittäneet rengasta fyysisesti. Sen sijaan he muuttivat nopeasti kunkin komponentin ominaisuuksia huolellisesti ajoitetussa järjestyksessä ja loivat kulkevan kuvion, joka simuloi äärimmäistä pyörimistä.

Ajattele sitä samoin kuin niitä videoita, joissa tuulettimen terä näyttää pyörivän taaksepäin kameran tavasta tallentaa kuvia. Tutkijat suunnittelivat järjestelmän niin, että renkaan sisällä kulkevat aallot luulevat olevansa vuorovaikutuksessa uskomattoman nopeasti pyörivän kohteen kanssa — nopeuksilla, jotka olisivat mekaanisesti mahdottomia saavuttaa.

"Me luomme illuusion äärimmäisen nopeasta pyörimisestä," tutkimusryhmä selitti. "Oikeanlaiset aallot ottavat energiaa tästä synteettisestä liikkeestä ja vahvistuvat."

Se on pohjimmiltaan Penrose-prosessia. Mutta hiukkasten sijaan radioaalloilla. Ja laitteella, joka mahtuu laboratoriopöydälle.

Miksi tällä on oikeasti merkitystä

Selitänpä, miksi tämä on niin tärkeää.

Ensinnäkin voimme vihdoin testata mustien reikien fysiikkaa ilman, että poistumme Maasta. Maailmankaikkeuden äärimmäisimmät ympäristöt — mustat reiät, neutronitähdet, alueet joissa avaruusaika kaareutuu rajusti — ovat aina olleet liian kaukana suoraa kokeellista tutkimusta varten. Nyt meillä on hallittu tapa toistaa näiden ympäristöjen oleellinen fysiikka.

Toiseksi tämä avaa ovia käytännölliselle teknologialle. Samat periaatteet, jotka mahdollistavat energian varastamisen simuloitusta mustan reiän pyörimisestä, voivat auttaa meitä suunnittelemaan parempia järjestelmiä viestintään, optiikkaan ja fotoniikkaan. Jos voit vahvistaa signaaleja synteettisellä pyörimisellä, voit rakentaa laitteita, jotka ovat tehokkaampia, valikoivampia ja voimakkaampia.

Kolmanneksi kvanttiteknologiat voivat hyötyä. Tutkijat ehdottavat, että sama lähestymistapa voisi toimia fotonien ja kvanttijärjestelmien kanssa, mikä voisi mullistaa kvanti-informaation käsittelyn ja hallinnan.

Se viilein osa (ainakin minun mielestäni)

Tässä on se, mikä todella saa minut innostumaan.

Koska synteettinen pyöriminen voi simuloida liikettä sen ulkopuolella, mihin fyysiset esineet pystyvät, voimme yhtäkkiä tutkia fysiikan alueita, jotka olivat aiemmin käsittämättömiä. Normaalifysiikassa mikään ei voi pyöriä nopeammin kuin valon nopeus sallii. Mutta tässä synteettisessä järjestelmässä? Matematiikka pääsee pelaamaan eri säännöillä.

Se tarkoittaa, että emme vain toista olemassa olevaa fysiikkaa — me löydämme, mitä tapahtuu kun pyöriminen menee paljon normaalien rajojen ohi. Ja se voi johtaa täysin uusiin ilmiöihin, joita emme ole edes kuvitelleet.

Tutkijat itse sanovat, että paljon työtä on vielä edessä, ennen kuin nämä konseptit muuttuvat todellisiksi laitteiksi. Mutta periaatteet on todistettu, ja mahdollisuudet ovat vilpittömästi jännittäviä.

Kun paketti on sidottu

Olen vilpittömästi hämmästynyt siitä, että elämme aikaa, jolloin "energian ottaminen simuloimasta mustasta reiästä" on jotain, mitä ihmiset tekevät oikeissa laboratorioissa. Ei tieteiskuvitelmaa. Ei 1960-luvun teoreettisia papereita. Todellisia kokeita. Todellista vahvistumista. Todellisia tuloksia.

Joskus mietin, että meillä on tapana pitää tällaisia edistysaskeleita itsestäänselvyyksinä. 50 vuotta sitten Roger Penrose uneksi mahdottomalta vaikuttavasta prosessista, joka perustui pyörivien mustien reikien outoon fysiikkaan. Tänään voimme toistaa tuon prosessin ydintä radioaaltojen ja nokkelan suunnittelun avulla.

Mitä seuraavat 50 vuotta tuovat tullessaan?

Rehellisesti? En malta odottaa, että saan sen selville.