Электричество для пришельцев: как достать энергию из черной дыры
В 1969 году английский физик и математик Роджер Пенроуз предложил теорию, которая описывала процесс извлечения энергии из черной дыры. Для начала туда нужно поместить некоторый объект и заранее предусмотреть механизм, который расколет его на две части, как только он попадет в эргосферу. Эргосфера — это область за горизонтом событий, где ученые недавно обнаружили загадочные быстро вращающиеся световые кольца.
Одна часть объекта должна улететь в чрево черной дыры. Энергия отдачи от раскола придаст первичный импульс сохранившейся в эргосфере половине объекта. Двигаясь внутри вращающейся внешней области черной дыры, уцелевшая часть приобретет отрицательную энергию, по абсолютной величине превосходящую первоначальную.
Проблема лишь в том, что извлекать энергию таким способом можно, если заставить объект двигаться быстрее скорости света. Потому Роджер Пенроуз 50 лет назад предположил, что воспользоваться его идеей могут лишь представители внеземной высокотехнологичной цивилизации. Невозможность реализации на нынешнем этапе развития цивилизации земной все же не помешала последователям ученого попытаться доказать теорию экспериментально.
Через 12 лет советский физик-ядерщик Яков Зельдович описал эксперимент, который мог подтвердить теорию Пенроуза. Зельдович предложил «скручивать» световые волны в быстро вращающемся металлическом полом цилиндре. Ударяясь о стенки цилиндра, световые волны «закручивались» бы, а их энергия возрастала. Для этого частота вращения цилиндра должна была сильно превышать частоту колебаний световой волны. Возможности того времени не позволяли сконструировать подобную установку, ведь цилиндр должен был вращаться, как минимум, миллиард раз в секунду.
Теперь ученые из Школы физики и астрономии Университета Глазго немного изменили идею эксперимента Зельдовича и построили установку, где смогли доказать теорию Пенроуза. Вместо световых волн исследователи использовали звуковые. Частота колебаний акустических волн намного ниже, чем у световых. Это значит, что поверхность, от которой они будут отражаться, может вращаться значительно медленнее, чтобы возникал ожидаемый эффект.
Эксперимент ученых из Глазго описан в статье, опубликованной в журнале Nature Physics. Установка состояла из небольшого вращающегося пенопластового кольца, в которое поступали звуковые волны. Пенопласт был выбран неслучайно: он является хорошим поглотителем звука. С обратной стороны кольца были расположены микрофоны, улавливающие звук. Микрофоны были связаны с динамиками, которые позволяли «услышать» результат прямо в процессе опыта.
Кольцо постепенно раскручивали. Частота звука менялась вслед за частотой вращения. Сначала частота звуковых волн снижалась. Звук становился все ниже и ниже, как у взрослеющего подростка мужского пола. Но затем произошло нечто странное. Когда звук стал настолько низким, что его почти невозможно было услышать через динамики, его высота вновь стала увеличиваться, будто Бенджамин Баттон из старика с грудным басом превращался в пронзительно кричащего юнца. На первоначальной высоте увеличение частоты прекратилось. Звук при этом был явно громче: его амплитуда выросла на 30%, по сравнению с исходной.
Все произошло ровно так, как предсказывал Яков Зельдович. Ученый считал, что звук возвращается потому, что в какой-то момент происходит «смена полярности»: с положительной частоты на отрицательную. Волны с отрицательной частотой способны отбирать часть энергии у вращающегося пенопластового диска, становясь при этом громче. То же самое, по мнению физиков из Университета Глазго, происходит со светом в эргосфере черной дыры. Разница лишь в том, что отрицательной становится не частота, а энергия излучения.
Если внеземные развитые цивилизации существуют, то, возможно, используют черные дыры вместо атомных реакторов. Исследователям с планеты Земля, прежде чем перейти на этот исключительно «зеленый» источник энергии, необходимо повторить эксперимент, но уже с электромагнитными, а не акустическими волнами. Этим и планируют заняться в ближайшее время ученые из Университета Глазго.