Een 50 jaar oude theorie die begon als speculatie over hoe een buitenaardse beschaving een zwart gat zou kunnen gebruiken om energie op te wekken, is voor het eerst experimenteel geverifieerd in een onderzoekslaboratorium in Glasgow.

1969, De Britse natuurkundige Roger Penrose suggereerde dat energie kan worden opgewekt door een object in de ergosfeer van het zwarte gat te laten zakken - de buitenste laag van de waarnemingshorizon van het zwarte gat, waar een object sneller dan de lichtsnelheid zou moeten bewegen om stil te blijven.

Penrose voorspelde dat het object een negatieve energie zou krijgen in dit ongewone deel van de ruimte. Door het object te laten vallen en in tweeën te splitsen, zodat de ene helft in het zwarte gat valt terwijl de andere wordt teruggevonden, de terugslagactie zou een verlies van negatieve energie meten - effectief, de teruggewonnen helft zou energie winnen die wordt gewonnen uit de rotatie van het zwarte gat. De omvang van de technische uitdaging die het proces zou vereisen, is zo groot, echter, dat Penrose alleen een zeer geavanceerde, misschien buitenaards, beschaving zou opgewassen zijn tegen de taak.

Twee jaar later, een andere natuurkundige genaamd Yakov Zel'dovich suggereerde dat de theorie zou kunnen worden getest met een meer praktische, aardgebonden experiment. Hij stelde voor dat "gedraaide" lichtgolven, het oppervlak van een roterende metalen cilinder raken die met precies de juiste snelheid draait, zou uiteindelijk worden gereflecteerd met extra energie die wordt onttrokken aan de rotatie van de cilinder dankzij een gril van het roterende doppler-effect.

Maar het idee van Zel'dovich is sinds 1971 alleen in het rijk van de theorie gebleven omdat, om het experiment te laten werken, zijn voorgestelde metalen cilinder zou minstens een miljard keer per seconde moeten draaien - nog een onoverkomelijke uitdaging voor de huidige grenzen van de menselijke techniek.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de School of Physics and Astronomy van de University of Glasgow hebben eindelijk een manier gevonden om het effect dat Penrose en Zel'dovich voorstelden experimenteel aan te tonen door geluid te draaien in plaats van licht - een veel lagere frequentiebron, en dus veel praktischer om aan te tonen in het lab.

In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , het team beschrijft hoe ze een systeem bouwden dat een kleine ring van luidsprekers gebruikt om een ​​draaiing in de geluidsgolven te creëren, analoog aan de draaiing in de lichtgolven voorgesteld door Zel'dovich.

Die verwrongen geluidsgolven werden gericht op een roterende geluidsabsorber gemaakt van een schuimschijf. Een set microfoons achter de schijf pikte het geluid van de luidsprekers op terwijl het door de schijf ging, waardoor de snelheid van zijn spin gestaag toenam.

Wat het team wilde horen om te weten of de theorieën van Penrose en Zel'dovich correct waren, was een opvallende verandering in de frequentie en amplitude van de geluidsgolven terwijl ze door de schijf reisden. veroorzaakt door die gril van het doppler-effect.

Marion Krom, een doctoraat student aan de School of Physics and Astronomy van de universiteit, is de hoofdauteur van de krant. Marion zei:"De lineaire versie van het doppler-effect is bij de meeste mensen bekend als het fenomeen dat optreedt wanneer de toonhoogte van een ambulancesirene lijkt te stijgen wanneer deze de luisteraar nadert, maar daalt wanneer deze weggaat. Het lijkt op te stijgen omdat het geluid golven bereiken de luisteraar vaker naarmate de ambulance nadert, dan minder vaak als het voorbijgaat.

"Het roterende doppler-effect is vergelijkbaar, maar het effect is beperkt tot een cirkelvormige ruimte. De gedraaide geluidsgolven veranderen hun toonhoogte wanneer gemeten vanuit het gezichtspunt van het roterende oppervlak. Als het oppervlak snel genoeg draait, kan de geluidsfrequentie iets heel vreemds doen - het kan van een positieve frequentie naar een negatieve gaan, en daarmee wat energie stelen van de rotatie van het oppervlak."

Naarmate de snelheid van de draaiende schijf toeneemt tijdens het experiment van de onderzoekers, de toonhoogte van het geluid uit de luidsprekers daalt totdat het te laag wordt om te horen. Vervolgens, de toonhoogte stijgt weer omhoog totdat hij zijn vorige toonhoogte bereikt, maar luider, met een amplitude die tot 30% groter is dan het oorspronkelijke geluid dat uit de luidsprekers komt.

Marion voegde toe:"Wat we tijdens ons experiment hoorden was buitengewoon. Wat er gebeurt, is dat de frequentie van de geluidsgolven doppler-verschoven wordt naar nul als de spinsnelheid toeneemt. Wanneer het geluid weer begint, het is omdat de golven zijn verschoven van een positieve frequentie naar een negatieve frequentie. Die golven met negatieve frequentie zijn in staat om een ​​deel van de energie van de draaiende schuimschijf te nemen, steeds luider in het proces - net zoals Zel'dovich in 1971 voorstelde."

Professor Daniele Faccio, ook van de School of Physics and Astronomy van de University of Glasgow, is co-auteur van de krant. Prof Faccio voegde toe:"We zijn heel blij dat we een halve eeuw nadat de theorie voor het eerst werd voorgesteld experimenteel een aantal extreem vreemde fysica hebben kunnen verifiëren. Het is vreemd om te denken dat we een theorie van een halve eeuw oud hebben kunnen bevestigen met kosmische oorsprong hier in ons lab in het westen van Schotland, maar we denken dat het veel nieuwe wegen van wetenschappelijk onderzoek zal openen. We zijn benieuwd hoe we in de nabije toekomst het effect op verschillende bronnen, zoals elektromagnetische golven, kunnen onderzoeken."

De paper van het onderzoeksteam, getiteld "Versterking van golven van een roterend lichaam, " is gepubliceerd in Natuurfysica .