Вращающаяся черная дыра — это настолько мощная сила природы, что она увлекает за собой окружающее время и пространство. Поэтому вполне естественно задаться вопросом, можно ли использовать черные дыры в качестве источника энергии. В 1969 году математик Роджер Пенроуз предложил способ сделать это, который известен теперь как «процесс Пенроуза».
Вокруг своего горизонта событий (границы, за пределы которой ничто, даже свет, не может выйти) вращающаяся черная дыра создает область, называемую «эргосферой». Если объект попадает в эргосферу таким образом, что он в ней разделяется, то одна часть может упасть в черную дыру, а другая улететь, при этом эффективно забрав энергию у черной дыры. Таким образом, посылая объекты или свет к вращающейся черной дыре, теоретически мы можем получить больше энергии взамен.
Но верна ли эта теория? В 1971 году русский физик Яков Зельдович перевел ее на другие вращающиеся системы, которые теоретически проще воплотить в земных лабораториях. Черная дыра таким образом превратилась во вращающийся цилиндр, сделанный из материала, способного поглощать энергию. Зельдович предположил, что световые волны смогут извлекать энергию из цилиндра и усиливаться. Однако для того, чтобы эффект усиления работал, эти волны должны иметь определенный момент импульса, который закручивает их по спирали.
Эргосфера и горизонт событий.
Когда закрученные световые волны попадают в такой цилиндр, их частота должна измениться из-за эффекта, называемого доплеровским смещением. Вы, скорее всего, испытывали его влияние на себе, когда слышали сирену скорой помощи. Когда она движется к вам, звук имеет более высокий тон, чем когда она удаляется от вас — направление движения изменяет высоту звука. Аналогичным образом изменение скорости вращения изменяет воспринимаемую частоту световой волны.
Если цилиндр вращается достаточно быстро, измененная частота волны должна упасть настолько низко, что она станет отрицательной. Никакого противоречия здесь нет — это просто означает, что волна станет вращаться в противоположном направлении. Волны с положительной частотой должны частично поглощаться цилиндром, теряя энергию. Но волны с отрицательной частотой будут преобразовывать эту потерю в усиление, то есть они будут извлекать энергию из вращения, точно так же, как объект, вылетающей из черной дыры Пенроуза.
Проверка теории Зельдовича может показаться простой. Однако на практике цилиндр должен вращаться с той же или более высокой частотой, что и волны. Чтобы усилить видимые световые волны, которые колеблются с частотой в сотни триллионов раз в секунду, вам нужно вращать этот поглощающий цилиндр в миллиарды раз быстрее, чем его могут раскрутить лучшие моторы.
Наконец-то прорыв
Свет распространяется со скоростью около 300 миллионов метров в секунду. Поэтому, чтобы облегчить проверку теории, Марион и его команда решили использовать звуковые волны, которые распространяются примерно в миллион раз медленнее — крутить поглотитель с такой частотой уже возможно на современных установках.
Чтобы создать закрученную звуковую волну, они использовали кольцо из динамиков, излучающих звук с одинаковой частотой, но начинающие это делать в несколько разное время, чтобы звуковая волна стала двигаться по спирали. В качестве вращающегося поглотителя был использован кусок звукопоглощающего пенопласта, прикрепленного к двигателю. Микрофоны, размещенные снаружи, позволили записать звук после его взаимодействия с вращающимся поглотителем.
Экспериментальная установка.
Команда Мариона обнаружила, что когда пенопласт-поглотитель вращается медленно (с низкой частотой), полученный звук был тише, потому что он был в основном поглощен пеной. Но когда поглотитель раскрутили достаточно быстро, чтобы из-за доплеровского смещения частоты звуковых волн изменились настолько, что стали отрицательными, итоговый звук стал громче.
Это может означать только то, что звуковая волна забрала энергию у вращающегося поглотителя, доказав тем самым 50-летнюю теорию.
Бомба из черной дыры
Все это, конечно, не является прямым подтверждением того, что идея Пенроуза об извлечении энергии будет действительно работать для черной дыры. Скорее, исследование подтверждает противоречащую интуиции фундаментальную физику, показывая, что смещение частот волн от положительных к отрицательным приводит к тому, что волны приобретают, а не теряют энергию.
Хотя на деле мы даже не приблизились к извлечению энергии из вращающейся черной дыры, это не означает, что это не может быть сделано очень развитой инопланетной цивилизацией — или даже нашей собственной цивилизацией в далеком будущем. Такая цивилизация могла бы построить структуру вокруг черной дыры, которая вращается вместе с ней, а затем сбрасывать в нее астероиды или посылать электромагнитные волны, которые отражались бы с большей энергией.
При наличии вращающегося поглотителя итоговая амплитуда звуковых волн (красная) была выше, чем начальная.
Более того, при желании можно создать так называемую бомбу из черной дыры, полностью окружив последнюю отражающей зеркальной оболочкой. Свет, направленный в черную дыру, возвращался бы усиленным, а затем отражался бы зеркалом обратно в черную дыру, чтобы быть усиленным снова, и так далее.
Энергия таким образом будет увеличиваться экспоненциально при каждой итерации, что в конечном счете превратило бы черную дыру в бомбу. Однако, выпуская часть этого усиленного света из оболочки через отверстие, можно контролировать процесс и производить по существу неограниченное количество энергии.
Хотя это все еще научная фантастика, в очень далеком будущем, когда Вселенная практически умрет и единственными остатками галактик и звезд станут черные дыры, такой метод может стать единственной надеждой на выживание любой цивилизации. Таким образом может появиться Вселенная с огромными изолированными источниками энергии, ярко сияющими в абсолютно черном небе.
