Перейти к содержимому 
Спустя пятьдесят лет после того, как была выдвинута соответствующая гипотеза, ученые наконец-то воспроизвели в лаборатории условия так называемой «бомбы» из черной дыры, тем самым получив экспериментальное подтверждение «эффекта Зельдовича», предсказанного полвека назад.
Идея, лежащая в основе эффекта Зельдовича, возникла довольно неожиданно. В 1969 году британский физик и математик Роджер Пенроуз предположил, что из черных дыр можно извлекать энергию. Для этого нужно опустить некий объект в эргосферу (область непосредственно снаружи горизонта событий), где черная дыра его ускорит, «поделившись» частью своей энергии.
Эта концепция, известная как процесс Пенроуза, требует, чтобы объект каким-то образом приобрел отрицательную энергию из черной дыры для ее последующего извлечения – в противной случае, вы просто «накормите» черную дыру небольшим количеством материи.
«Представим, что мы запускаем частицу с очень большого расстояния в эргосферу вращающейся черной дыры Керра по ретроградной орбите, то есть по траектории, направленной против вращения черной дыры, — объясняет этот процесс Хорхе Пиночет, профессор физического факультета Столичного университета педагогических наук (Чили), в недавней статье-препринте. — Допустим, мы рассчитали траекторию так, что при входе в эргосферу частица распадается на два фрагмента: один поглощается черной дырой, а другой улетает прочь на сколь угодно большое расстояние».
«Из-за экстремальной гравитации вблизи черной дыры общая теория относительности допускает, что поглощенный фрагмент может обладать отрицательной энергией».
Пенроуз показал, что в таких условиях улетающий фрагмент будет обладать большей энергией, чем частица, которую мы туда запустили. Может показаться, что это нарушает закон сохранения энергии, но, согласно нашим знаниям об общей теории относительности, это не так.
«Ключевой момент для получения такого результата заключается в том, что черная дыра поглощает отрицательную энергию, что приводит к уменьшению ее собственной массы-энергии, а это, в свою очередь, выражается в замедлении ее вращения, — продолжает Пиночет. — Другими словами, мы извлекаем энергию вращения из черной дыры».
Поблизости от нас нет черных дыр, с которыми можно было бы поэкспериментировать (и это к лучшему), поэтому несколькими годами позже после заявления Пенроуза, советский физик Яков Зельдович предложил гораздо более реальный способ проверить концепцию извлечения дополнительной энергии из вращающейся системы. Его идея связана с эффектом Доплера (из-за которого свет кажется нам смещенным в красную или синюю область спектра в зависимости от движения источника относительно наблюдателя), а также с его вращательным аналогом.
«Линейный эффект Доплера знаком большинству по ситуации с сиреной скорой помощи: кажется, что ее тон повышается, когда машина приближается, и понижается, когда она удаляется. Повышение тона связано с тем, что звуковые волны достигают слушателя чаще при приближении источника, и реже — при его удалении», — поясняет ведущий автор исследования доктор Мэрион Кромб, ныне научный сотрудник Саутгемптонского университета, в комментарии, посвященном предыдущей работе.
«Вращательный эффект Доплера схож, но проявляется в ограниченном круговом пространстве. “Закрученные” звуковые волны меняют свою высоту тона при измерении с точки обзора с вращающейся поверхности. Если поверхность вращается достаточно быстро, частота звука может повести себя очень странно: перейти из положительной области в отрицательную, „позаимствовав“ при этом часть энергии вращения у поверхности».
Чтобы проверить эту идею, команда сначала направляла звуковые волны на вращающийся диск и регистрировала сдвиг частоты отраженных волн, который указывал бы на получение энергии от вращения диска. Затем ученые провели аналогичный эксперимент, но уже с электромагнитными волнами.
«Эффект Зельдовича основан на принципе, согласно которому волны, обладающие угловым моментом и обычно поглощаемые объектом, могут вместо этого усиливаться этим объектом, если он вращается с достаточно высокой угловой скоростью. В нашем случае объектом служил алюминиевый цилиндр, и он должен был вращаться быстрее, чем изменялось во времени поле падающего на него излучения (т.е. быстрее частоты излучения)», — прокомментировала Кромб то предыдущее исследование.
«Несколько лет назад мы с коллегами успешно подтвердили эту теорию для звуковых волн, но она не была доказана для электромагнитных волн. Используя относительно простое оборудование — резонансный контур, взаимодействующий с вращающимся металлическим цилиндром, — и создав требуемые особые условия, мы смогли это сделать».
Для проведения эксперимента команде нужно было вращать алюминиевый цилиндр настолько быстро, чтобы с его точки наблюдения падающая на него «закрученная» волна из-за вращательного доплеровского сдвига имела «отрицательную» угловую частоту.
«Условие усиления рассматривается именно с точки зрения вращающегося объекта, — пояснила Кромб. — Падающие на него закрученные электромагнитные поля испытывают такой сильный вращательный доплеровский сдвиг, что их эффективная угловая частота проходит через ноль и становится ‘отрицательной’. Отрицательная частота в данном случае означает отрицательное поглощение, то есть усиление».
После той работы команда поставила перед собой еще более амбициозную задачу: попытаться создать аналог так называемой «бомбы» из черной дыры. В сценарии такой «бомбы» энергия отражается обратно к черной дыре, усиливается, снова отражается — и так далее, что приводит к лавинообразному нарастанию сигнала из первоначального фонового шума.
Команде удалось создать ее лабораторный аналог, используя отражающий алюминиевый цилиндр, вращающийся медленнее, чем окружающее его вращающееся электромагнитное поле.
«В данной работе мы экспериментально демонстрируем, что механически вращающийся металлический цилиндр не только однозначно действует как усилитель для вращающейся моды электромагнитного поля, но и в сочетании с резонатором с низкими потерями становится неустойчивым и функционирует как генератор, „запускаемый“ только шумом. Система демонстрирует экспоненциальное лавинообразное усиление спонтанно генерируемых электромагнитных мод, тем самым являясь электромагнитным аналогом „чернодырной бомбы“, предсказанной Прессом и Тьюкольским», — пишут авторы в своей статье, которая еще не прошла процедуру рецензирования.
Хотя это, конечно, не настоящее извлечение энергии из черной дыры, созданный аналог подтверждает, что черные дыры теоретически могут усиливать энергию подобным образом.
«Сложной задачей на будущее остается наблюдение спонтанной генерации [электромагнитных] волн и лавинообразного усиления, инициируемого флуктуациями вакуума, — отмечает команда в обсуждении результатов. — Однако, основываясь на представленных здесь результатах, это теперь представляется чисто технологической (хотя и очень трудной) задачей».
Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv и ожидает рецензирования.
Читайте также: Что случится, если крошечная черная дыра пролетит сквозь вас?
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.