Dobijanje energije od crnih rupa će u budućnosti biti moguće time što ćemo ih hraniti, pokazao eksperiment

Jedan čuveni fizičar je pre više decenija sanjao da će budući ljudi ili vanzemaljci moći da generišu energiju iz crnih rupa. Sada su fizičari eksperimentom pokazali da bi to jednog dana moglo da bude moguće.
25 Jun 2020, 2:47pm
​A quasar with a supermassive black hole at the center. Image: NASA Goddard Space Flight Center
KVAZAR SA SUPERMASIVNOM CRNOM RUPOM U SVOM SREDIŠTU. ILUSTRACIJA: NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

Univerzum je prepun bezbrojnih bizarnih fenomena, ali crne rupe ih lako nadmašuju svojom uvrnutošću. Ove kosmičke žderonje se formiraju kada eksplodiraju velike zvezde, što je toliko nasilan proces, da buši rupe u prostoru-vremenu, i stvara gravitaciju koja je toliko snažna da sprečava sve, čak i svetlost, da se otme njenom stisku. Pored svoje ogromne gravitacione sile, crne rupe su takođe sposobne da zavrte krhotine od kojih zastaje dah, koje dostižu brzinu približnu brzini svetlosti.

Šta bi bilo kada bismo mogli da zauzdamo tu moć da stvaramo energiju?

Još šezdesetih, fizičar Rodžer Penrouz je predložio upravo to: izuzetnu rotacionu snagu crnih rupa mogla bi da eksploatiše neka napredna civilizacija, bilo vanzemaljske vrste, bilo neka verzija čovečanstva iz daleke budućnosti. Penrouzov proces, kako je to sada poznato, bio bi neka vrsta kosmičkog „ja tebi, ti meni“: civilizacija bi mogla da isisa nešto energije iz rotacije crne rupe, tako što će je u zamenu za to nahraniti nekim velikim objetkom.

Sada su naučnici, predvođeni Marionom Krombom, doktorantom na Univerzitetu u Glazgovu, eksperimentalno demonstrirali ključan deo ovog procesa, koristeći zvučne talase (konkretno, rotirajući Doplerov efekat), prema studiji objavljenoj u ponedeljak u časopisu Nature Physics. Novi rad je rezultat saradnje dve istraživačke grupe koje predvode fizičari Univerziteta u Glazgovu, Danijel Faćo i Majls Padžet, koji su koautori studje.

Cilj eksperimenta je bio testirati Penrouzov proces u zemaljskim uslovima. Penrouz je sugerisao da bi energija mogla da se crpi iz ergosfere, rotirajućeg dela vremena-prostora koji okružuje slepu tačku crne rupe. Jednom kada se objekat udalji od slepe tačke, više ne može da se vrati, ali objekat bi potencijalno mogao da uroni u ergosferu i dobije nalet snage iz rotacione energije koja dolazi iz ovog iskrivljenog regiona vremena-prostora. Fizičar Jakov Zeldovič je sugerisao da bi to moglo da bude testirano na Zemlji ispaljivanjem svetlosnih talasa u rotirajući cilindar, koji bi morao da rotira neostvarivo velikom brzinom: milijardu puta u sekundi. Tu na scenu stupaju zvučni talasi i Doplerov efekat.

„Moja sopstvena grupa je već više godina zainteresovna za rotacione Doplerove promene“, kaže Padžet u mejlu. Ove rotacione promene su slične linearnom Doplerovom efektu koji je poznat po tome što se manifestuje promenom tonaliteta sirene kola hitne pomoći, iz perspektive posmatrača na ulici. Rotacione Doplerove promene imaju pomalo slične promene u frekvenciji, samo što se one događaju iz perspektive posmatrača na rapidno rotirajućem objektu.

Padžet vizualizuje ove rotacione promene kao fenomen pri kome „deluje da se kazaljke na satu, koji i sam rotira, kreću drugačijom brzinom od onih na nepomičnom satu“.

U međuvremenu, Faćova grupa je provela godine proučavajući načine da se gravitacioni efekti podražavaju uz pomoć optičkih testova, kao kod eksperimenta koji je predložio Zeldovič.

Zvučni talasi u laboratoriji deluju neverovatno drugačije od crnih rupa u kosmosu, ali Padžet kaže da su zemaljska analogija koja može da bude operativna za Penrouzov proces.

„I svetlosni i zvučni talasi mogu da nose ugaoni momenat“, objašnjava Padžet. „U talasima koji nose ugaoni momenat, polje (električno za svetlost, pritisak za zvuk) izgleda rotira kao kazaljke na satu“.

„Ako nešto rotira dovoljno brzo, onda ’pretiče’ rotirajući talas i deluje da polje rotira u suprotnom smeru“, nastavlja on. Na primer, zamislite da vrtite sat u smeru suprotnom od kazaljki. „Ako neko to radi dovoljno brzo, delovaće da kazaljke idu unazad“, kaže Padžet.

Sa ovim principom na umu, tim je ispalio iskrivljene zvučne talase – što znači talase sa ugaonim momentom – ka rotirajućem disku od pene, da bi videli da li će izazvati proces ’preticanja’, prelazeći sa poziticne na negativne frekvencije. Na njihovo ogromno zadovoljstvo, disk je pojačao talase za oko 30 procenata, što ih je nateralo da pređu u opseg negativnih frekvencija.

Ovo je uporedivo sa time kako je Penrouz zamislio crpljenje energije iz crne rupe: objekat uđe u egzosferu i biva zarotiran vrtoglavom brzinom u prostoru-vremenu izvan slepe tačke. Da bi umakao, objekat bi morao da se podeli na pola, možda izazvanom eksplozijom, i jednu njegovu polovinu bi progutala crna rupa.

Ova žrtva bi omogućila da se održava konzervacija momenta, iako bi odbegli objekat napustio ergosferu sa mnogo više energije nego što je imao kada je ušao u nju. Jednostavno rečeno, gubitak žrtvovanog objekta postaje višak energije odbeglog objekta.

Ovo je svakako tripozna ideja, ali nova studija pokazuje da može da se dokaže u malim srazmerama, u laboratoriji. Spekulativno govoreći, napredna civilizacija bi možda bila u stanju da eksploatiše Penrouzov proces da crpi beskonačni izvor energije iz crnih rupa, da bi napajala složena tehnološka društva ili dovodila svemirske letelice do vrtoglavih brzina.

Ova vizija crne rupe kao elektrane bi bila inženjerski izazov koji daleko nadmašuje ono što možemo da postignemo savremenom tehnologijom. Ali ipak, nova studija otkriva da su rotacione Doplerove promene obećavajući način da se isproba jedan od najegzotičnijih procesa u fizici.

„Ovde smo pokazali da se u režimu ’preticanja/negativne frekvencije’ događaju čudne stvari“, kaže Padžet. Dakle, zaključuje on: „Šta se još menja“?

Ovaj članak je prvobitno objavljen na VICE US.