Fizicienii au transpus în laborator o celebră teorie privind extragerea de energie dintr-o gaură neagră, folosind un dispozitiv care imită viteze de rotație imposibile. Această reușită validează experimental mecanismul propus în urmă cu o jumătate de secol de Sir Roger Penrose, deschizând noi perspective atât pentru fizica fundamentală, cât și pentru tehnologiile viitorului.
Cu mai bine de 50 de ani în urmă, fizicianul Sir Roger Penrose a propus o idee remarcabilă: în condițiile potrivite, ar putea fi posibilă extragerea energiei dintr-o gaură neagră care se rotește rapid. Conform conceptului său, o particulă care pătrunde în ergosfera găurii negre – zona de graniță unde gravitația este atât de extremă încât trage însăși țesătura spațiului și a timpului o dată cu rotația sa – s-ar putea diviza în două. Un fragment ar cădea în gaura neagră, în timp ce celălalt ar scăpa, luând cu sine mai multă energie decât particula inițială. Ulterior, fizicianul Yakov Zel’dovich a dezvoltat acest concept, prezicând că undele care interacționează cu un obiect care se rotește suficient de repede ar putea, de asemenea, să câștige energie și să se amplifice.
Acum, cercetătorii de la Centrul de Cercetare Științifică Avansată din cadrul Centrului de Studii Postuniversitare al CUNY (CUNY ASRC) au demonstrat o abordare experimentală inspirată de aceste teorii vechi. Într-un articol publicat în revista Nature, echipa a arătat că amplificarea undelor poate fi realizată folosind un dispozitiv care simulează o rotație extremă fără a se roti fizic.
Rotația sintetică recreează fizica extremă
În loc să rotească mecanic un obiect, cercetătorii au construit un dispozitiv de frecvență radio ale cărui proprietăți se modifică rapid atât în spațiu, cât și în timp. Acest sistem proiectat cu atenție creează iluzia unei rotații ultra-rapide, atingând viteze de rotație efective cu mult peste ceea ce pot realiza sistemele mecanice convenționale. Prin înlocuirea mișcării fizice cu rotația sintetică, cercetătorii au depășit provocările care au limitat studiile experimentale privind fizica rotației extreme timp de decenii. Dincolo de fascinația astrofizicii, miza acestui experiment este pur practică: capacitatea de a amplifica unde folosind rotația sintetică ar putea revoluționa modul în care manipulăm semnalele radio și lumina pe Pământ.
„Abordarea noastră facilitează o nouă metodă de interacțiune undă-materie, în care undele cu proprietăți de rotație selectate extrag energie din rotația sintetică proiectată în timp, producând o formă de amplificare selectivă în bandă largă”, a declarat cercetătorul principal Andrea Alù, profesor distins și profesor de fizică „Einstein” la Centrul de Studii Postuniversitare al CUNY (CUNY Graduate Center) și director fondator al Inițiativei de Fotonică a CUNY ASRC.
Autoarea principală, Hadiseh Nasari, cercetătoare postdoctorală în cadrul Inițiativei de Fotonică a CUNY ASRC, a afirmat că experimentul transformă un concept teoretic de lungă durată într-un instrument practic de cercetare.
„Acest experiment reușit transpune ideile despre dinamica rotațională extremă din teorie în practică și creează o platformă experimentală versatilă pentru explorarea unei game largi de fenomene la intersecția dintre astrofizică, fizica undelor și știința cuantică. Această lucrare are implicații pentru progresele din știința fundamentală, precum și din domeniile comunicațiilor, opticii și fotonicii.”, a spus Nasari.
Cum a funcționat experimentul: procesul Penrose reprodus cu metamateriale
Cercetătorii și-au propus să răspundă la o întrebare fundamentală: ar putea undele electromagnetice care interacționează cu un dispozitiv complet staționar să se comporte ca și cum ar întâlni un obiect care se rotește cu viteză ultra-rapidă și să extragă energie din acea mișcare sintetică?
Pentru a investiga acest lucru, ei au construit un inel de rezonatoare electronice ale căror proprietăți au fost ajustate rapid într-o secvență sincronizată cu atenție. Deși echipamentul în sine nu s-a mișcat niciodată, aceste modificări sincronizate au generat un model de propagare în jurul inelului. Ca urmare, undele electromagnetice au perceput efectiv sistemul ca și cum acesta s-ar fi rotit cu o viteză extraordinară.
„Undele cu caracteristicile de rotație adecvate au extras energie din sistem și s-au amplificat, reproducând principiile fizice esențiale ale procesului Penrose-Zel’dovich. Abordarea noastră se bazează pe metamateriale proiectate special pentru a controla modul în care se propagă undele.”, a declarat coautorul principal Hady Moussa, fost doctorand în cadrul Inițiativei de Fotonică a CUNY ASRC.
Aplicații potențiale dincolo de fizica găurilor negre
Deoarece rotația sintetică poate imita mișcarea cu viteze mai mari decât cea a luminii, cercetătorii dispun acum de o platformă de laborator controlată pentru explorarea regimurilor fizice care, altfel, ar fi imposibil de studiat direct. Această lucrare creează noi oportunități pentru investigarea fizicii extreme, indicând totodată viitoare progrese în domeniul comunicațiilor fără fir, al opticii, al fotonicii și al tehnologiilor cuantice.
Cercetătorii subliniază că vor fi necesare studii suplimentare înainte ca aceste idei să poată fi transpuse în dispozitive practice. De asemenea, ei consideră că aceleași principii ar putea fi aplicate sistemelor fotonice și cuantice, deschizând noi posibilități pentru controlul luminii, procesarea informației și studierea comportamentului undelor, inspirate de unele dintre cele mai extreme medii din Univers. Astfel, extragerea de energie dintr-o gaură neagră, odată doar un exercițiu de imaginație astronomică, a devenit astăzi un instrument concret pentru viitorul ingineriei cuantice.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa
