Физики впервые в лаборатории воссоздали извлечение энергии из чёрной дыры

Художественная визуализация суперрадиации Пенроуза: электромагнитные волны с определёнными паттернами вращения усиливаются при взаимодействии с системой, которая вращается со сверхсветовой скоростью. Credit: Dalila Pasotti and Hadiseh Nasari

Более 50 лет назад физик сэр Роджер Пенроуз выдвинул замечательную идею: при определённых условиях можно извлечь энергию из быстро вращающейся чёрной дыры. Согласно его концепции, частица, попадающая в эргосферу — область, где пространство-время увлекается вращением объекта, — может разделиться на две части. Одна часть падает в чёрную дыру, а другая вылетает, унося больше энергии, чем исходная частица. Позже физик Яков Зельдович расширил эту концепцию, предсказав, что волны, взаимодействующие с достаточно быстро вращающимся объектом, также могут получать энергию и усиливаться.

Теперь исследователи из Центра передовых научных исследований при Городском университете Нью-Йорка (CUNY ASRC) продемонстрировали экспериментальный подход, вдохновлённый этими давними теориями. В статье, опубликованной в журнале Nature, команда показала, что усиление волн может быть достигнуто с помощью устройства, которое имитирует экстремальное вращение без физического вращения.

Синтетическое вращение воссоздаёт экстремальную физику

Вместо механического вращения объекта исследователи создали радиочастотное устройство, свойства которого быстро изменяются как в пространстве, так и во времени. Эта тщательно спроектированная система создаёт иллюзию сверхбыстрого вращения, достигая эффективных скоростей вращения, далеко превосходящих возможности обычных механических систем. Заменив физическое движение синтетическим вращением, исследователи преодолели трудности, которые десятилетиями ограничивали экспериментальные исследования экстремальной физики вращения.

«Наш подход открывает новый метод взаимодействия волн и материи, при котором волны с определёнными вращательными свойствами извлекают энергию из синтетического, созданного во времени вращения, что приводит к форме широкополосного селективного усиления», — сказал главный исследователь Андреа Алу, заслуженный профессор и профессор физики Эйнштейна в Городском университете Нью-Йорка и основатель Инициативы по фотонике CUNY ASRC.

Ведущий автор Хадисе Насари, постдокторант Инициативы по фотонике CUNY ASRC, отметила, что эксперимент превращает давнюю теоретическую концепцию в практический исследовательский инструмент.

«Этот успешный эксперимент переводит идеи об экстремальной вращательной динамике из теории в практику и создаёт универсальную экспериментальную платформу для изучения широкого круга явлений на стыке астрофизики, физики волн и квантовой науки», — сказала Насари. «Работа имеет значение для развития фундаментальной науки, а также для коммуникаций, оптики и фотоники».

Как проходил эксперимент

Исследователи стремились ответить на фундаментальный вопрос: могут ли электромагнитные волны, взаимодействуя с полностью неподвижным устройством, вести себя так, как будто они сталкиваются с объектом, вращающимся со сверхбыстрой скоростью, и извлекать энергию из этого синтетического движения?

Для этого они построили кольцо электронных резонаторов, свойства которых быстро изменялись в тщательно синхронизированной последовательности. Хотя само оборудование никогда не двигалось, эти синхронизированные изменения создавали перемещающийся паттерн вокруг кольца. В результате электромагнитные волны воспринимали систему так, как если бы она вращалась с невероятной скоростью.

«Волны с соответствующими вращательными характеристиками извлекали энергию из системы и усиливались, воспроизводя основную физику процесса Пенроуза-Зельдовича», — сказал соавтор Хади Мусса, бывший аспирант Инициативы по фотонике CUNY ASRC. «Наш подход основан на инженерных метаматериалах, предназначенных для управления распространением волн».

Потенциальные применения за пределами физики чёрных дыр

Поскольку синтетическое вращение может имитировать движение, превышающее скорость света, исследователи теперь имеют контролируемую лабораторную платформу для изучения физических режимов, которые в противном случае было бы невозможно исследовать напрямую. Работа открывает новые возможности для изучения экстремальной физики, а также указывает на будущие достижения в области беспроводной связи, оптики, фотоники и квантовых технологий.

Исследователи отмечают, что потребуется дополнительная работа, прежде чем эти идеи можно будет воплотить в практические устройства. Они также считают, что те же принципы могут быть применены к фотонным и квантовым системам, открывая новые возможности для управления светом, обработки информации и изучения поведения волн, вдохновлённого одними из самых экстремальных сред во Вселенной.

Исследование было поддержано Министерством обороны США, Национальным научным фондом США и Фондом Саймонса.

Источники:

Материалы предоставлены Advanced Science Research Center, GC/CUNY.

Hadiseh Nasari, Hady Moussa, Yoshiaki Kasahara, Arno Thielens, Andrea Alù. Observation of Floquet rotational super-radiance. Nature, 2026; DOI: 10.1038/s41586-026-10725-y