به گزارش اکو تحلیل پژوهشگران مرکز تحقیقات علوم پیشرفته (Advanced Science Research Center) در نیویورک برای نخستین بار موفق شدند فرآیند استخراج انرژی از سیاه‌چاله‌های در حال چرخش را در آزمایشگاه شبیه‌سازی کنند. این دستاورد که در مجله معتبر «نیچر» (Nature) منتشر شده، با بهره‌گیری از دستگاهی که «چرخش مصنوعی» ایجاد می‌کند، یکی از نظریه‌های مشهور فیزیک را از مرحله ایده به مرحله عمل عملی منتقل کرده است.

از نظریه پنجاه ساله پنروز تا شبیه‌سازی در آزمایشگاه

بیش از پنجاه سال پیش، سر راجر پنروز، فیزیکدان برجسته، نظریه‌ای جسورانه مطرح کرد: تحت شرایط خاص، می‌توان از یک سیاه‌چاله در حال چرخش سریع انرژی استخراج کرد. بر اساس این ایده، ذره‌ای که وارد منطقه «ارگوسفر» (Ergosphere) سیاه‌چاله می‌شود منطقه‌ای که فضا زمان توسط چرخش آن به حرکت کشیده می‌شود می‌تواند به دو بخش تقسیم شود. یکی از بخش‌ها به درون سیاه‌چاله سقوط می‌کند و دیگری با انرژی‌ای بیشتر از ذره اولیه فرار می‌کند.

سال‌ها بعد، فیزیکدان یاکوف زلدوویچ این مفهوم را گسترش داد و پیش‌بینی کرد که امواج برهم‌کنش‌کننده با یک جسم با سرعت چرخش کافی نیز می‌توانند انرژی کسب کرده و تقویت شوند. اکنون تیمی از پژوهشگران به رهبری آندریا آلوی (Andrea Alù)، استاد برجسته فیزیک در مرکز تحصیلات تکمیلی دانشگاه شهر نیویورک (CUNY)، موفق شده‌اند این نظریه‌ها را در آزمایشگاه به نمایش بگذارند.

چرخش مصنوعی؛ شبیه‌سازی سرعت‌های فراتر از امکان فیزیکی

به‌جای چرخاندن مکانیکی یک جسم، پژوهشگران یک دستگاه فرکانس رادیویی ساختند که ویژگی‌های آن به‌سرعت در طول فضا و زمان تغییر می‌کند. این سیستم مهندسی‌شده، توهم چرخش فوق‌سریع را ایجاد می‌کند و به سرعت‌های چرخشی مؤثری دست می‌یابد که فراتر از توانایی سیستم‌های مکانیکی معمولی است.

آندریا آلوی، سرپرست این پژوهش، توضیح داد: «رویکرد ما روش جدیدی برای برهم‌کنش موج-ماده فراهم می‌کند که در آن امواج با ویژگی‌های چرخشی انتخابی، انرژی را از چرخش مصنوعی مهندسی‌شده در زمان استخراج کرده و تقویتی پهن‌باند و انتخابی تولید می‌کنند.»

چگونه آزمایش انجام شد؟

پژوهشگران برای پاسخ به این پرسش بنیادین که آیا امواج الکترومغناطیسی برهم‌کنش‌کننده با یک دستگاه کاملاً ساکن می‌توانند چنان رفتار کنند که گویی با جسمی در حال چرخش فوق‌سریع مواجه شده‌اند و از آن انرژی دریافت کنند، یک حلقه از تشدیدگرهای الکترونیکی ساختند که ویژگی‌های آن در یک توالی هماهنگ و دقیق به‌سرعت تنظیم می‌شد.

اگرچه خود سخت‌افزار هرگز حرکت نکرد. این تغییرات زمان‌بندی‌شده، الگویی در حال حرکت در اطراف حلقه ایجاد کرد. در نتیجه، امواج الکترومغناطیسی این سیستم را چنان تجربه کردند که گویی با سرعتی خارق‌العاده در حال چرخش است.

حدیث نصاری (Hadiseh Nasari)، پژوهشگر پسادکتری و نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «این آزمایش موفق، ایده‌های مربوط به دینامیک‌های چرخشی فوق‌سریع را از نظریه به عمل منتقل کرده و بستری آزمایشگاهی همه‌کاره برای کاوش طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها در نقطه تلاقی اخترفیزیک، فیزیک امواج و علوم کوانتومی فراهم می‌آورد.»

کاربردهای فراتر از اخترفیزیک

اگرچه این دستاورد درک ما از سیاه‌چاله‌ها را متحول می‌کند. اما پیامدهای آن بسیار فراتر از اخترفیزیک است. از آنجا که چرخش مصنوعی می‌تواند حرکتی فراتر از سرعت نور را شبیه‌سازی کند. پژوهشگران اکنون یک بستر آزمایشگاهی کنترل‌شده برای کاوش رژیم‌های فیزیکی در اختیار دارند که مطالعه مستقیم آنها پیش‌تر غیرممکن بود.

هادی موسی (Hady Moussa)، پژوهشگر پیشین و نویسنده همکار، افزود: «امواج با ویژگی‌های چرخشی مناسب، انرژی را از سیستم استخراج کرده و تقویت شدند و فیزیک اصلی فرآیند پنروز-زلدوویچ را بازتولید کردند. رویکرد ما بر متامواد مهندسی‌شده‌ای استوار است که برای کنترل نحوه انتشار امواج طراحی شده‌اند.»

گام‌های بعدی؛ از آزمایشگاه تا فناوری

پژوهشگران تأکید می‌کنند که پیش از تبدیل این ایده‌ها به دستگاه‌های عملی، کار بیشتری لازم است. با این حال، آنان بر این باورند که همین اصول می‌توانند در سیستم‌های فوتونیکی و کوانتومی نیز به کار گرفته شوند و افق‌های تازه‌ای برای کنترل نور، پردازش اطلاعات و مطالعه رفتار امواج الهام‌گرفته از افراطی‌ترین محیط‌های جهان هستی بگشایند.

این پژوهش با حمایت وزارت دفاع آمریکا، بنیاد ملی علوم ایالات متحده و بنیاد سیمونز انجام شده است.