Физики проверили полувековую теорию о добыче энергии из черных дыр

Физики из Университета Глазго и Университета Аризоны экспериментально подтвердили полувековую теорию, которая началась с предположения о том, как развитая инопланетная цивилизация может использовать вращающуюся черную дыру для производства энергии.

В 1969 году британский физик математик Роджер Пенроуз предложил метод извлечения энергии из вращающейся черной дыры, теперь известный как сверхизлучение Пенроуза. Он предположил, что очень продвинутая цивилизация однажды сможет извлечь энергию из вращающейся черной дыры, опуская, а затем высвобождая массу из структуры, которая вращается вместе с черной дырой.

В 1971 году белорусский физик-теоретик Яков Зельдович перевел эту идею вращательного сверхизлучения из вращающейся черной дыры в идею вращающегося поглотителя, такого как металлический цилиндр. Он предположил, что «скрученные» световые волны, падающие на поверхность вращающегося цилиндра, вращающегося с правильной скоростью, в конечном итоге будут отражаться с дополнительной энергией, извлекаемой из вращения цилиндра, благодаря причуде вращательного эффекта Доплера.

Но идея Зельдовича оставалась исключительно в области теории, потому что для проведения эксперимента предложенный металлический цилиндр должен вращаться по меньшей мере миллиард раз в секунду. Теперь профессор Даниэле Фаскио, профессор Майлс Паджетт и их коллеги наконец-то создали систему, которая использует небольшое кольцо динамиков для создания изгиба звуковых волн, аналогичного повороту в световых волнах, предложенных Зельдовичем.

Схематическое описание эксперимента команды: 16 динамиков расположены в кольце (диаметр - 0,47 м) для создания акустического поля ОАМ, направляемого акустическими волноводами на меньшую площадь (диаметр - 0,19 м) и падающего на вращающийся звуковой диск. впитывающая пена (S); на поглощающем диске также находятся два близко расположенных микрофона (расстояние 2 см) (M); микрофоны передают свои данные через Bluetooth для сбора данных в режиме реального времени во время вращения; вставки указывают различные конфигурации, используемые в экспериментах для вращающегося диска и поглощающей пены: левая вставка, поддерживающий диск с микрофонами и поглотитель вращаются совместно; вставка по центру слева, поглотитель отсоединен и остается неподвижным, а микрофоны вращаются; по центру справа вставка, поглотитель расположен перед одним из двух микрофонов; правая вставка, поглотитель полностью снят, а микрофоны вращаются.
Схематическое описание эксперимента команды: 16 динамиков расположены в кольце (диаметр – 0,47 м) для создания акустического поля ОАМ, направляемого акустическими волноводами на меньшую площадь (диаметр – 0,19 м) и падающего на вращающийся звуковой диск. Впитывающая пена (S); на поглощающем диске также находятся два близко расположенных микрофона (расстояние 2 см) (M); микрофоны передают свои данные через Bluetooth для сбора данных в режиме реального времени во время вращения; вставки указывают различные конфигурации, используемые в экспериментах для вращающегося диска и поглощающей пены: левая вставка, поддерживающий диск с микрофонами и поглотитель вращаются совместно; вставка по центру слева, поглотитель отсоединен и остается неподвижным, а микрофоны вращаются; по центру справа вставка, поглотитель расположен перед одним из двух микрофонов; правая вставка, поглотитель полностью снят, а микрофоны вращаются. 
doi: 10.1038 / s41567-020-0944-3.

Эти скрученные звуковые волны были направлены на вращающийся звукопоглотитель из пенопластового диска. Микрофоны за диском улавливали звук из динамиков, когда он проходил через диск, что постоянно увеличивало скорость его вращения.

То, что авторы хотели услышать, чтобы знать, что теории Пенроуза и Зельдовича были правильными, было характерным изменением частоты и амплитуды звуковых волн при их прохождении через диск, вызванным этой причудой эффекта Доплера.

«Линейная версия эффекта Доплера знакома большинству людей как явление, которое возникает, когда высота звука сирены скорой помощи, кажется, увеличивается, когда она приближается к слушателю, но падает, когда она направляется прочь», – сказал соавтор исследования Марион Кром, студент в школе физики и астрономии в университете Глазго. «Кажется, звук растет, потому что звуковые волны достигают слушателя чаще, когда машина скорой помощи приближается, а затем реже, когда она проходит. Вращательный эффект Доплера похож, но эффект ограничен круговым пространством».

Скрученные звуковые волны меняют высоту звука при измерении с точки зрения вращающейся поверхности. Если поверхность вращается достаточно быстро, то частота звука может сделать что-то очень странное – она ​​может перейти от положительной частоты к отрицательной, и при этом украсть некоторую энергию от вращения поверхности.

Когда во время эксперимента скорость вращающегося диска увеличивается, высота звука из динамиков падает, пока он не станет слишком низким, чтобы услышать его. Затем высота звука снова увеличивается, пока не достигнет предыдущего уровня, но громче, с амплитудой до 30% больше, чем исходный звук, исходящий из динамиков.

«То, что мы услышали во время нашего эксперимента, было необычайно», – сказал Кромб. «То, что происходит, заключается в том, что частота звуковых волн смещается по Допплеру к нулю с увеличением скорости вращения. Когда звук возобновляется, это происходит потому, что волны сместились с положительной частоты на отрицательную частоту. Эти волны отрицательной частоты способны отбирать часть энергии у вращающегося пенного диска, становясь при этом громче, как это предположил Зельдович в 1971 году».

Их работа была опубликована в журнале Nature Physics 22 июня.

«Мы очень рады, что смогли экспериментально проверить некоторую чрезвычайно странную физику спустя полвека после того, как теория была впервые предложена», – сказал профессор Фассио.

DOI: 10.1038/s41567-020-0944-3


Вас также может заинтересовать: