الثقب الأسود كمصدر للطاقة؟
نحن نعرف الثقوب السوداء على أنها فرادات قوية ، مناطق في الزمكان حيث الجاذبية ساحقة للغاية بحيث لا يمكن لأي شيء - ولا حتى الضوء نفسه - الهروب.
منذ حوالي 50 عامًا ، عالم فيزياء بريطاني روجر بنروز اقترح أن تكون الثقوب السوداء مصدرًا للطاقة. الآن ، أثبت الباحثون في جامعة جلاسكو في اسكتلندا أنه قد يكون ذلك ممكنًا.
ماريون كرومب هو المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة الجديدة. إنهما طالب دكتوراه في كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة جلاسكو. الورقة بعنوان ' تضخيم الموجات من جسم دوار . ' تم نشره في مجلة Nature Physics.
'يسعدنا أن نكون قادرين على التحقق تجريبيًا من بعض الفيزياء الغريبة للغاية بعد نصف قرن من اقتراح النظرية لأول مرة.'
البروفيسور دانييل فاكيو ، مؤلف مشارك ، جامعة جلاسكو
يعرف الأشخاص المهتمون بالفضاء والمهتمون بالعلوم أن الثقوب السوداء لها امتداد التفرد في المنتصف و أفق الحدث ، وهي الحدود التي لا يمكن أن يعود أي شيء بمجرد تجاوزها. لكن الثقوب السوداء لها عناصر أخرى في بنيتها المعقدة. يدور هذا البحث الجديد حول الثقب الأسود إرغوسفير .
ergosphere هي المنطقة الخارجية لأفق الحدث. في عام 1969 ، افترض بنروز أنه إذا قمت بإنزال جسم ما في الغلاف الجوي ، فإنه يمكن أن يولد طاقة.
في الغلاف الجوي ، من المستحيل أن يظل الجسم ثابتًا بسبب f سحب الطريق . تتنبأ النسبية العامة بأن الكتلة الدوارة ، مثل الثقب الأسود ، سوف تسحب الزمكان المجاور معها. لذا فإن أي جسم يتم وضعه في الغلاف الجوي سيبدأ في التحرك ، ولا توجد طريقة لإيقافه.
ergosphere هي منطقة خارج أفق الحدث ، حيث لا يمكن للأشياء أن تظل ثابتة. حقوق الصورة: بقلم يوكتيريز (سايمون تيران ، فيينا) - عمل خاص ، CC BY-SA 4.0 ، https://commons.wikimedia.org/w/index.php؟
قال بنروز إنه إذا تم إسقاط جسم ما في الغلاف الجوي ، فسوف يكتسب طاقة سلبية. إذا تم إسقاط جسم ما ثم انقسم إلى قسمين ، فسيبتلع الثقب الأسود نصفًا ، ولن يبتلع النصف الآخر. إذا تم استرداد هذا النصف من الغلاف الجوي ، فإن حركة الارتداد تعني أن النصف المسترد سيفقد طاقة سالبة. نظرًا لأن سالب ناقص يمثل علامة موجبة ، فإن هذا الجسم سيكتسب بعض الطاقة من دوران الثقب الأسود.
من الواضح أن هذا ليس شيئًا ستحاوله الحضارة البشرية في أي وقت قريب. قال بنروز إن حضارة متقدمة للغاية فقط هي التي ستقترب من شيء من هذا القبيل. وحتى ذلك الحين…
ولكن بعد أن طرح بنروز الفكرة ، فكر فيزيائي آخر بها أكثر. ياكوف زيلدوفيتش اقترح إمكانية اختبار الفكرة عن طريق إرسال موجات ضوئية ملتوية باتجاه سطح أسطوانة معدنية دوارة. إذا تم إرسالها بالسرعة الصحيحة ، فإن هذه الموجات سترتد عن الأسطوانة بعد الحصول على طاقة إضافية من دوران الأسطوانة. كل ذلك بسبب خاصية غريبة لتأثير دوبلر.
رسم توضيحي لفنان لنجم تمزقه ثقب أسود. لم تكن هناك طريقة لإثبات أن بنروز وزيلدوفيتش كانا محقين بشأن الطاقة من الثقوب السوداء ، حتى الآن. الائتمان: مارك غارليك
عندما يتحدث الناس عن تأثير دوبلر ، فهم يشيرون عادة إلى تأثير دوبلر الخطي. والمثال الذي يستخدم في كثير من الأحيان هو صفارات الإنذار لسيارة الإسعاف. عندما تقترب سيارة إسعاف من المستمع ، يتم ضغط الموجات الصوتية إلى تردد أعلى أمام سيارة الإسعاف ، ويسمع المستمع ذلك على شكل زيادة في النغمة. على العكس من ذلك ، بعد مرور سيارة الإسعاف من المستمع ، لا يتم ضغط الموجات الصوتية بالحركة الأمامية لسيارة الإسعاف بعد الآن ، ويسمع المستمع التردد المنخفض على أنه نغمة منخفضة.
لكن هذه الفكرة تتضمن تأثير دوبلر الدوراني.
'ما سمعناه خلال تجربتنا كان غير عادي.'
ماريون كرومب ، المؤلف الرئيسي ، جامعة جلاسكو
يصفه المؤلف الرئيسي Cromb على هذا النحو في ملف خبر صحفى : 'تأثير دوبلر الدوراني مشابه ، لكن التأثير يقتصر على مساحة دائرية. تغير الموجات الصوتية الملتوية نغماتها عند قياسها من وجهة نظر السطح الدوار. إذا كان السطح يدور بسرعة كافية ، فيمكن لتردد الصوت أن يفعل شيئًا غريبًا جدًا - يمكن أن ينتقل من تردد موجب إلى تردد سالب ، وبذلك يسرق بعض الطاقة من دوران السطح. '
يوضح هذا الشكل من الدراسة كيف يتم تغيير الصوت الصادر من مكبرات الصوت قبل إرساله إلى القرص الدوار ، مع تسمية الميكروفونات بالحرف 'M'. تُظهر الصور الأربعة الداخلية تكوينات مختلفة مستخدمة في التجربة: يتم تدوير القرص الداعم بالميكروفونات والممتص بشكل مشترك ؛ يسار الوسط داخليًا ، يتم فصل جهاز الامتصاص ويظل ثابتًا ، بينما تدور الميكروفونات ؛ في الوسط الأيمن الداخلي ، يتم وضع جهاز الامتصاص أمام واحد فقط من الميكروفونات ؛ الجزء الداخلي الأيمن ، تتم إزالة الممتص تمامًا ، وتدور الميكروفونات. حقوق الصورة: Cromb et al ، 2020.
على أي حال ، لم يتم اختبار فكرة زيلدوفيتش قط. تكمن المشكلة في أن الأسطوانة يجب أن تدور بمعدل يتعذر الوصول إليه يبلغ بلايين المرات في الثانية ، لأن الضوء نفسه ينتقل بسرعة كبيرة. هذا بعيد المنال لتقنيتنا.
توصل فريق جامعة جلاسكو إلى طريقة لاختبار ذلك. لقد اعتقدوا أنه يمكن اختبار كل شيء باستخدام الموجات الصوتية ، والتي تنتقل بشكل أبطأ بكثير من الضوء. هذا يعني أن الأسطوانة ستحتاج فقط إلى الدوران بمعدل أبطأ بكثير ، ويمكن تحقيقه أيضًا.
كتب المؤلفون في دراستهم ، 'على الرغم من أن تضخيم الموجات بسبب ماص دوار يصعب التحقق منه باستخدام الموجات الضوئية أو الكهرومغناطيسية ، إلا أن القياسات المباشرة لها ممكنة باستخدام الموجات الصوتية.'
في مختبرهم ، بنى الفريق حلقة من مكبرات الصوت التي يمكن أن تحدث انعطافًا في الموجات الصوتية ، على غرار الالتواء المطلوب في الضوء في اقتراح زيلودوفيتش.
الجهاز في معمل الفريق. حقوق الصورة: كرومب / جامعة جلاسكو.
يبدأ الجهاز بحلقة من السماعات لإنتاج الموجات الصوتية الملتوية. يتم توجيه هذه الموجات نحو قرص رغوي دوار يمتص الصوت. خلف القرص الرغوي يوجد ميكروفون لقياس الصوت. عندما تبدأ التجربة ، ترتفع سرعة دوران قرص الرغوة.
كان الفريق يبحث عن تغيير واضح في كل من تردد وسعة الصوت أثناء مرور الموجات الصوتية عبر القرص الرغوي. في البداية ، مع زيادة سرعة القرص الدوار ، أصبحت طبقة الصوت منخفضة جدًا بحيث لا يمكن سماعها للآذان البشرية. ثم ارتفعت حدة الصوت أو التردد مرة أخرى. وصلت إلى نغمة الصوت الأصلية مرة أخرى ، ولكن هذه المرة تمت زيادة السعة ، أو جهارة الصوت ، إلى 30٪ أعلى من الصوت الأصلي. اكتسبت الموجات الصوتية الطاقة من القرص الدوار.
يوضح هذا الشكل من الدراسة ارتفاع السعة الناتج عن قرص دوار ، مقابل قرص ثابت. حقوق الصورة: Cromb et al ، 2020.
قال كرومب: 'ما سمعناه خلال تجربتنا كان غير عادي'. 'ما يحدث هو أن تردد الموجات الصوتية يتم تحويله إلى الصفر مع زيادة سرعة الدوران. عندما يبدأ الصوت في الظهور مرة أخرى ، يكون ذلك بسبب تحويل الموجات من تردد موجب إلى تردد سلبي. هذه الموجات ذات التردد السالب قادرة على أخذ بعض الطاقة من قرص الرغوة الدوارة ، وتصبح أعلى في هذه العملية - تمامًا كما اقترح زيلودوفيتش في عام 1971. '
يوضح لنا أن بعض الأفكار قد تبدو غريبة وغير قابلة للاختبار في وقت ما. لكن مع مرور الوقت ، يمكن اختبارها. تمامًا مثل النسبية ، على سبيل المثال ، وانحناء الضوء بها عدسة الجاذبية .
البروفيسور دانييل فاكيو هو مؤلف مشارك في الورقة ، وهو أيضًا من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة جلاسكو. في بيان صحفي ، قال Faccio 'يسعدنا أن نكون قادرين على التحقق تجريبيًا من بعض الفيزياء الغريبة للغاية بعد نصف قرن من اقتراح النظرية لأول مرة. من الغريب الاعتقاد بأننا تمكنا من تأكيد نظرية عمرها نصف قرن مع أصول كونية هنا في مختبرنا في غرب اسكتلندا ، لكننا نعتقد أنها ستفتح الكثير من السبل الجديدة للاستكشاف العلمي. نحن حريصون على معرفة كيف يمكننا التحقيق في التأثير على مصادر مختلفة مثل الموجات الكهرومغناطيسية في المستقبل القريب '.