Ученые воспроизвели физику черной дыры в лаборатории и извлекли из нее энергию

Быстро вращающиеся черные дыры называют дырами Керра: по имени новозеландского математика Роя Керра, который в 1963 году нашел соответствующее решение уравнений Эйнштейна. У такой дыры есть особая зона снаружи горизонта событий — эргосфера. Это область пространства, где само пространство-время вовлечено во вращение настолько сильно, что ни один объект не может там оставаться неподвижным. В 1969 году английский физик Роджер Пенроуз показал: если тело попадет в эргосферу, разделится там на части и одна из них упадет в дыру, другая вылетит наружу с энергией больше, чем у нее было при входе. Дыра при этом немного замедлится, а ее вращение станет источником дополнительной энергии.

В 1971 году советский физик Яков Зельдович развил эту идею применительно к волнам. Он предсказал, что электромагнитная волна, которая взаимодействует с достаточно быстро вращающимся объектом, тоже может усилиться за счет его вращательной энергии. Этот процесс получил название суперрадиации. Проверить его экспериментально долго не удавалось: чтобы волна усилилась, объект должен вращаться с огромной скоростью — порядка миллиарда оборотов в секунду, что недостижимо ни для какого механического устройства.

Исследователи из CUNY решили эту задачу иначе. Вместо того чтобы раскручивать реальный объект, они создали синтетическое вращение. Их прибор — кольцевая сеть электронных резонаторов, маленьких элементов, которые запасают и передают энергию электромагнитных волн. Свойства резонаторов менялись по кругу в строго определенной временной последовательности, и по кольцу бежал электромагнитный паттерн — узор из волн, который вел себя так, словно весь прибор вращается с недостижимой механически скоростью. Сам прибор при этом стоял неподвижно.

Когда в эту систему посылали волну с нужными характеристиками — конкретными вращательными свойствами — она выходила усиленной, забрав энергию у искусственного вращения. Это Зельдович предсказал полвека назад. Синтетическое вращение способно имитировать скорости, превышающие скорость света, не нарушая при этом теорию относительности, поскольку никакое вещество реально не движется, а движется только паттерн. Это позволяет изучать физику экстремальных скоростей в лаборатории.

Ведущий автор работы постдок Хадисэ Насари пояснила, что эксперимент переводит идеи об экстремальной вращательной динамике из теории в практику и создает универсальную платформу для исследований на пересечении астрофизики, физики волн и квантовой науки. Соавтор Хади Мусса добавил, что подход опирается на метаматериалы — специально сконструированные структуры, которые управляют тем, как волны распространяются, и что волны с нужными вращательными характеристиками извлекали энергию из системы и усиливались, воспроизводя физику процесса Пенроуза–Зельдовича.

Команда рассчитывает перенести ту же идею на фотонные и квантовые платформы. Среди прикладных перспектив — оптика, классические и квантовые вычисления, беспроводная связь. Исследование финансировали Министерство обороны США, Национальный научный фонд и Фонд Саймонса.

Иллюстрация Dalila Pasotti and Hadiseh Nasari