Vedci napodobnili fyziku rotujúcej čiernej diery. Zariadenie sa pritom vôbec nehýbalo
Vedci vytvorili nehybný elektronický prstenec, ktorý napodobnil extrémnu rotáciu čiernej diery a odobratou energiou zosilnil vybrané rádiové vlny.
Čierne diery patria k najextrémnejším objektom vo vesmíre. Fyziku v ich bezprostrednom okolí však nemôžeme preniesť do laboratória a jednoducho si ju zmerať. Pred viac ako polstoročím Roger Penrose ukázal, že z rýchlo rotujúcej čiernej diery by sa za určitých podmienok dala odobrať energia. Na jeho myšlienku neskôr nadviazal fyzik Yakov Zel’dovich, ktorý podobný efekt predpovedal aj pri vlnách. Tím z CUNY Advanced Science Research Center teraz túto vlnovú verziu procesu reprodukoval pomocou elektronického zariadenia, ktoré sa vôbec netočilo.
Penroseova teória pracuje s ergosférou, oblasťou mimo horizontu udalostí rotujúcej čiernej diery. Rotácia v nej strháva časopriestor podobne ako vír vodu. Častica, ktorá do tejto oblasti vstúpi, sa môže rozdeliť. Jedna časť spadne do čiernej diery a zníži jej rotačnú energiu, druhá unikne s väčšou energiou, než mala pôvodná častica.
Zel’dovich neskôr ukázal, že podobne by sa mohli správať aj vlny. Ak vlna so správnymi vlastnosťami narazí na dostatočne rýchlo rotujúci objekt, môže z neho odobrať časť energie a zosilniť sa. Tento jav sa označuje ako rotačná superradiancia.
Vedci obišli hranicu, na ktorej zlyhávala mechanika
Najväčšou prekážkou bola rýchlosť. Bežný predmet sa nedá roztočiť natoľko, aby vedci mohli Zel’dovichov efekt pohodlne skúmať. Materiál by sa skôr roztrhol alebo prehrial.
Výskumníci preto postavili prstencovú sieť elektronických rezonátorov pracujúcu s rádiovými frekvenciami. Rezonátor si môžeš predstaviť ako malú elektronickú ladičku. Najsilnejšie reaguje na určitý typ elektromagnetickej vlny a jeho správanie sa dá meniť elektrickým riadením.
Neprehliadni
Vedci jednotlivé rezonátory prepínali v presne načasovanom poradí. Prstenec zostal stáť, jeho elektrická odozva však obiehala dookola. Pripomína to nehybný reklamný panel, na ktorom postupne rozsvecované body vytvoria pohybujúcu sa šípku.
Prichádzajúca elektromagnetická vlna preto necítila nehybný obvod. Z jej pohľadu sa vlastnosti zariadenia otáčali obrovskou rýchlosťou. Vedci tak nenapodobnili čiernu dieru, ale jednu konkrétnu vec, ktorú jej rotácia dokáže urobiť s vlnou.
Energiu nedostala každá vlna
Vlny môžu niesť takzvaný orbitálny moment hybnosti. Nejde o to, že by celá vlna krúžila okolo prstenca ako planéta. Stáča sa jej fáza, teda usporiadanie jednotlivých vrcholov a dolín. Výsledok pripomína špirálovitý závit skrutky.
Práve smer tohto stáčania rozhodol, či sa vlna zosilní. Keď sa „zakrútenie“ vlny zhodovalo so syntetickou rotáciou zariadenia, vlna dokázala zo systému prevziať energiu. Pri opačnom nastavení sa efekt neobjavil. Zariadenie sa tak správalo ako zámok, do ktorého pasuje iba správne otočený kľúč.
Energiu dodával obvod, ktorý menil vlastnosti rezonátorov. Vlna ju iba odobrala, podobne ako surfer využije energiu pohybujúcej sa vody. Štúdia s názvom Observation of Floquet rotational super-radiance vyšla v časopise Nature. Označenie Floquet fyzici používajú pre systémy, ktorých vlastnosti sa pravidelne menia v čase.
Prelom nebol v samotnom jave, ale v tom, ako ho vyvolali
Rotačnú superradianciu vedci nepozorovali prvýkrát. Príbuzné efekty sa už podarilo zachytiť vo vodnom víre, pri rotujúcom absorbéri, vo fotónovej suprakvapaline aj v ďalších elektromagnetických pokusoch.
Nový experiment odstránil hlavné obmedzenie starších metód. Výskumníci nemuseli roztočiť kus materiálu a dúfať, že vydrží. Rýchlosť syntetickej rotácie určovalo načasovanie elektroniky. Zmenou nastavenia mohli upraviť, ako rýchlo vzor obieha, na ktoré vlny reaguje a kedy ich zosilní.
Nie je to čierna diera na stole. Ide o fyzikálny simulátor, ktorý z extrémneho kozmického procesu vybral jednu časť a preniesol ju do merateľného experimentu.
Experiment prekročil rýchlosť svetla len naoko
Štúdia spomína aj syntetickú rotáciu rýchlejšiu než svetlo. Po prstenci sa však nadsvetelnou rýchlosťou nepohybovala hmota, energia ani informácia. Takto rýchlo obiehal iba vzor vytvorený postupným prepínaním rezonátorov.
Predstav si rad svetiel, ktoré sa rozsvecujú jedno po druhom. Pri správnom načasovaní môže zdanlivý svetelný bod preskočiť medzi miestami rýchlejšie než svetlo, no nič túto vzdialenosť fyzicky nepreletelo. Rovnaký trik umožnil vedcom dostať sa do režimu nedostupného pre skutočne rotujúcu hmotu.
Zariadenie vie zosilniť len správne „zakrútený“ signál
Práve selektívne zosilnenie môže byť časom užitočné v komunikácii. Dnešné rádiové systémy oddeľujú signály najmä podľa frekvencie, času alebo polarizácie. Orbitálny moment hybnosti ponúka ďalšiu vlastnosť, podľa ktorej ich možno rozlíšiť.
Jeden frekvenčný kanál by teoreticky mohol niesť viacero vĺn s odlišným „zakrútením“. Časovo riadený materiál by potom vybral a zosilnil iba tú, ktorú potrebuje prijímač. Tím spomína bezdrôtovú komunikáciu, fotoniku, klasickú aj kvantovú optiku a spracovanie informácií.
K hotovému zariadeniu je ešte ďaleko. Experiment pracoval s rádiovými frekvenciami a dokazoval fyzikálny princíp. Preniesť ho do optických čipov alebo kvantových systémov bude podstatne náročnejšie.
Obrovská kapacita nestačí. Výsledok musíš vedieť aj prečítať
Čierne diery lákajú fyzikov aj ako hypotetické stroje na spracovanie informácií. Bekensteinova-Hawkingova entropia naznačuje, že jeden štvorcový meter horizontu udalostí môže niesť približne 1069 bitov.
To je informačná kapacita, nie výkon procesora. Počítač musí dáta nielen držať, ale aj meniť, vykonať nad nimi operáciu a vydať výsledok. Fyzik Seth Lloyd vypočítal teoretický limit približne 1033 operácií za sekundu na jeden joule. Ide však o všeobecnú hranicu pre ideálny kvantový systém, nie o návrh čiernodierového počítača.
Najväčší problém prichádza pri čítaní výsledku. Stephen Hawking ukázal, že čierne diery môžu vyžarovať a postupne strácať hmotnosť. Jeho výpočty však nevysvetlili, ako z Hawkingovho žiarenia dostať späť pôvodnú informáciu. Z tejto otázky vznikol informačný paradox čiernych dier.
Fyzici Gia Dvali a Zaza N. Osmanov navrhli, že technologicky vyspelejšie civilizácie by mohli malé čierne diery používať pri kvantových výpočtoch. Nezvyčajný podpis ich Hawkingovho žiarenia by sme vraj mohli zachytiť. Zatiaľ ide o špekuláciu.
CUNY vytvorilo niečo oveľa konkrétnejšie: nehybný elektronický prstenec, ktorý sa pre rádiové vlny správa ako ultrarýchlo rotujúce prostredie. Vďaka nemu môžu vedci skúmať prenos energie medzi rotáciou a vlnami bez čiernej diery aj bez jediného roztočeného kusu materiálu.
