Да, бомбу из чёрной дыры можно собрать в лаборатории. Нет, бояться пока не стоит (но стоит прочитать)
NewsMakerТеория Зельдовича о сверхизлучении доказана в лаборатории.
Бомба из чёрной дыры, вероятно, была бы самым разрушительным оружием во Вселенной. Теоретически её можно создать, окружив космического монстра зеркалами и дождавшись, пока он "взорвётся". Недавно Хендрик Ульбрихт из Саутгемптонского университета в Англии и его коллеги продемонстрировали этот принцип, называемый сверхизлучением, в лаборатории , используя вращающийся металлический цилиндр вместо чёрной дыры. Свои результаты, которые ещё не прошли экспертную оценку, они опубликовали на сервере препринтов arXiv.org в конце марта.
"Эта работа показывает, что 'бомбу чёрной дыры' действительно можно построить в лаборатории, — говорит физик Витор Кардозо из Института Нильса Бора в Дании, не участвовавший в исследовании. — Таким образом, она обеспечивает прочную основу для изучения всей физики чёрных дыр".
Чёрные дыры, одни из самых странных объектов во Вселенной, упаковывают такое количество массы в столь малое пространство, что радикально искривляют пространство-время. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько сильное, что на определённом расстоянии ничто не может от него спастись — даже свет. Теоретик Роджер Пенроуз одним из первых детально изучил чёрные дыры математически — работа, за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 2020 году. И в ходе этих ранних исследований он обнаружил нечто удивительное.
Как знал Пенроуз, в нашем космосе ничто не стоит на месте, даже чёрные дыры. Эти массивные монстры могут вращаться, искажая пространство-время и формируя своего рода воронку. Приближающийся объект может быть захвачен этой воронкой и начать вращаться вокруг вращающейся чёрной дыры. Ещё до того, как объект пересечёт горизонт событий, за пределами которого даже свет не может избежать хватки гравитации, он достигает области, которую физики называют "эргосферой". Там объект должен был бы двигаться быстрее света, чтобы избежать вращения вокруг чёрной дыры.
Эта эргосфера — странное место, как отметил Пенроуз, потому что объекты там могут обладать отрицательной энергией. Частица, например, может разделиться на две равные, но противоположные части: одну с отрицательной энергией и другую с положительной энергией. Первая затем врезается в чёрную дыру (тем самым уменьшая энергию чёрной дыры), позволяя второй избежать могучей хватки космического гиганта. Внешний наблюдатель увидит частицу с определённой энергией, падающую к чёрной дыре, но затем, казалось бы, отскакивающую наружу с более высокой энергией. Чёрная дыра при этом теряет часть своей вращательной энергии.
Однако в 1971 году, спустя два года после того, как Пенроуз впервые описал это явление, физик Яков Зельдович опубликовал исследование, предполагающее, что чёрные дыры — не единственные объекты, которые можно использовать как источники сверхизлучательной энергии. Любое вращающееся, осесимметричное тело, поглощающее электромагнитное излучение, — например, металлический цилиндр, — тоже может проявлять сверхизлучение при определённых обстоятельствах. "Грубо говоря, вращающийся поглотитель должен вращаться быстрее, чем фазовое вращение падающего излучения", — объясняет физик Мария Кьяра Брайдотти из Университета Глазго в Шотландии, участвовавшая в последней работе. "Если это условие выполняется, коэффициент поглощения цилиндра меняет знак, тем самым усиливая излучение".
Зельдович даже пошёл на шаг дальше, показав, что сверхизлучение может также происходить в вакууме и не требует входящей электромагнитной волны. Это потому, что в квантовых масштабах вакуум отнюдь не пуст. В любой момент пары виртуальных частиц и античастиц могут появляться из ничего, хотя обычно они сразу же аннигилируют друг друга. Это явление известно как флуктуация вакуума. И эти флуктуации также могут быть усилены вблизи чёрных дыр — или вращающегося металлического цилиндра. "Стивен Хокинг не верил в эту идею и пытался её опровергнуть, — объясняет Марион Кромб, исследователь в группе Ульбрихта в Саутгемптонском университете и соавтор новой работы. — [Хокинг] не только признал, что Зельдович был прав, но и смог доказать, что даже невращающиеся чёрные дыры — без эргосферы — спонтанно испускают излучение". Это осознание привело к открытию излучения Хокинга.
Согласно теоретическим расчётам, однако, сверхизлучение на основе вакуума было бы настолько слабым, что его нельзя было бы обнаружить — если только каким-то образом не усилить его. Как описал Зельдович, вращающееся тело (чёрная дыра или металлический цилиндр) можно заключить в зеркала, чтобы отражать усиленное излучение обратно к вращающемуся телу, многократно усиливая его. Как поняли физики Уильям Пресс и Сол Теукольски, внутри зеркал может накопиться столько энергии, что произойдёт гигантский взрыв. Поэтому Пресс и Теукольски назвали эту установку бомбой чёрной дыры.
В зависимости от того, сколько вращательной энергии имеет чёрная дыра или металлический цилиндр, возможен и другой результат, отличный от гигантского взрыва. Кардозо и его коллеги описали эту возможность в статье , опубликованной в 2004 году, которая показала, как сверхизлучение может прекратиться, если чёрная дыра или металлический цилиндр потеряют слишком много углового момента, тем самым обезвреживая взрыв.
Затем команда обратила своё внимание на электромагнитное сверхизлучение. "Сама экспериментальная установка довольно проста: она состоит из вращающегося цилиндра и статорных катушек серийно выпускаемого индукционного двигателя в сочетании с некоторыми конденсаторами и резисторами", — говорит Кромб. Эти устройства были размещены вокруг металлического цилиндра для создания магнитного поля внутри него, что производило электромагнитное излучение. В то же время эти устройства также служили зеркалами, поскольку они отражали электромагнитные волны обратно к цилиндру.
"Самой большой трудностью было то, что постоянно что-то взрывалось, — говорит Кромб. — Это был балансирующий акт между измерением разумного сигнала и перегрузкой системы. Когда ток через катушки становился слишком высоким, резисторы в цепи превышали своё номинальное напряжение и сгорали. Это прерывало электрическую цепь, тем самым разрушая 'зеркало'".
Исследователи изначально опасались, что эти перегрузки помешают наблюдению сверхизлучения. Но им повезло. "Усиление было достаточно большим, чтобы преодолеть потери и войти в область нестабильности", — говорит Кромб. Фактически, команда смогла показать, что напряжение в их структуре увеличивалось экспоненциально, как предсказал Зельдович. Это подтверждает утверждение исследователей о первой в мире лабораторной демонстрации электромагнитной версии бомбы чёрной дыры.
Обратите внимание, однако, что, несмотря на военные коннотации в названии, "бомба", которую Ульбрихт и его команда построили в своей лаборатории, совсем не похожа на боеприпас военного класса — или даже на петарду. Она была бы совершенно бесполезна как оружие, потому что её мощность составляет всего порядка миллиджоуля энергии — то есть примерно такое же количество, как при нажатии одной клавиши на механической клавиатуре.
И именно это им удалось продемонстрировать: выбрав подходящую скорость вращения цилиндра, они генерировали электромагнитные волны, можно сказать, из ничего. Их работа также подтвердила сценарий "обезвреживания", предсказанный Кардозо: металлический цилиндр смог потерять достаточно вращательной энергии, чтобы остановить сверхизлучение и предотвратить любой взрыв.
По словам Ульбрихта, самое особенное в этой работе — её простота. "Многие физики думают, что все простые эксперименты уже были проведены и что новые идеи в фундаментальной физике могут прийти только от очень сложных и очень дорогих проектов, — говорит он. — Мы доказали обратное".
"Я не ожидал, что кто-то сможет провести такой эксперимент сейчас", — говорит Кардозо. В день, когда новая работа была опубликована на arXiv.org, он, по его словам, читал серию лекций в Бангалорском университете в Индии. "Я говорил о сверхизлучении и сказал аудитории, что никто никогда не доказывал электромагнитное сверхизлучение или эффект бомбы в лаборатории. Так что вы можете представить моё удивление, когда я увидел статью вскоре после этого!"
Новая работа может привести к более глубокому пониманию чёрных дыр, говорит Кардозо. "Сверхизлучение — это малоизвестный классический эффект, который играет важную роль в физике чёрных дыр", — объясняет он. Например, чрезвычайно лёгкие частицы, такие как аксионы или специальные типы фотонов, считающиеся кандидатами на роль тёмной материи, могли бы поглощать вращательную энергию чёрных дыр, усиливая свои сигналы. "Это означает, что чёрные дыры можно использовать как гигантские детекторы частиц", — объясняет Кардозо. С лабораторной бомбой чёрной дыры физики могли бы проверять такие гипотезы точнее, чем когда-либо прежде.
В будущем Ульбрихт хотел бы провести квантовую версию эксперимента, что подразумевало бы наблюдение спонтанной генерации электромагнитных волн и их усиления из вакуума. Такие прямые эксперименты с флуктуациями вакуума могли бы открыть совершенно новые возможности для научного сообщества и мира, говорит он, потенциально представляя "крупный прорыв для физики". Возможно, размышляет Ульбрихт, эта работа позволит исследователям "через несколько десятилетий понять, возможно ли в принципе генерировать энергию из вакуума — что было бы неисчерпаемым новым источником энергии".
Бомба из чёрной дыры, вероятно, была бы самым разрушительным оружием во Вселенной. Теоретически её можно создать, окружив космического монстра зеркалами и дождавшись, пока он "взорвётся". Недавно Хендрик Ульбрихт из Саутгемптонского университета в Англии и его коллеги продемонстрировали этот принцип, называемый сверхизлучением, в лаборатории , используя вращающийся металлический цилиндр вместо чёрной дыры. Свои результаты, которые ещё не прошли экспертную оценку, они опубликовали на сервере препринтов arXiv.org в конце марта.
"Эта работа показывает, что 'бомбу чёрной дыры' действительно можно построить в лаборатории, — говорит физик Витор Кардозо из Института Нильса Бора в Дании, не участвовавший в исследовании. — Таким образом, она обеспечивает прочную основу для изучения всей физики чёрных дыр".
Чёрные дыры, одни из самых странных объектов во Вселенной, упаковывают такое количество массы в столь малое пространство, что радикально искривляют пространство-время. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько сильное, что на определённом расстоянии ничто не может от него спастись — даже свет. Теоретик Роджер Пенроуз одним из первых детально изучил чёрные дыры математически — работа, за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 2020 году. И в ходе этих ранних исследований он обнаружил нечто удивительное.
Как знал Пенроуз, в нашем космосе ничто не стоит на месте, даже чёрные дыры. Эти массивные монстры могут вращаться, искажая пространство-время и формируя своего рода воронку. Приближающийся объект может быть захвачен этой воронкой и начать вращаться вокруг вращающейся чёрной дыры. Ещё до того, как объект пересечёт горизонт событий, за пределами которого даже свет не может избежать хватки гравитации, он достигает области, которую физики называют "эргосферой". Там объект должен был бы двигаться быстрее света, чтобы избежать вращения вокруг чёрной дыры.
Эта эргосфера — странное место, как отметил Пенроуз, потому что объекты там могут обладать отрицательной энергией. Частица, например, может разделиться на две равные, но противоположные части: одну с отрицательной энергией и другую с положительной энергией. Первая затем врезается в чёрную дыру (тем самым уменьшая энергию чёрной дыры), позволяя второй избежать могучей хватки космического гиганта. Внешний наблюдатель увидит частицу с определённой энергией, падающую к чёрной дыре, но затем, казалось бы, отскакивающую наружу с более высокой энергией. Чёрная дыра при этом теряет часть своей вращательной энергии.
Добыча энергии из чёрных дыр и сверхизлучение
В принципе, это позволило бы использовать чёрные дыры как гигантские источники энергии. Процесс мог бы не только наделять массивные объекты большей энергией, но и усиливать электромагнитные волны в явлении, называемом сверхизлучением. Это осознание побудило некоторых физиков даже представить, как продвинутые инопланетные цивилизации могли бы использовать сверхизлучение для генерации энергии. Но несмотря на то, что на бумаге это описать относительно просто, никто не знал, как сигнал сверхизлучения можно было бы наблюдать в реальных чёрных дырах. Таким образом, концепция изначально оставалась лишь спекуляцией.Однако в 1971 году, спустя два года после того, как Пенроуз впервые описал это явление, физик Яков Зельдович опубликовал исследование, предполагающее, что чёрные дыры — не единственные объекты, которые можно использовать как источники сверхизлучательной энергии. Любое вращающееся, осесимметричное тело, поглощающее электромагнитное излучение, — например, металлический цилиндр, — тоже может проявлять сверхизлучение при определённых обстоятельствах. "Грубо говоря, вращающийся поглотитель должен вращаться быстрее, чем фазовое вращение падающего излучения", — объясняет физик Мария Кьяра Брайдотти из Университета Глазго в Шотландии, участвовавшая в последней работе. "Если это условие выполняется, коэффициент поглощения цилиндра меняет знак, тем самым усиливая излучение".
Зельдович даже пошёл на шаг дальше, показав, что сверхизлучение может также происходить в вакууме и не требует входящей электромагнитной волны. Это потому, что в квантовых масштабах вакуум отнюдь не пуст. В любой момент пары виртуальных частиц и античастиц могут появляться из ничего, хотя обычно они сразу же аннигилируют друг друга. Это явление известно как флуктуация вакуума. И эти флуктуации также могут быть усилены вблизи чёрных дыр — или вращающегося металлического цилиндра. "Стивен Хокинг не верил в эту идею и пытался её опровергнуть, — объясняет Марион Кромб, исследователь в группе Ульбрихта в Саутгемптонском университете и соавтор новой работы. — [Хокинг] не только признал, что Зельдович был прав, но и смог доказать, что даже невращающиеся чёрные дыры — без эргосферы — спонтанно испускают излучение". Это осознание привело к открытию излучения Хокинга.
Согласно теоретическим расчётам, однако, сверхизлучение на основе вакуума было бы настолько слабым, что его нельзя было бы обнаружить — если только каким-то образом не усилить его. Как описал Зельдович, вращающееся тело (чёрная дыра или металлический цилиндр) можно заключить в зеркала, чтобы отражать усиленное излучение обратно к вращающемуся телу, многократно усиливая его. Как поняли физики Уильям Пресс и Сол Теукольски, внутри зеркал может накопиться столько энергии, что произойдёт гигантский взрыв. Поэтому Пресс и Теукольски назвали эту установку бомбой чёрной дыры.
В зависимости от того, сколько вращательной энергии имеет чёрная дыра или металлический цилиндр, возможен и другой результат, отличный от гигантского взрыва. Кардозо и его коллеги описали эту возможность в статье , опубликованной в 2004 году, которая показала, как сверхизлучение может прекратиться, если чёрная дыра или металлический цилиндр потеряют слишком много углового момента, тем самым обезвреживая взрыв.
Взрывы в лаборатории
Ульбрихт, Брайдотти и их коллеги теперь хотели проверить все эти теоретические предсказания в лаборатории. "Изначально мы думали, что будет слишком сложно наблюдать сам эффект, — говорит Брайдотти, — отмечая, что цилиндр должен был бы вращаться так быстро, что был бы разрушен в процессе. По этой причине она изначально обратила внимание на более простые системы, в которых может возникать сверхизлучение, включая установку со звуковыми волнами. "Прорывом было наше понимание того, как уменьшить частоты электромагнитных полей очень простым способом, чтобы они были меньше частот вращения металлических цилиндров", — объясняет Ульбрихт. Для этого исследователям понадобились только цепи переменного тока. "Это открытие открыло возможность проведения эксперимента с электромагнитными волнами", — говорит Брайдотти.Затем команда обратила своё внимание на электромагнитное сверхизлучение. "Сама экспериментальная установка довольно проста: она состоит из вращающегося цилиндра и статорных катушек серийно выпускаемого индукционного двигателя в сочетании с некоторыми конденсаторами и резисторами", — говорит Кромб. Эти устройства были размещены вокруг металлического цилиндра для создания магнитного поля внутри него, что производило электромагнитное излучение. В то же время эти устройства также служили зеркалами, поскольку они отражали электромагнитные волны обратно к цилиндру.
"Самой большой трудностью было то, что постоянно что-то взрывалось, — говорит Кромб. — Это был балансирующий акт между измерением разумного сигнала и перегрузкой системы. Когда ток через катушки становился слишком высоким, резисторы в цепи превышали своё номинальное напряжение и сгорали. Это прерывало электрическую цепь, тем самым разрушая 'зеркало'".
Исследователи изначально опасались, что эти перегрузки помешают наблюдению сверхизлучения. Но им повезло. "Усиление было достаточно большим, чтобы преодолеть потери и войти в область нестабильности", — говорит Кромб. Фактически, команда смогла показать, что напряжение в их структуре увеличивалось экспоненциально, как предсказал Зельдович. Это подтверждает утверждение исследователей о первой в мире лабораторной демонстрации электромагнитной версии бомбы чёрной дыры.
Обратите внимание, однако, что, несмотря на военные коннотации в названии, "бомба", которую Ульбрихт и его команда построили в своей лаборатории, совсем не похожа на боеприпас военного класса — или даже на петарду. Она была бы совершенно бесполезна как оружие, потому что её мощность составляет всего порядка миллиджоуля энергии — то есть примерно такое же количество, как при нажатии одной клавиши на механической клавиатуре.
Сверхизлучение без излучения?
Далее Кромб и команда использовали свою установку, чтобы изучить, может ли сверхизлучение также происходить в вакууме: возникнет ли электромагнитный сигнал в их аппарате даже без магнитного поля? Поскольку эксперимент проходил при комнатной температуре, тепловые флуктуации затмевали любые флуктуации вакуума — что означало, что команда не могла напрямую обнаружить последние. Но именно этот тепловой фоновый шум, как поняли исследователи, спонтанно генерировал электромагнитные волны, которые теоретически могли быть усилены.И именно это им удалось продемонстрировать: выбрав подходящую скорость вращения цилиндра, они генерировали электромагнитные волны, можно сказать, из ничего. Их работа также подтвердила сценарий "обезвреживания", предсказанный Кардозо: металлический цилиндр смог потерять достаточно вращательной энергии, чтобы остановить сверхизлучение и предотвратить любой взрыв.
По словам Ульбрихта, самое особенное в этой работе — её простота. "Многие физики думают, что все простые эксперименты уже были проведены и что новые идеи в фундаментальной физике могут прийти только от очень сложных и очень дорогих проектов, — говорит он. — Мы доказали обратное".
"Я не ожидал, что кто-то сможет провести такой эксперимент сейчас", — говорит Кардозо. В день, когда новая работа была опубликована на arXiv.org, он, по его словам, читал серию лекций в Бангалорском университете в Индии. "Я говорил о сверхизлучении и сказал аудитории, что никто никогда не доказывал электромагнитное сверхизлучение или эффект бомбы в лаборатории. Так что вы можете представить моё удивление, когда я увидел статью вскоре после этого!"
Новая работа может привести к более глубокому пониманию чёрных дыр, говорит Кардозо. "Сверхизлучение — это малоизвестный классический эффект, который играет важную роль в физике чёрных дыр", — объясняет он. Например, чрезвычайно лёгкие частицы, такие как аксионы или специальные типы фотонов, считающиеся кандидатами на роль тёмной материи, могли бы поглощать вращательную энергию чёрных дыр, усиливая свои сигналы. "Это означает, что чёрные дыры можно использовать как гигантские детекторы частиц", — объясняет Кардозо. С лабораторной бомбой чёрной дыры физики могли бы проверять такие гипотезы точнее, чем когда-либо прежде.
В будущем Ульбрихт хотел бы провести квантовую версию эксперимента, что подразумевало бы наблюдение спонтанной генерации электромагнитных волн и их усиления из вакуума. Такие прямые эксперименты с флуктуациями вакуума могли бы открыть совершенно новые возможности для научного сообщества и мира, говорит он, потенциально представляя "крупный прорыв для физики". Возможно, размышляет Ульбрихт, эта работа позволит исследователям "через несколько десятилетий понять, возможно ли в принципе генерировать энергию из вакуума — что было бы неисчерпаемым новым источником энергии".