Udało się zbudować model bomby z czarną dziurą w środku. Jak to działa?

Spis treści: Teoretyczne rozwiązanie w praktyce Badania profesora Ulbrichta Bomba jak supernowa Generując sygnał z szumu W laboratorium Uniwersytetu Southampton w Wielkiej Brytanii zbudowana została uproszczona wersja bomby z czarną dziurą. Pomysł bazuje na połączeniu obracającego się cylindra i cewek magnetycznych. Jak przekonują naukowcy z Uniwersytetu Southampton – badanie bomby może pomóc nam lepiej zrozumieć prawdziwe czarne dziury. Teoretyczne rozwiązanie w praktyce Bomba z czarnych dziur była przez ponad pół wieku czysto teoretycznym rozwiązaniem, w którym energia jest zwiększana przez czarną dziurę i uwięziona przez otaczające ją lustra, aż do momentu eksplozji. Za pomysłem stał sir Roger Penrose, który wyliczył, że cząstka przelatująca bardzo blisko wirującej czarnej dziury zyskuje energię ze względu na efekt ogólnej teorii względności, który powoduje, że czarna dziura przeciąga i przyspiesza czasoprzestrzeń wokół siebie. Dwa lata później inny fizyk, Jakow Zeldowicz, zrozumiał, że podobny proces może zachodzić na przykład, gdy światło porusza się wokół szybko obracającego się metalowego cylindra. Obliczył, że ten efekt „superradiancji” powinien występować tak długo, jak długo cylinder obraca się z tą samą częstotliwością co światło – ale jest to niewiarygodnie szybkie zjawisko. – Niemożliwe jest obracanie z tak zawrotną prędkością czegokolwiek, co zostało wykonanego z materii – powiedział profesor Hendrik Ulbricht z Uniwersytetu Southampton w Wielkiej Brytanii. To uczony, który stał za budową modelu bomby z czarną dziurą. Badania profesora Ulbrichta Główne zainteresowania badawcze Hendrika Ulbrichta koncentrują się wokół eksperymentalnych testów fundamentalnych teorii za pomocą eksperymentów naziemnych i tych prowadzonych w przestrzeni kosmicznej. Niektóre testy dotyczą zasady superpozycji, która stanowi podstawę mechaniki kwantowej. Inne eksperymenty dotyczą testowania wzajemnego oddziaływania mechaniki kwantowej i grawitacji. Grupa Ulbrichta prowadzi też kwantowe badania eksperymentalne nad przygotowaniem i analizą masywnych układów w stanach nieklasycznych za pomocą różnych technik. Są pionierami tak zwanych lewitujących eksperymentów opto- i magneto-mechanicznych, w których światło i pola magnetyczne są wykorzystywane zarówno do łapania, jak i kontrolowania nano- i mikrocząstek w próżni. Bomba jak supernowa Według idei Zeldovicha, otaczając obracający się cylinder cylindrycznym lustrem, wzmocniona energia może być odbijana i gromadzona w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego, aż zostanie uwolniona. Bazując na tym profesor Ulbricht uznał, iż można byłoby stworzyć „bombę czarnych dziur”, uwalniającą tyle energii, co supernowa. Działałoby to nawet bez zewnętrznego źródła energii, ponieważ czarna dziura wzmacniałaby niewielkie fluktuacje elektromagnetyczne w samej próżni kosmicznej, skutecznie wytwarzając energię z szumu. Wszystko to pozostawało teoretyczne, aż do chwili, gdy Ulbricht wraz ze swoją grupą badawczą znalazł sposób na zademonstrowanie pętli sprzężenia zwrotnego Zeldovicha przy użyciu obracającego się aluminiowego cylindra i pól magnetycznych. Ulbricht zbudował pierwszy prototyp podczas pierwszego lockdownu Wielkiej Brytanii w 2020 roku. – Wszystko było zamknięte, a ja naprawdę się nudziłem i chciałem coś zrobić. Opracowałem zbudowałem konfigurację i zacząłem przeprowadzać odpowiednie eksperymenty, po czym zobaczyłem wzmocnienie. Byłem tak bardzo podekscytowany, że właściwie można powiedzieć, że uratowało mnie to podczas pandemii – komentuje naukowiec. Generując sygnał z szumu Następnie zwerbował kolegów do zbudowania solidniejszego zestawu eksperymentalnego. Składa się on z obracającego się aluminiowego cylindra napędzanego silnikiem elektrycznym, otoczonego trzema warstwami metalowych cewek wytwarzających pole magnetyczne, które również obraca się wokół cylindra z podobną prędkością. W tym układzie cewki działają jak lustro, a pole magnetyczne jak światło i, zgodnie z przewidywaniami Zeldovicha, wytworzyło to jeszcze większe pole magnetyczne emanujące z cylindra. Ulbricht i jego zespół wykazali, że nawet bez cewek wytwarzających zewnętrzne pole magnetyczne na początku, konfiguracja nadal generowałaby sygnał rozbiegowy w otaczających cewkach, podobnie jak teoretyczny przykład czarnej dziury bez zewnętrznego źródła energii. – Zasadniczo generujemy sygnał z szumu, a to jest to samo, co dzieje się w propozycji bomby z czarną dziurą – wyjaśnia Ulbricht. – Uzyskanie dokładnych pomiarów tego procesu w laboratorium ma realne odzwierciedlenie w fizyce czarnych dziur – mówi profesor Vitor Cardoso z Uniwersytetu Lizbońskiego w Portugalii i jeden z członków grupy Ulbrichta. Chociaż wersja laboratoryjna jest tylko analogiem, może pomóc fizykom zrozumieć, w jaki sposób prawdziwe czarne dziury przekazują energię otaczającym je cząstkom. Mogłoby to pomóc przetestować teoretyczne koncepcje dotyczące niewidocznych jeszcze pól cząstek, takich jak te, które powodują powstanie ciemnej materii. – Superradiancja zamienia czarne dziury w detektory cząstek, i to znacznie lepsze niż Wielki Zderzacz Hadronów w CERN – podsumowuje Cardoso. Pozostaje tylko pytanie, czy testy laboratoryjne na zawsze pozostaną testami? W końcu bomba atomowa początkowo też była tylko rozwiązaniem teoretycznym. Źródło: New Scientist Nasza autorka