Crédito: CC0 Public Domain
Uma teoria de 50 anos que começou como especulação sobre como uma civilização alienígena poderia usar um buraco negro para gerar energia foi verificada experimentalmente pela primeira vez em um laboratório de pesquisa de Glasgow.
Em 1969, o físico britânico Roger Penrose sugeriu que a energia poderia ser gerada baixando um objeto para a ergosfera do buraco negro - a camada externa do horizonte de eventos do buraco negro, onde um objeto teria que se mover mais rápido que a velocidade da luz para permanecer ainda.
Penrose previu que o objeto adquirisse uma energia negativa nessa área incomum do espaço. Ao soltar o objeto e dividi-lo em dois, de modo que uma metade caia no buraco negro enquanto a outra é recuperada, a ação de recuo mede a perda de energia negativa - efetivamente, a metade recuperada ganha energia extraída da rotação do buraco negro. A escala do desafio de engenharia que o processo exigiria é tão grande que Penrose sugeriu que apenas uma civilização muito avançada, talvez alienígena, seria igual à tarefa.
Dois anos depois, outro físico chamado Yakov Zel'dovich sugeriu que a teoria poderia ser testada com um experimento mais prático e terrestre. Ele propôs que ondas de luz "torcidas", atingindo a superfície de um cilindro rotativo de metal girando na velocidade certa, acabariam sendo refletidas com energia extra extraída da rotação do cilindro, graças a uma peculiaridade do efeito doppler rotacional.
Mas a idéia de Zel'dovich permaneceu unicamente no campo da teoria desde 1971, porque, para que o experimento funcionasse, seu cilindro de metal proposto precisaria girar pelo menos um bilhão de vezes por segundo - outro desafio insuperável para os atuais limites da engenharia humana.
Agora, pesquisadores da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow finalmente encontraram uma maneira de demonstrar experimentalmente o efeito que Penrose e Zel'dovich propuseram torcendo o som ao invés da luz - uma fonte de frequência muito mais baixa e, portanto, muito mais prática para demonstrar. no laboratório.
Em um novo artigo publicado hoje na revista Nature Physics , a equipe descreve como eles construíram um sistema que usa um pequeno anel de alto-falantes para criar uma torção nas ondas sonoras análoga à torção nas ondas de luz propostas por Zel'dovich.
Crédito: University of Glasgow
Essas ondas sonoras distorcidas foram direcionadas para um absorvedor de som rotativo feito de um disco de espuma. Um conjunto de microfones atrás do disco captou o som dos alto-falantes quando ele passava pelo disco, o que aumentava constantemente a velocidade de sua rotação.
O que a equipe procurava ouvir para saber que as teorias de Penrose e Zel'dovich estavam corretas era uma mudança distinta na frequência e amplitude das ondas sonoras enquanto elas viajavam pelo disco, causadas por essa peculiaridade do efeito doppler.
Marion Cromb, Ph.D. aluno da Escola de Física e Astronomia da Universidade, é o principal autor do artigo. Marion disse: "A versão linear do efeito doppler é familiar para a maioria das pessoas, pois o fenômeno que ocorre quando o tom de uma sirene de ambulância parece subir ao se aproximar do ouvinte, mas cai à medida que se afasta. Parece subir porque o som as ondas atingem o ouvinte com mais frequência à medida que a ambulância se aproxima, e com menos frequência à medida que passa.
"O efeito doppler rotacional é semelhante, mas o efeito é limitado a um espaço circular. As ondas sonoras distorcidas mudam de tom quando medidas do ponto de vista da superfície rotativa. Se a superfície gira rápido o suficiente, a frequência do som pode fazer algo muito estranho - pode passar de uma frequência positiva para uma negativa e, ao fazê-lo, rouba energia da rotação da superfície ".
À medida que a velocidade do disco giratório aumenta durante o experimento dos pesquisadores, o tom do som dos alto-falantes diminui até que se torne muito baixo para ouvir. Em seguida, o tom volta a subir até atingir o tom anterior - mas mais alto, com amplitude até 30% maior que o som original dos alto-falantes.
Marion acrescentou: "O que ouvimos durante nosso experimento foi extraordinário. O que está acontecendo é que a frequência das ondas sonoras está sendo alterada para zero com o doppler à medida que a velocidade de rotação aumenta. Quando o som recomeça, é porque as ondas foram passaram de uma frequência positiva para uma frequência negativa. Essas ondas de frequência negativa são capazes de absorver parte da energia do disco giratório de espuma, tornando-se mais altas no processo - exatamente como Zel'dovich propôs em 1971 ".
A professora Daniele Faccio, também da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Glasgow, é coautora do artigo. O professor Faccio acrescentou: "Estamos empolgados por podermos verificar experimentalmente uma física extremamente estranha meio século após a primeira proposta de teoria. É estranho pensar que conseguimos confirmar uma teoria de meio século. com origens cósmicas aqui em nosso laboratório no oeste da Escócia, mas acreditamos que isso abrirá muitas novas avenidas de exploração científica.Queremos ver como podemos investigar o efeito em diferentes fontes, como ondas eletromagnéticas no futuro próximo."
O artigo da equipe de pesquisa, intitulado "Amplificação de ondas de um corpo em rotação", é publicado na Nature Physics .
Mais informações: Marion Cromb et al. Amplificação das ondas de um corpo em rotação, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038 / s41567-020-0944-3
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