Энергия из вращения: теория Пенроуза подтверждена в лаборатории спустя 57 лет

В 1969 году британский физик Роджер Пенроуз предложил идею, которая звучала как научная фантастика: энергию можно извлекать из вращающейся чёрной дыры. Его расчёты были безупречны, но проверить их на практике не представлялось возможным — требовались скорости, недостижимые для любых физических объектов. Прошло 57 лет. Исследователи из Нью-Йорка построили устройство, которое имитирует вращение чёрной дыры без какого-либо реального движения, и подтвердили: Пенроуз был прав.

Вблизи вращающейся чёрной дыры существует область, называемая эргосферой, где пространство-время увлекается вращением. Пенроуз показал: если частица попадёт в эргосферу и распадётся на две, одна из которых упадёт в чёрную дыру, а другая вырвется наружу, то вылетевшая частица унесёт с собой больше энергии, чем было в исходной. Чёрная дыра потеряет крошечную часть своей вращательной энергии — но Вселенная получит энергию из одного из самых экстремальных объектов во Вселенной.

Через несколько лет советский физик Яков Зельдович расширил идею: не только частицы, но и волны могут извлекать энергию из вращающегося тела и выходить усиленными. Проблема осталась той же: для проверки требовались скорости, превышающие инженерные возможности. Устройство, созданное группой под руководством Андреа Алу из Городского университета Нью-Йорка, обходит это ограничение. Это кольцо электронных резонаторов, электромагнитные свойства которых модулируются в строго рассчитанной временной последовательности. Модуляция движется по кольцу так, что любая волна, взаимодействующая с устройством, ведёт себя так, как будто она сталкивается с объектом, вращающимся со сверхбыстрой скоростью. Само устройство остаётся неподвижным. Вращение синтетическое — оно создаётся не движением, а модуляцией.

Когда исследователи направили в устройство радиоволны, те, которые имели правильные вращательные характеристики, усилились, проходя через систему. Они извлекли энергию из синтетического вращения и вышли более мощными. Волны без этих характеристик не усиливались. Это точное соответствие предсказаниям Пенроуза и Зельдовича.

Устройство может моделировать вращение, при котором скорость поверхности объекта превышает скорость света. Это не нарушает теорию относительности: модуляция — это не материя, и она может распространяться быстрее света, не нарушая законов физики. Для суперрадиации важна эффективная скорость вращения, которую воспринимают волны, и устройство может сделать её сколь угодно высокой.

Процесс Пенроуза был первым механизмом извлечения энергии из чёрной дыры и изменил представление физиков о чёрных дырах. До Пенроуза они считались космическими воронками, в которые падает материя и энергия, и ничего не выходит обратно. Эргосфера изменила эту картину. Вращающаяся чёрная дыра обладает конечным запасом вращательной энергии, и этот запас потенциально огромен. Астрофизики предполагают, что этот механизм может питать самые мощные явления во Вселенной, включая струи частиц, вырывающиеся из ядер активных галактик со скоростью, близкой к скорости света.

Практическое значение эксперимента выходит за пределы астрофизики. Принцип избирательного усиления волн на основе их вращательных свойств может найти применение в связи, фотонике и квантовых вычислениях. Устройства, способные усиливать волны по их вращательным характеристикам, могут улучшить антенны, системы связи и обработку информации, закодированной в квантовых состояниях фотонов.

«Это открывает новую платформу для изучения различных явлений на стыке астрофизики, физики волн и квантовой науки», — заявила ведущий автор исследования Хадисех Насари.

История физики полна долгих задержек между предсказанием и экспериментальным подтверждением. Гравитационные волны были предсказаны Эйнштейном в 1916 году и обнаружены в 2015-м — через 99 лет. Бозон Хиггса был предложен в 1964 году и подтверждён в 2012-м. Процесс Пенроуза-Зельдовича оставался чисто теоретическим 57 лет. То, что завершило это ожидание, стало не традиционным подходом, а концептуальным переосмыслением: вместо того чтобы пытаться раскрутить объект до невероятных скоростей, исследователи создали устройство, которое имитирует вращение без движения. И оно работает в лаборатории в Нью-Йорке. Астрофизика чёрных дыр остаётся недосягаемой. Но физика, которая делает чёрные дыры необычными, — способность передавать вращательную энергию волнам, — теперь подтверждена экспериментально. Не у чёрной дыры, а в лаборатории.