Una teoria di 50 anni che è iniziata come speculazione su come una civiltà aliena potrebbe utilizzare un buco nero per generare energia è stata verificata sperimentalmente per la prima volta in un laboratorio di ricerca di Glasgow.

Nel 1969, Il fisico britannico Roger Penrose ha suggerito che l'energia potrebbe essere generata abbassando un oggetto nell'ergosfera del buco nero, lo strato esterno dell'orizzonte degli eventi del buco nero, dove un oggetto dovrebbe muoversi più velocemente della velocità della luce per rimanere fermo.

Penrose predisse che l'oggetto avrebbe acquisito un'energia negativa in questa insolita area dello spazio. Lasciando cadere l'oggetto e dividendolo in due in modo che una metà cada nel buco nero mentre l'altra viene recuperata, l'azione di rinculo misurerebbe una perdita di energia negativa, in modo efficace, la metà recuperata guadagnerebbe energia estratta dalla rotazione del buco nero. La portata della sfida ingegneristica che il processo richiederebbe è così grande, però, che Penrose suggeriva solo una soluzione molto avanzata, forse alieno, la civiltà sarebbe all'altezza del compito.

Due anni dopo, un altro fisico di nome Yakov Zel'dovich suggerì che la teoria potesse essere testata con un approccio più pratico, esperimento terrestre. Ha proposto che le onde luminose "contorte", colpire la superficie di un cilindro metallico rotante che gira alla giusta velocità, finirebbe per essere riflesso con energia aggiuntiva estratta dalla rotazione del cilindro grazie a una stranezza dell'effetto doppler rotazionale.

Ma l'idea di Zel'dovich è rimasta solo nel regno della teoria dal 1971 perché, affinché l'esperimento funzioni, il suo cilindro di metallo proposto dovrebbe ruotare almeno un miliardo di volte al secondo, un'altra sfida insormontabile per gli attuali limiti dell'ingegneria umana.

Ora, i ricercatori della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow hanno finalmente trovato un modo per dimostrare sperimentalmente l'effetto proposto da Penrose e Zel'dovich ruotando il suono invece della luce, una sorgente di frequenza molto più bassa, e quindi molto più pratico da dimostrare in laboratorio.

In un nuovo articolo pubblicato oggi in Fisica della natura , il team descrive come hanno costruito un sistema che utilizza un piccolo anello di altoparlanti per creare una torsione nelle onde sonore analoga alla torsione nelle onde luminose proposto da Zel'dovich.

Quelle onde sonore contorte erano dirette verso un assorbitore di suono rotante fatto da un disco di schiuma. Una serie di microfoni dietro il disco captava il suono dagli altoparlanti mentre passava attraverso il disco, che aumentò costantemente la velocità della sua rotazione.

Quello che il team stava cercando di sentire per sapere che le teorie di Penrose e Zel'dovich erano corrette era un cambiamento distintivo nella frequenza e nell'ampiezza delle onde sonore mentre viaggiavano attraverso il disco, causato da quella stranezza dell'effetto doppler.

Marion Cromb, un dottorato di ricerca studente presso la Facoltà di Fisica e Astronomia dell'Università, è l'autore principale del documento. Marion ha dichiarato:"La versione lineare dell'effetto doppler è familiare alla maggior parte delle persone poiché il fenomeno che si verifica quando il tono della sirena di un'ambulanza sembra aumentare mentre si avvicina all'ascoltatore ma diminuisce mentre si allontana. Sembra aumentare perché il suono le onde raggiungono l'ascoltatore più frequentemente man mano che l'ambulanza si avvicina, poi meno frequentemente mentre passa.

"L'effetto doppler rotazionale è simile, ma l'effetto è limitato a uno spazio circolare. Le onde sonore attorcigliate cambiano il loro tono quando misurate dal punto di vista della superficie rotante. Se la superficie ruota abbastanza velocemente, la frequenza del suono può fare qualcosa di molto strano:può passare da una frequenza positiva a una negativa, e così facendo sottrarre energia alla rotazione della superficie."

All'aumentare della velocità del disco rotante durante l'esperimento dei ricercatori, il tono del suono dagli altoparlanti diminuisce fino a diventare troppo basso per essere udito. Quindi, il tono risale di nuovo fino a raggiungere il tono precedente, ma più forte, con ampiezza fino al 30% superiore al suono originale proveniente dagli altoparlanti.

Marion ha aggiunto:"Quello che abbiamo sentito durante il nostro esperimento è stato straordinario. Quello che sta succedendo è che la frequenza delle onde sonore viene spostata a zero con il doppler all'aumentare della velocità di rotazione. Quando il suono ricomincia, è perché le onde sono state spostate da una frequenza positiva a una frequenza negativa. Quelle onde a frequenza negativa sono in grado di assorbire parte dell'energia dal disco di schiuma rotante, diventando più rumoroso nel processo, proprio come proposto da Zel'dovich nel 1971."

Professor Daniele Faccio, anche della School of Physics and Astronomy dell'Università di Glasgow, è coautore del documento. Il professor Faccio ha aggiunto:"Siamo entusiasti di essere stati in grado di verificare sperimentalmente una fisica estremamente strana mezzo secolo dopo che la teoria è stata proposta per la prima volta. È strano pensare che siamo stati in grado di confermare una teoria vecchia di mezzo secolo. con origini cosmiche qui nel nostro laboratorio nell'ovest della Scozia, ma pensiamo che aprirà molte nuove strade di esplorazione scientifica. Siamo ansiosi di vedere come possiamo studiare l'effetto su diverse fonti come le onde elettromagnetiche nel prossimo futuro".

Il documento del gruppo di ricerca, intitolato "Amplificazione delle onde da un corpo rotante, " è pubblicato in Fisica della natura .