Бомба от черна дупка в лабораторията: възможно ли е и трябва ли да се страхуваме?

Теорията на Зелдович за свръхизлъчването е доказана в лабораторни условия.

Една бомба от черна дупка вероятно би била най-разрушителното оръжие във Вселената. Теоретично тя би могла да се създаде, като се обгради космическото чудовище с огледала и се изчака то да „избухне“. Неотдавна Хендрик Улбрихт от университета в Саутхемптън, Англия, и колегите му демонстрираха този принцип, наречен свръхизлъчване, в лаборатория, като вместо черна дупка използваха въртящ се метален цилиндър. В края на март те публикуваха резултатите си на сървъра за предпечатни публикации arXiv.org.

„Тази научна работа показва, че „бомба от черна дупка“ наистина може да бъде създадена в лабораторни условия“, заяви физикът Витор Кардосо от Института „Нилс Бор“ в Дания, който не е участвал в изследването. – „По този начин тя осигурява солидна основа за изучаване на цялата физика на черните дупки“.

Черните дупки, едни от най-странните обекти във Вселената, събират толкова много маса в толкова малко пространство, че радикално изкривяват пространство-времето. Гравитационното привличане на черната дупка е толкова силно, че на определено разстояние нищо не може да й убегне – дори и светлината. Теоретикът Роджър Пенроуз е един от първите, които изследват подробно черните дупки по математически път – работа, за която той получи Нобелова награда за физика през 2020 г. И в хода на тези ранни изследвания той открива нещо изненадващо.

Както Пенроуз добре разбира, нищо в нашия космос не е неподвижно, дори и черните дупки. Тези масивни чудовища могат да се въртят, изкривявайки пространство-времето и образувайки своеобразен вихър. Приближаващ се обект може да бъде уловен от този вихър и да започне да обикаля около въртящата се черна дупка. Още преди обектът да пресече хоризонта на събитията, отвъд който дори светлината не може да се измъкне от гравитационната хватка, той достига област, която физиците наричат „ергосфера“. Там обектът ще трябва да се движи по-бързо от светлината, за да избегне въртенето около черната дупка.

Тази ергосфера е странно място, както посочва Пенроуз, защото обектите в нея могат да имат отрицателна енергия. Една частица например може да се раздели на две равни, но противоположни части: една с отрицателна енергия и една с положителна енергия. Първата от тях ще се разбие в черната дупка (като по този начин ще намали нейната енергия), което ще позволи на втората да се измъкне от могъщата хватка на космическия гигант. Външен наблюдател би видял частица с определена енергия да пада към черната дупка, но след това привидно да отскача навън с по-висока енергия. При този процес черната дупка губи част от енергията си на въртене.

Добив на енергия от черните дупки и свръхизлъчването

По принцип това би дало възможност черните дупки да се използват като гигантски източници на енергия. Процесът би могъл не само да даде на масивните обекти повече енергия, но и да усили електромагнитните вълни в явлението, наречено свръхизлъчване. Това осъзнаване накара някои физици дори да си представят как напреднали извънземни цивилизации биха могли да използват свръхизлъчването, за да генерират енергия. Но макар да е сравнително лесно да се опише това на хартия, никой не знае по какъв начин сигналът от свръхизлъчването може да се наблюдава при реалните черни дупки. По този начин новата концепцията в началото остава само спекулация.

През 1971 г. обаче, две години след като Пенроуз за първи път описва явлението, физикът Яков Зелдович публикува изследване, в което предполага, че черните дупки не са единствените обекти, които могат да се използват като източници на свръхизлъчваща енергия. Всяко въртящо се, осевосиметрично тяло, което поглъща електромагнитното излъчване – например метален цилиндър – също може да прояви свръхизлъчване при определени обстоятелства.

„Грубо казано, въртящият се абсорбер трябва да се върти по-бързо от фазовото завъртане на попадащото върху него излъчване“, обяснява физикът Мария Киара Брайдоти от Университета в Глазгоу, Шотландия, която е участвала в последната научна работа. „Ако това условие е изпълнено, коефициентът на поглъщане на цилиндъра си променя знака, като по този начин усилва излъчването.“

Зелдович дори отива една стъпка по-напред, като показва, че свръхизлъчването може да възникне и във вакуум и не изисква входяща електромагнитна вълна. Това е така, защото в квантов мащаб вакуумът в никакъв случай не е празен. Във всеки един момент от нищото могат да се появят двойки виртуални частици и античастици, въпреки че обикновено те веднага се анихилират взаимно. Това явление е известно като флуктуация на вакуума.

Тези флуктуации могат да се усилят и в близост до черните дупки – или до въртящ се метален цилиндър. „Стивън Хокинг не вярваше в тази идея и се опитваше да я опровергае“, обяснява Марион Кромб, изследовател в групата на Улбрихт в Университета в Саутхемптън и съавтор на новата статия. – Той [Хокинг] не само призна, че Зелдович е прав, но и успя да докаже, че дори неротиращите черни дупки – без ергосфера – спонтанно излъчват радиация.“ Това осъзнаване води до откриването на лъчението на Хокинг.

Според теоретичните изчисления обаче свръхизлъчването, базирано на вакуума, би било толкова слабо, че не би могло да се открие – освен ако не се усили по някакъв начин. Както описва Зелдович, едно въртящо се тяло (черна дупка или метален цилиндър) би могло да бъде обвито с огледала, които да отразяват усиленото излъчване обратно към въртящото се тяло, усилвайки го многократно. Както осъзнават физиците Уилям Прес и Сол Теуколски, в огледалата може да се натрупа толкова много енергия, че да се стигне до гигантска експлозия. Ето защо Прес и Теуколски наричат тази инсталация бомба от черна дупка.

В зависимост от това колко ротационна енергия има черната дупка или металният цилиндър, е възможен резултат, различен от една гигантска експлозия. Кардосо и колегите му описват тази възможност в статия, публикувана през 2004 г., в която показват как свръхизлъчването може да спре, ако черната дупка или металният цилиндър загубят твърде много ъглов момент и по този начин обезсилят експлозията.

Експлозии в лабораторията

Сега Улбрихт, Брайдоти и техните колеги искат да проверят всички тези теоретични прогнози в лабораторни условия.

„Първоначално смятахме, че ще бъде твърде трудно да се наблюдава самият ефект“, казва Брайдоти, като отбелязва, че цилиндърът би трябвало да се върти толкова бързо, че да бъде унищожен в процеса. Поради тази причина тя първоначално насочва вниманието си към по-прости системи, в които може да се появи свръхизлъчване, включително и към инсталация със звукови вълни. „Пробивът беше в нашето разбиране как да намалим честотите на електромагнитните полета по някакъв много прост начин, така че те да са по-малки от честотите на въртене на металните цилиндри“, обяснява Улбрихт. За да направят това, изследователите са имали нужда само от вериги за променлив ток. „Това откритие отвори възможността да се проведе експеримент с електромагнитни вълни“, казва Брайдоти.

След това екипът насочва вниманието си към електромагнитното свръхизлъчване.

„Самата експериментална уредба е съвсем проста: тя се състои от въртящ се цилиндър и статорните намотки на наличен в търговската мрежа асинхронен двигател, комбинирани с няколко кондензатора и резистора“, казва Кромб.

Тези устройства са поставени около металния цилиндър, за да се създаде магнитно поле в него, което произвежда електромагнитно излъчване. В същото време тези устройства служат и като огледала, тъй като отразяват електромагнитните вълни обратно към цилиндъра.

„Най-голямата трудност беше, че постоянно нещо се взривяваше“, казва Кромб. – Беше необходимо да се балансира между измерването на приемлив сигнал и претоварването на системата. Когато токът през намотките ставаше твърде голям, резисторите във веригата надхвърляха номиналното си напрежение и изгаряха. Това води до прекъсване на електрическата верига и по този начин до разрушаване на „огледалото“.

Първоначално изследователите се опасяват, че тези претоварвания ще попречат на наблюдението на свръхизлъчването. Но те извадили късмет. „Усилването беше достатъчно голямо, за да се преодолеят загубите и да се навлезе в областта на нестабилността“, казва Кромб. Всъщност екипът успял да покаже, че напрежението в тяхната структура нараства експоненциално, както предвидил Зелдович. Това подкрепя твърдението на изследователите за първата в света лабораторна демонстрация на електромагнитна версия на бомба от черна дупка.

Трябва да се отбележи обаче, че въпреки военните конотации в името, „бомбата“, която Улбрихт и екипът му са построили в лабораторията си, съвсем не прилича на военен боеприпас – или дори на фойерверк. Тя би била напълно безполезна като оръжие, тъй като мощността ѝ е само от порядъка на един милиджаул енергия – т.е. приблизително толкова, колкото натискането на един клавиш на механична клавиатура.

Свръхизлъчване без излъчване?

След това Кромб и екипът му използват своята инсталация, за да проучат дали свръхизлъчването може да се прояви и във вакуум: ще се появи ли електромагнитен сигнал в техния апарат дори без магнитно поле? Тъй като експериментът се провежда при стайна температура, топлинните колебания засенчват всички вакуумни колебания – което означава, че екипът не може да открие директно последните. Изследователите обаче осъзнават, че именно този термичен фонов шум спонтанно генерира електромагнитни вълни, които теоретично могат да бъдат усилени.

И точно това те успяха да демонстрират: като избират подходяща скорост на въртене на цилиндъра, те генерираха електромагнитни вълни, може да се каже, от нищото. Тяхната работа също така потвърди сценария на „неутрализация“, предсказан от Кардосо: металният цилиндър е успявал да загуби достатъчно енергия от въртенето, за да спре свръхизлъчването и да предотврати всякаква експлозия.

Според Улбрихт най-специалното нещо в тази работа е нейната простота.

„Много физици смятат, че всички по-прости експерименти вече са направени и че новите идеи във фундаменталната физика могат да дойдат само от много сложни и много скъпи проекти“, казва той. – Ние доказахме обратното.“

„Не съм очаквал, че някой ще може да направи такъв експеримент в наши дни“, казва Кардосо. В деня, в който новата работа бе публикувана в arXiv.org, той казва, че е изнасял поредица от лекции в университета в Бангалор, Индия.

„Говорих за свръхизлъчването и казах на аудиторията, че никой никога не е доказвал електромагнитното свръхизлъчване или ефекта на въпросната бомба в лаборатория. Така че можете да си представите изненадата ми, когато скоро след това видях статията!“

Новата разработка може да доведе до по-дълбоко разбиране на черните дупки, казва Кардосо.

„Свръхизлъчването е малко познат класически ефект, който играе важна роля във физиката на черните дупки“, обяснява той. Например изключително леките частици като аксионите и специалните видове фотони, считани за кандидати за тъмна материя, биха могли да поглъщат ротационната енергия на черните дупки, усилвайки техните сигнали. „Това означава, че черните дупки могат да се използват като гигантски детектори на частици“, обяснява Кардосо.

С помощта на лабораторна бомба от черни дупки физиците биха могли да проверят подобни хипотези по-точно от всякога.

В бъдеще Улбрихт би искал да проведе квантова версия на експеримента, която би включвала наблюдение на спонтанното генериране на електромагнитни вълни и тяхното усилване от вакуума. Подобни директни експерименти с вакуумни флуктуации биха могли да открият напълно нови възможности за научната общност и света, казва той, като потенциално биха представлявали „голям пробив за физиката“.

„Може би, размишлява Улбрихт, тази работа ще позволи на изследователите „след няколко десетилетия да разберат дали това по принцип е възможно – да се генерира енергия от вакуума – което би било неизчерпаем нов източник на енергия“.

Въпреки че сме много далече получаването на енергия от черните дупки, това не означава, че методът не се използва от някоя развита цивилизация. И дори от нашата цивилизация в по-далечното бъдеще. Тази цивилизация би могла да изгради специална структура около черната дупка, която се върти заедно с нея и от тази конструкция се изхвърлят астероиди или електромагнитни вълни, които се отразяват с по-голяма енергия.