Преди повече от 50 години физикът Роджър Пенроуз изказа една забележителна идея: при определени условия е възможно да се извлича енергия от бързо въртяща се черна дупка. Според неговата концепция частица, попаднала в ергосферата (област, в която пространство-времето се увлича от въртенето на обекта) може да се раздели на две части. Едната част пада в черната дупка, а другата излиза, отнасяйки повече енергия, отколкото първоначалната частица. По-късно физикът Яков Зелдович разшири тази концепция, предсказвайки, че вълните, взаимодействащи с достатъчно бързо въртящ се обект също могат да получават енергия и да се усилват.

В статия, публикувана в списанието „Nature“, екипът показа, че усилването на вълните може да бъде постигнато с помощта на устройство, което имитира екстремно въртене без физическо такова.

Синтетичното въртене възпроизвежда екстремната физика

Вместо механично въртене на обекта изследователите създадоха радиочестотно устройство, чиито свойства бързо се променят както в пространството, така и във времето. Тази внимателно проектирана система създава илюзията за свръхбързо въртене, достигайки ефективни скорости на въртене, които далеч надхвърлят възможностите на обичайните механични системи. Като замениха физическото движение със синтетично, изследователите преодоляха трудностите, които десетилетия наред ограничаваха експерименталните изследвания в областта на екстремната физика на въртенето. Експериментът превръща отдавнашна теоретична концепция в практически изследователски инструмент.

Как се проведе експериментът

Изследователите се опитаха да отговорят на един фундаментален въпрос: могат ли електромагнитните вълни, взаимодействайки с напълно неподвижно устройство, да се държат така, сякаш се сблъскват с обект, въртящ се със свръхвисока скорост и да извличат енергия от това изкуствено движение?

За тази цел те изградиха пръстен от електронни резонатори, чиито свойства бързо се променяха в прецизно синхронизирана последователност. Въпреки че самото оборудване никога не се движеше, тези синхронизирани промени създаваха движещ се модел около пръстена. В резултат на това електромагнитните вълни възприемаха системата така, сякаш тя се въртеше с невероятна скорост.

Потенциални приложения извън физиката на черните дупки

Тъй като синтетичното въртене може да имитира движение, надвишаващо скоростта на светлината, изследователите вече разполагат с контролирана лабораторна платформа за изучаване на физични режими, които иначе би било невъзможно да се изследват пряко. Работата отваря нови възможности за изучаване на екстремната физика, както и сочи към бъдещи постижения в областта на безжичните комуникации, оптиката, фотониката и квантовите технологии.

Изследователите отбелязват, че ще е необходима допълнителна работа, преди тези идеи да могат да бъдат превърнати в практични устройства. Те също така смятат, че същите принципи могат да бъдат приложени към фотонни и квантови системи, отваряйки нови възможности за управление на светлината, обработка на информация и изучаване на поведението на вълните, вдъхновено от едни от най-екстремните среди във Вселената.