Eksperiment bekræfter 50 år gammel teori, der beskriver, hvordan en fremmed civilisation kunne udnytte et sort hul

En 50 år gammel teori, der begyndte som spekulationer om, hvordan en fremmed civilisation kunne bruge et sort hul til at generere energi, er blevet eksperimentelt verificeret for første gang i et forskningslaboratorium i Glasgow.

I 1969, Den britiske fysiker Roger Penrose foreslog, at energi kunne genereres ved at sænke en genstand ned i det sorte huls ergosfære - det ydre lag af det sorte huls begivenhedshorisont, hvor en genstand skulle bevæge sig hurtigere end lysets hastighed for at forblive stille.

Penrose forudsagde, at objektet ville få en negativ energi i dette usædvanlige område af rummet. Ved at tabe genstanden og dele den i to, så den ene halvdel falder ned i det sorte hul, mens den anden gendannes, rekylhandlingen ville måle et tab af negativ energi – effektivt, den genvundne halvdel ville få energi udvundet fra det sorte huls rotation. Omfanget af den tekniske udfordring, processen ville kræve, er så stor, imidlertid, at Penrose kun foreslog en meget avanceret, måske fremmed, civilisationen ville svare til opgaven.

To år senere, en anden fysiker ved navn Yakov Zel'dovich foreslog, at teorien kunne testes med en mere praktisk, jordbundet eksperiment. Han foreslog, at "snoede" lysbølger, rammer overfladen af ​​en roterende metalcylinder, der drejer med den helt rigtige hastighed, ville ende med at blive reflekteret med yderligere energi udvundet fra cylinderens rotation takket være en særegenhed ved den roterende doppler-effekt.

Men Zel'dovichs idé er udelukkende forblevet i teoriens område siden 1971, fordi, for at eksperimentet skal virke, hans foreslåede metalcylinder ville skulle rotere mindst en milliard gange i sekundet - en anden uoverkommelig udfordring for de nuværende grænser for menneskelig teknik.

Nu, forskere fra University of Glasgow's School of Physics and Astronomy har endelig fundet en måde at eksperimentelt demonstrere den effekt, som Penrose og Zel'dovich foreslog ved at vride lyd i stedet for lys - en meget lavere frekvenskilde, og dermed meget mere praktisk at demonstrere i laboratoriet.

I et nyt blad offentliggjort i dag i Naturfysik , holdet beskriver, hvordan de byggede et system, som bruger en lille ring af højttalere til at skabe et twist i lydbølgerne analogt med det snoede i lysbølgerne foreslået af Zel'dovich.

Disse snoede lydbølger blev rettet mod en roterende lydabsorber lavet af en skumskive. Et sæt mikrofoner bag disken opfangede lyden fra højttalerne, da den passerede gennem disken, hvilket støt øgede hastigheden af ​​dens spin.

Hvad holdet søgte at høre for at vide, at Penrose og Zel'dovichs teorier var korrekte, var en markant ændring i lydbølgernes frekvens og amplitude, mens de rejste gennem disken, forårsaget af dopplereffektens særhed.

Marion Cromb, en ph.d. studerende ved Universitetets Skole for Fysik og Astronomi, er avisens hovedforfatter. Marion sagde:"Den lineære version af doppler-effekten er velkendt for de fleste mennesker som det fænomen, der opstår, når tonehøjden af ​​en ambulancesirene ser ud til at stige, når den nærmer sig lytteren, men falder, når den går væk. Det ser ud til at stige, fordi lyden bølger når oftere lytteren, når ambulancen nærmer sig, derefter sjældnere, efterhånden som det passerer.

"Den roterende doppler-effekt ligner, men effekten er begrænset til et cirkulært rum. De snoede lydbølger ændrer deres tonehøjde, når de måles fra den roterende overflades synspunkt. Hvis overfladen roterer hurtigt nok, kan lydfrekvensen gøre noget meget mærkeligt - den kan gå fra en positiv frekvens til en negativ, og derved stjæle noget energi fra overfladens rotation."

Efterhånden som hastigheden af ​​den roterende skive stiger under forskernes eksperiment, tonehøjden af ​​lyden fra højttalerne falder, indtil den bliver for lav til at kunne høres. Derefter, tonehøjden stiger op igen, indtil den når sin forrige tonehøjde - men højere, med en amplitude på op til 30 % større end den originale lyd, der kommer fra højttalerne.

Marion tilføjede:"Det, vi hørte under vores eksperiment, var ekstraordinært. Det, der sker, er, at frekvensen af ​​lydbølgerne bliver doppler-skiftet til nul, efterhånden som spinhastigheden stiger. Når lyden starter op igen, det er fordi bølgerne er blevet flyttet fra en positiv frekvens til en negativ frekvens. Disse negative frekvensbølger er i stand til at tage noget af energien fra den roterende skumskive, bliver højere i processen - præcis som Zel'dovich foreslog i 1971."

Professor Daniele Faccio, også fra University of Glasgow's School of Physics and Astronomy, er medforfatter på papiret. Prof Faccio tilføjede:"Vi er begejstrede for at have været i stand til eksperimentelt at verificere nogle ekstremt mærkelige fysik et halvt århundrede efter, at teorien først blev foreslået. Det er mærkeligt at tænke på, at vi har været i stand til at bekræfte en halv århundrede gammel teori. med kosmisk oprindelse her i vores laboratorium i det vestlige Skotland, men vi tror, ​​det vil åbne en masse nye muligheder for videnskabelig udforskning. Vi er ivrige efter at se, hvordan vi kan undersøge effekten på forskellige kilder såsom elektromagnetiske bølger i den nærmeste fremtid."

Forskerholdets papir, med titlen "Forstærkning af bølger fra et roterende legeme, "udgives i Naturfysik .