Фізики перевірили ідею Пенроуза і створили механізм, що краде енергію з порожнечі

Фізики з Центру перспективних наукових досліджень (ASRC) Міського університету Нью-Йорка вперше відтворили в лабораторії механізм Пенроуза–Зельдовича — процес, за якого хвиля підсилюється, відбираючи енергію у тіла, що обертається. Результати експерименту опубліковані в журналі Nature.

Ідея сягає корінням до теорії Роджера Пенроуза: частинка, що потрапляє в ергосферу чорної діри, може розщепитися так, що одна її половина падає за горизонт подій, а інша залишає цю область із більшою енергією, ніж мала спочатку. Яків Зельдович узагальнив цей принцип і довів, що будь-яке тіло, яке обертається достатньо швидко, здатне передавати енергію падаючій на нього хвилі. Практично перевірити це довго не вдавалося — розкрутити реальний об’єкт до потрібних швидкостей механічно неможливо.

Команда під керівництвом Андреа Алу вирішила проблему інакше: замість фізичного обертання використала так зване синтетичне — результат просторово-часової модуляції середовища. Установка являє собою кільце з кількох резонаторів, властивості яких змінюються в часі за чітко виваженою програмою. Сам пристрій залишається нерухомим, але біжучий по кільцю модуляційний патерн не має механічних обмежень, тому ефективна швидкість обертання може сягати надсвітлових значень.

Коли ефективна швидкість перевищує швидкість світла, у зонній структурі такого просторово-часового кристала виникають заборонені щілини для кутового моменту. Саме тут запускаються параметричні процеси: хвилі з відповідними обертальними характеристиками починають вилучати енергію із синтетичного обертання та підсилюватися.

«Наш підхід створює новий метод взаємодії хвилі з речовиною, за якого хвилі з обраними характеристиками вилучають енергію із синтетичного обертання, забезпечуючи широкосмугове вибіркове підсилення», — пояснив Алу.

Автори наголошують, що синтетичний рух переводить екстремальну ротаційну динаміку з царини чистої теорії в реальний експеримент. Крім фундаментального значення для астрофізики, хвильової та квантової фізики, розроблена техніка відкриває прикладні перспективи в комунікаціях, оптиці та фотоніці.

Наступний крок дослідників — адаптація методу до практичних завдань обробки інформації, зокрема в квантових системах.