Oczywiście to nie tak, że członkowie zespołu badawczego stworzyli rzeczywistą czarną dziurę w warunkach laboratoryjnych. Takie działanie mogłoby skończyć się istną katastrofą. Zamiast tego uzyskali fizyczny odpowiednik procesu, w którym fale mogą czerpać energię z ekstremalnie szybkiego ruchu obrotowego.
Czytaj też: Tajemniczy sygnał radiowy z okolic czarnej dziury zaskoczył nawet ekspertów. To nieznany rodzaj obiektu
Inspiracją dla badań była hipoteza sformułowana ponad 50 lat temu przez laureata nagrody Nobla, Rogera Penrose’a. Brytyjski fizyk sugerował, że z wirującej czarnej dziury można teoretycznie wydobywać energię. Według jego koncepcji cząstka wpadająca do ergosfery, czyli obszaru otaczającego czarną dziurę, w którym sama czasoprzestrzeń zostaje wciągnięta przez jej obrót, mogłaby rozpaść się na dwie części. Jedna z nich zostałaby pochłonięta przez czarną dziurę, natomiast druga opuściłaby jej otoczenie z większą energią, niż posiadała pierwotna cząstka.
Kilka lat później radziecki fizyk Jakow Zeldowicz rozszerzył tę koncepcję na fale elektromagnetyczne. Przewidział, iż odpowiednio dobrane fale oddziałujące z bardzo szybko obracającym się obiektem mogłyby przejąć część jego energii i ulec wzmocnieniu. Problem polegał jednak na tym, że osiągnięcie wymaganych prędkości obrotowych w rzeczywistym eksperymencie było praktycznie niemożliwe.
Naukowcy z CUNY znaleźli sposób na obejście tego ograniczenia. Zamiast wprawiać obiekt w rzeczywisty ruch obrotowy, skonstruowali urządzenie wykorzystujące fale radiowe, którego właściwości zmieniają się jednocześnie w czasie i przestrzeni. Dzięki temu układ sprawia wrażenie obracającego się z prędkością znacznie przekraczającą możliwości klasycznych mechanizmów, mimo że żaden jego element fizycznie się nie porusza.
Na pierwszy plan wysuwa się tutaj pierścieniowy układ rezonatorów elektronicznych. Badacze bardzo precyzyjnie zmieniali ich parametry w odpowiedniej sekwencji czasowej, tworząc wzorzec przemieszczający się wokół pierścienia. Dla fal elektromagnetycznych wyglądało to tak, jakby oddziaływały z niezwykle szybko wirującym obiektem. W efekcie fale o odpowiednich właściwościach zaczęły pobierać energię z tego sztucznie wygenerowanego ruchu i ulegały wyraźnemu wzmocnieniu.
Jak relacjonują autorzy badań, eksperyment odtworzył najważniejsze cechy procesu Penrose’a i Zeldowicza, pokazując, że przewidywany mechanizm rzeczywiście może występować w odpowiednio zaprojektowanym układzie fizycznym. W badaniach naukowcy postawili na metamateriały, czyli specjalnie projektowane struktury pozwalające kontrolować sposób rozchodzenia się fal w sposób niedostępny dla naturalnych materiałów.
Czytaj też: Ten materiał kwantowy filtruje światło jak żaden inny. Fizycy wreszcie dostosowali go do ludzkich temperatur
Andrea Alù, który stanął na czele zespołu badawczego, zaznacza, że opracowana metoda zapewnia zupełnie nowy sposób kontrolowania oddziaływania fal z materią. Dzięki sztucznie zaprojektowanemu wirowaniu możliwe stało się selektywne wzmacnianie fal poprzez przekazywanie im energii z dynamicznie sterowanego układu. Hadiseh Nasari dodaje, że osiągnięcie jej zespołu przenosi idee dotyczące ekstremalnych zjawisk rotacyjnych z poziomu czysto teoretycznych rozważań do rzeczywistych eksperymentów laboratoryjnych. Właśnie dlatego nowa platforma badawcza mogłaby znaleźć zastosowanie zarówno w astrofizyce, jak i fizyce fal czy technologiach kwantowych.
Źródło: Nature
