بعد 50 عامًا ، أظهرت التجربة أخيرًا أنه يمكن استخراج الطاقة من ثقب أسود

(جامعة جلاسكو)

عملية نظرية عمرها 50 عامًا لاستخراج الطاقة من الدوران ثقب أسود أخيرًا التحقق التجريبي.

باستخدام نظير للمكونات المطلوبة ، أظهر الفيزيائيون أن عملية Penrose هي بالفعل آلية معقولة لاستخراج بعض طاقة الدوران هذه - إذا تمكنا من تطوير الوسائل.

هذا غير مرجح ، لكن العمل يُظهر أنه يمكن استخدام الأفكار النظرية الغريبة ببراعة لاستكشاف الخصائص الفيزيائية لبعض أكثر الأشياء تطرفاً في الكون.

الثقوب السوداء متوحشة - المرحلة النهائية من دورة حياة نجم ضخم جدًا ، وبمجرد أن يختفي المستعر الأعظم ، لم يعد القلب قادرًا على تحمل جاذبيته وينهار تمامًا في حالة فردية - نقطة أحادية البعد ذات كثافة لا نهائية.

تقع هذه التفرد داخل منطقة تسمى أفق الحدث - وهي النقطة التي تكون فيها الجاذبية حول الثقب الأسود قوية جدًا ، ولا تكفي حتى سرعة الضوء لتحقيق سرعة الهروب. وخارج أفق الحدث ، تصبح منطقة ممتدة من الزمكان ملتوية كما هيجرجنبا إلى جنب مع دوران الثقب الأسود ، وهو تأثير يسمى سحب الإطار .

هذا هو المكان الذي تأتي فيه عملية بنروز. في عام 1969 ، فيزيائي رياضي اقترح روجر بنروز أن منطقة خارج أفق الحدث مباشرة تسمى ergosphere ، حيث يكون سحب الإطار في أقوى حالاته ، يمكن استغلالها لاستخراج الطاقة.

وفقًا لحسابات بنروز ، إذا انقسام جسم ما في الغلاف الجوي إلى قسمين ، فسيتم دفع جزء واحد إلى ما وراء أفق الحدث.

ومع ذلك ، سيتم تسريع الآخر للخارج ، مع ركلة إضافية من الثقب الأسود. إذا سار كل شيء على ما يرام ، فسيخرج من الغلاف الجوي مع ما حوله 21٪ طاقة أكثر مما دخلت به.

الآن ، لا يمكننا أن ننتقل إلى ثقب أسود لاختبار ذلك. لكن في عام 1971 عالم الفيزياء السوفياتي اقترح ياكوف زيلدوفيتش تجربة أكثر عملية. يمكنك استبدال الثقب الأسود بأسطوانة معدنية دوارة وإطلاق أشعة ضوئية ملتوية عليها. إذا كانت الأسطوانة تدور بالسرعة الصحيحة فقط ، فإن الضوء سينعكس مرة أخرى مع طاقة إضافية مستخرجة من دوران الأسطوانة ، بسبب شذوذ في شيء يسمى تأثير دوبلر الدوراني.

إذا كنتقارئ عادي، ربما تكون على دراية بالتأثير المذكور: يمكن رؤيته عندما يصدر مصدر دوار موجات تقصر وتطول اعتمادًا على اتجاه الدوران. ستبدو الموجات من الجانب الذي يدور نحوك وكأنها تقصر ؛ يبدو أن الموجات من الجانب الذي يدور بعيدًا تطول. هذه هي الطريقة التي يستطيع بها علماء الفلكقياس التناوبالنجوم والمجرات.

كانت هناك مشكلة واحدة فقط في اقتراح زيلدوفيتش. يجب أن تكون سرعة الأسطوانة الدوارة على الأقل 1 مليار دورة في الثانية - تذكر ، لا يزال هناك كثير من مجال اللاعملية في 'أكثر عملية من الثقب الأسود'.

وهكذا بقيت المسألة - حتى جاء فريق من علماء الفيزياء من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة جلاسكو في اسكتلندا. ابتكروا تجربة بناءً على عمل زيلدوفيتش - لكن بدلاً من استخدام موجات الضوء ، استخدموا الموجات الصوتية.

التجربة. (كرومب وآخرون ، فيزياء الطبيعة ، 2020)

تكونت التجربة من حلقة مكبرات صوت تم إعدادها لإحداث التفاف في الموجات الصوتية ، على غرار الضوء الملتوي في تجربة زيلدوفيتش. كان 'الثقب الأسود' عبارة عن ممتص صوت دوار مصنوع من قرص رغوي ، والذي من شأنه أن يسرع دورانه مع ارتطام الموجات الصوتية به. ستكتشف مجموعة من الميكروفونات الموجودة على الجانب الآخر من القرص الموجات الصوتية بعد مرورها عبر القرص.

كان مسدس الدخان الذي من شأنه التحقق من عملية بنروز هو تحول في الملعب والسعة في الموجات الصوتية التي مرت عبر القرص.

تغير الموجات الصوتية الملتوية نغماتها عند قياسها من وجهة نظر السطح الدوار ، أوضح الفيزيائي وعالم الفلك ماريون كرومب من جامعة جلاسكو ، المؤلف الرئيسي لورقة الفريق.

إذا كان السطح يدور بسرعة كافية ، فيمكن لتردد الصوت أن يفعل شيئًا غريبًا للغاية - يمكن أن ينتقل من تردد موجب إلى تردد سالب ، وبذلك يسرق بعض الطاقة من دوران السطح.

كانت النتائج مذهلة. مع تسارع دوران القرص ، تنخفض حدة الصوت الذي يصطدم بالميكروفونات حتى يصبح غير مسموع. ثم بدأ في الارتفاع مرة أخرى إلى درجة الصوت الأصلية - ولكن أعلى بنسبة 30 في المائة من الصوت الصادر من السماعات. كانت الموجات الصوتية تلتقط طاقة إضافية من القرص الدوار.

(جامعة جلاسكو)

'ما سمعناه خلال تجربتنا كان غير عادي ،' قال كرومب .

ما يحدث هو أن تردد الموجات الصوتية يتم تحويله إلى الصفر مع زيادة سرعة الدوران. عندما يبدأ الصوت في الظهور مرة أخرى ، فذلك لأن الموجات قد تم تحويلها من تردد موجب إلى تردد سلبي. هذه الموجات ذات التردد السالب قادرة على أخذ بعض الطاقة من قرص الرغوة الدوارة ، وتصبح أعلى في هذه العملية - تمامًا كما اقترح زيلدوفيتش في عام 1971. '

يخطط الفريق لمحاولة اكتشاف كيفية توسيع نطاق هذا البحث ليشمل الموجات الكهرومغناطيسية - الضوء - لكن هذا البحث يعد خطوة رائعة جدًا إلى الأمام في فهم الثقوب السوداء. يوضح كيف يمكن التحقق من خصائصها المتطرفة في إعدادات المختبر إذا كانت لديك الأدوات المناسبة - ولا يلزم أن تكون دائمًا رائعة ،مكثفات بوز-آينشتاين عالية التقنية.

يمكن أن يؤدي بحث مثل هذا أيضًا إلى تقنيات جديدة ، إذا أمكن ابتكار طريقة لتسخير هذه الظاهرة الرائعة.

'يسعدنا أن نكون قادرين على التحقق تجريبيًا من بعض الفيزياء الغريبة للغاية بعد نصف قرن من اقتراح النظرية لأول مرة ،' قال الفيزيائي دانيال Faccio من جامعة جلاسكو.

'من الغريب الاعتقاد بأننا تمكنا من تأكيد نظرية عمرها نصف قرن مع أصول كونية هنا في مختبرنا في غرب اسكتلندا ، لكننا نعتقد أنها ستفتح الكثير من الطرق الجديدة للاستكشاف العلمي.'

تم نشر البحث في فيزياء الطبيعة .

من نحن

نشر حقائق تقارير مستقلة ومثبتة عن الصحة والفضاء والطبيعة والتكنولوجيا والبيئة.