Уявіть, що ви намагаєтеся розкрутити звичайний металевий диск до такої скаженої швидкості, що він починає світитися та самостійно випромінювати енергію. На практиці такий експеримент закінчився б миттєвим вибухом, адже колосальна відцентрова сила просто розірвала б метал на дрібні шматки ще на самому початку шляху. Проте фізикам нарешті вдалося обійти це суворе обмеження механіки, змусивши електромагнітні хвилі обертатися всередині нерухомого пристрою без жодного фізичного руху деталей. Цей науковий прорив отримав назву синтетичне обертання, і він дозволив експериментально підтвердити одну з найдивовижніших теорій про поведінку хвиль поблизу чорних дір, яка чекала свого часу понад пів століття.
Повідомляє T4 з посиланням на universetoday.com.
Чому теорія Якова Зельдовича чекала на підтвердження 55 років
Усе почалося наприкінці шістдесятих років минулого століття, коли британський фізик Роджер Пенроуз висунув гіпотезу, що з чорної діри, яка швидко обертається, можна витягувати енергію. Цей процес згодом назвали процесом Пенроуза. Суть його полягала в тому, що якщо кинути об’єкт в ергосферу – область безпосередньо за горизонтом подій – він може розділитися на дві частини, одна з яких впаде всередину, а інша вилетить назовні з набагато більшою енергією, ніж мала на початку.
У 1971 році видатний фізик Яків Зельдович розвинув цю ідею і припустив, що подібний трюк можна провернути не лише з фізичними тілами, а й зі звичайними хвилями. Він заявив, що якщо світло чи радіохвиля відіб’ється від об’єкта, який шалено обертається, вона не просто змінить напрямок, а підсилиться, забравши частину обертової енергії тіла. Цей ефект отримав назву ротаційна суперрадіація. Тут є нюанс – щоб ефект спрацював у лабораторних умовах, об’єкт повинен обертатися зі швидкістю, що перевищує частоту самої хвилі. Для видимого світла чи навіть для радіодіапазону це означає мільярди обертів на секунду. Жоден твердий матеріал у Всесвіті не здатний витримати такі перевантаження, оскільки відцентрова сила моментально перетворить будь-яку конструкцію на пил. Саме через це технічне обмеження гіпотеза Зельдовича залишалася красивою математичною абстракцією протягом довгих 55 років.
Як реалізувати синтетичне обертання за допомогою трикутника з варикапів
Розв’язати цю фундаментальну проблему вдалося міжнародній групі вчених з Ініціативи з фотоніки Науково-дослідного центру Advanced Science Research Center при Міському університеті Нью-Йорка (CUNY ASRC). Результати їхнього експерименту під назвою “Observation of Floquet rotational super-radiance” були опубліковані в престижному науковому журналі Nature 8 липня 2026 року (DOI: 10.1038/s41586-026-10725-y). Ключову роль у проекті відіграли директор центру, професор Андреа Алю, та провідна авторка дослідження, постдокторантка Хадісе Насарі, разом із колегами Хаді Муссою та Йошіакі Касахарою.
Вони вирішили не намагатися розкручувати фізичні предмети, а натомість створили штучний рух для самих хвиль за допомогою технології під назвою синтетичне обертання. Фізичний прототип пристрою виявився доволі компактним. Це замкнений контур із трьох електронних резонаторів, які з’єднані за дельта-топологією, тобто у формі трикутника. Замість механічного двигуна вчені використали варакторні діоди – спеціальні напівпровідникові елементи, ємність яких динамічно змінюється залежно від прикладеної напруги. Швидко і послідовно змінюючи характеристики цих варикапів за допомогою часової модуляції метаматеріалу, дослідники створили ефект біжучої хвилі, яка рухається по колу. Сама плата лежить абсолютно нерухомо на столі, але для електромагнітного сигналу, що потрапляє всередину, створюється повна ілюзія того, що він взаємодіє з об’єктом, який обертається з екстремальною швидкістю.
Симуляція надсвітлових швидкостей та ефект обернення часу
Під час експерименту дослідники подали на вхід системи радіочастотний сигнал із частотою 100 мегагерц (МГц). Коли частота електричної модуляції варикапів перевищила цю вхідну частоту, відбулося справжнє диво. Система зафіксувала чистий коефіцієнт підсилення сигналу на рівні близько 7,8 децибела (дБ). Це означає, що хвиля на виході стала значно потужнішою, буквально “вкравши” енергію у джерела модуляції, що повністю повторює теоретичний механізм суперрадіації Пенроуза-Зельдовича.
Але найцікавіше ховалося в деталях процесу. Підсилення хвиль відбулося завдяки переходу сигналу в унікальний режим негативного доплерівського зсуву. У цьому стані орбітальний кутовий момент (OAM) електромагнітної хвилі змінив свій знак на протилежний. На практиці це є чітким маркером динаміки з оберненням часу в системі, яка надшвидко обертається. Фактично, вчені змусили світло поводитися так, ніби воно рухається назад у часі відносно обертового середовища. Окрім цього, синтетичне обертання дозволило системі імітувати ефективні надсвітлові швидкості. Мова йде про швидкості, які перевищують швидкість поширення електромагнітних хвиль у цьому конкретному середовищі. Звісно, закони теорії відносності Ейнштейна ніхто не порушував, адже реального руху маси не відбувалося, але для поведінки світла це відкриває абсолютно нові горизонти для досліджень у контрольованих лабораторних умовах.
Як синтетичне обертання змінить технології майбутнього
Хоча дослідження починалося як чиста фундаментальна наука з метою перевірити теорії про чорні діри в безпечних лабораторних умовах, його практичні наслідки виходять далеко за межі астрофізики. Нова технологія може здійснити справжню революцію в кількох прикладних сферах, де керування хвилями є критично важливим. Наприклад, у бездротовому зв’язку та обробці сигналів створення компактних пристроїв, які можуть вибірково підсилювати сигнали певних частот без використання громіздкого та енергоємного обладнання, дозволить суттєво підвищити швидкість і надійність передачі даних у мережах нового покоління.
Окрім цього, принципи флокетівської інженерії та штучного обертання планують адаптувати для фотонних та квантових платформ. Це відкриває шлях до створення нових типів оптичних комп’ютерів, де замість електронів інформацію переноситимуть фотони. У таких системах керування світлом за допомогою динамічно модульованих метаматеріалів дозволить створювати надшвидкі логічні елементи та захищені канали квантового зв’язку, які практично неможливо зламати чи непомітно перехопити. На практиці це означає перехід від громіздких та гарячих кремнієвих процесорів до енергоефективних світлових чіпів, що працюють майже без втрат енергії.
Поширені питання про експеримент та технологію
Що таке синтетичне обертання і як воно працює?
Це метод імітації обертання об’єкта без його реального фізичного руху. Замість того щоб розкручувати деталь механічно, вчені використовують електронні компоненти (наприклад, варикапи) для швидкої та послідовної зміни властивостей середовища по колу. Для електромагнітної хвилі це створює повний ефект взаємодії з тілом, що обертається з екстремальною швидкістю.
Як ефект Зельдовича пов’язаний із чорними дірами?
У 1971 році Яків Зельдович припустив, що якщо світлова хвиля стикається з об’єктом, який обертається швидше за частоту самої хвилі, вона підсилюється за рахунок його кінетичної енергії. Цей ефект аналогічний процесу Пенроуза, який описує, як космічні об’єкти можуть забирати енергію у чорних дір, що швидко обертаються, в області ергосфери.
Чому цей експеримент не вдавалося провести раніше?
Головною перешкодою були відцентрові сили. Щоб отримати ефект суперрадіації механічним шляхом, фізичний об’єкт довелося б розкрутити до мільярдів обертів на секунду, від чого будь-який твердий матеріал просто розірвало б на шматки. Прорив став можливим лише завдяки заміні механічного руху на динамічну часову модуляцію метаматеріалу.
Які практичні сфери застосування має ця технологія?
Принципи штучного обертання знайдуть застосування у бездротовому зв’язку нового покоління для вибіркового підсилення та фільтрації сигналів. Також технологія буде корисною у квантовій та класичній оптиці для створення нових фотонних чипів та оптичних обчислювальних систем.
Висновок
Експеримент команди з CUNY ASRC довів, що найскладніші та найекстремальніші явища Всесвіту, які раніше вважалися недосяжними для земної науки, можна успішно досліджувати на звичайному лабораторному столі. Більше не потрібно будувати космічні зонди для вивчення ергосфери далеких чорних дір, коли закони їхньої фізики можна відтворити за допомогою невеликого кремнієвого чіпа та кількох діодів. Це не просто закриває старий науковий гештальт, а дає інженерам абсолютно новий інструмент для керування світлом та радіохвилями на субмікроскопічному рівні. Тепер залишається лише спостерігати, як швидко ці космічні технології перекочують з лабораторій у наші повсякденні гаджети та мережі зв’язку. Чи готові ми до оптичних комп’ютерів, що працюють на принципах чорних дір?
Підписуйся на наш Telegram-канал