Πριν από περισσότερα από 50 χρόνια, ο φυσικός Sir Roger Penrose πρότεινε μια αξιοσημείωτη ιδέα: κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, μπορεί να είναι δυνατή η εξαγωγή ενέργειας από μαύρες τρύπες που περιστρέφονται γρήγορα. Στη θεωρία του, ένα σωματίδιο που εισέρχεται στην εργοσφαιρία μιας μαύρης τρύπας, μια περιοχή όπου ο χωροχρόνος σύρεται από την περιστροφή του αντικειμένου, μπορεί να χωριστεί στα δύο. Το ένα θραύσμα θα πέσει στη μαύρη τρύπα και το άλλο θα διαφύγει με περισσότερη ενέργεια από το αρχικό σωματίδιο. Αργότερα, ο φυσικός Yakov Zel’dovich επεκτάθηκε σε αυτήν την ιδέα, προβλέποντας ότι τα κύματα που περιστρέφονται αρκετά γρήγορα με ένα αντικείμενο θα μπορούσαν επίσης να αποκτήσουν ενέργεια και να επεκταθούν.
Τώρα, ερευνητές στο Κέντρο Προηγμένων Επιστημονικών Ερευνών στο CUNY Graduate Center (CUNY ASRC) έχουν επιδείξει μια πειραματική προσέγγιση εμπνευσμένη από αυτές τις μακροχρόνιες θεωρίες. Συγγραφή περιοδικού η φύσηΗ ομάδα έδειξε ότι η ενίσχυση κυμάτων μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια συσκευή που προσομοιώνει την ακραία περιστροφή χωρίς φυσική περιστροφή.
Η συνθετική περιστροφή αναδημιουργεί ακραία φυσική
Αντί να περιστρέψουν ένα αντικείμενο μηχανικά, οι ερευνητές δημιούργησαν μια συσκευή ραδιοσυχνοτήτων της οποίας οι ιδιότητες αλλάζουν γρήγορα τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο. Αυτό το προσεκτικά σχεδιασμένο σύστημα δημιουργεί την ψευδαίσθηση της εξαιρετικά γρήγορης περιστροφής, φτάνοντας πολύ υψηλότερες αποτελεσματικές ταχύτητες περιστροφής από ό,τι μπορούν να επιτύχουν τα συμβατικά μηχανικά συστήματα. Αντικαθιστώντας τη φυσική κίνηση με την τεχνητή περιστροφή, οι ερευνητές ξεπερνούν τις προκλήσεις που έχουν περιορίσει τις πειραματικές μελέτες της ακραίας περιστροφικής φυσικής για δεκαετίες.
«Η προσέγγισή μας διευκολύνει μια νέα μέθοδο αλληλεπίδρασης κύματος-ύλης στην οποία κύματα με επιλεγμένα χαρακτηριστικά σπιν εξάγουν ενέργεια από συνθετικές χρονομηχανικές περιστροφές, δημιουργώντας μια μορφή ευρυζωνικής επιλεκτικής ενίσχυσης», δήλωσε ο κύριος ερευνητής Andrea Alu, Distinguished Professor and Einstein Professor και διευθυντής του CUNY’s Centre for Gradu Physics. Πρωτοβουλία Photonics της ASRC.
Ο επικεφαλής συγγραφέας Hadiseh Nasari, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Photonics Initiative του CUNY ASRC, είπε ότι το πείραμα μετατρέπει μια μακροχρόνια θεωρητική ιδέα σε πρακτικό ερευνητικό εργαλείο.
«Αυτό το επιτυχημένο πείραμα μεταφέρει ιδέες για ακραία περιστροφική δυναμική από τη θεωρία στην πράξη και δημιουργεί μια ευέλικτη πειραματική πλατφόρμα για να εξερευνήσει ένα ευρύ φάσμα φαινομένων στη διασταύρωση της αστροφυσικής, της κυματικής φυσικής και της κβαντικής επιστήμης», είπε ο Νασάρι. «Η εργασία έχει επιπτώσεις στη βασική επιστήμη και στην πρόοδο στις επικοινωνίες, την οπτική και τη φωτονική».
Πώς λειτούργησε το τεστ
Οι ερευνητές ξεκίνησαν να απαντήσουν σε ένα θεμελιώδες ερώτημα: Μπορούν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που αλληλεπιδρούν με μια εντελώς ακίνητη συσκευή να συμπεριφέρονται σαν να συναντούν ένα αντικείμενο που περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα και να αντλούν ενέργεια από αυτή την τεχνητή κίνηση;
Για να το διερευνήσουν, κατασκεύασαν έναν δακτύλιο ηλεκτρονικών αντηχείων των οποίων οι ιδιότητες προσαρμόστηκαν γρήγορα σε μια προσεκτικά συγχρονισμένη ακολουθία. Αν και το ίδιο το υλικό δεν μετακινήθηκε ποτέ, αυτές οι περιοδικές αλλαγές δημιούργησαν ένα ταξιδιωτικό μοτίβο γύρω από το δαχτυλίδι. Ως αποτέλεσμα, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έκαναν αποτελεσματικά το σύστημα να νιώθει σαν να περιστρέφεται με εξαιρετικές ταχύτητες.
“Κύματα με κατάλληλες περιστροφικές ιδιότητες εξάγουν ενέργεια από το σύστημα και ενισχύονται, αναπαράγοντας την ουσιαστική φυσική της διαδικασίας Penrose-Zel’dovich”, δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Hadi Musa, πρώην φοιτητής διδάκτορα στο CUNY ASRC Photonics Initiative. «Η προσέγγισή μας βασίζεται σε κατασκευασμένα μεταϋλικά που έχουν σχεδιαστεί για να ελέγχουν τον τρόπο διάδοσης των κυμάτων».
Πιθανές εφαρμογές πέρα από τη φυσική της μαύρης τρύπας
Επειδή η συνθετική περιστροφή μπορεί να προσομοιώσει κινήσεις πέρα από την ταχύτητα του φωτός, οι ερευνητές έχουν τώρα μια ελεγχόμενη εργαστηριακή πλατφόρμα για να εξερευνήσουν φυσικά καθεστώτα που διαφορετικά θα ήταν αδύνατο να μελετηθούν άμεσα. Η εργασία ανοίγει νέες ευκαιρίες για τη διερεύνηση της ακραίας φυσικής, ενώ επισημαίνει τις μελλοντικές προόδους στις ασύρματες επικοινωνίες, την οπτική, τη φωτονική και την κβαντική τεχνολογία.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι θα χρειαστεί πρόσθετη δουλειά πριν αυτές οι ιδέες μεταφραστούν σε πρακτικές συσκευές. Πιστεύουν επίσης ότι οι ίδιες αρχές μπορούν να εφαρμοστούν σε φωτονικά και κβαντικά συστήματα, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τον έλεγχο του φωτός, την επεξεργασία πληροφοριών και τη μελέτη της κυματικής συμπεριφοράς που προκαλείται από ορισμένα από τα ακραία περιβάλλοντα του σύμπαντος.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ και το Ίδρυμα Simons.
