ایده استخراج انرژی از سیاهچالهها زمانی فقط یک نظریه عجیب در فیزیک نظری بود، اما حالا دانشمندان توانستهاند بخش مهمی از این فرآیند را روی زمین شبیهسازی کنند. پژوهشگران با استفاده از یک سیستم الکترونیکی ثابت که بدون حرکت مکانیکی، رفتار یک جسم با چرخش فوقسریع را تقلید میکند، موفق شدند پدیدهای مشابه فرآیند پنروز-زلدویچ را ایجاد کنند؛ دستاوردی که میتواند مسیرهای جدیدی در فیزیک، فوتونیک و فناوریهای آینده باز کند.
سیاهچالهها همیشه بهعنوان یکی از اسرارآمیزترین پدیدههای جهان شناخته شدهاند؛ اجرامی که گرانش فوقالعاده قدرتمندشان حتی نور را نیز به دام میاندازد. اما اکنون گروهی از دانشمندان توانستهاند یکی از عجیبترین ایدههای مرتبط با این اجرام را در آزمایشگاه بازسازی کنند: استخراج انرژی از چرخش یک سیاهچاله. البته این به معنی ساخت یک سیاهچاله یا تولید برق از آن نیست، بلکه بازسازی یک فرآیند فیزیکی است که بیش از ۵۰ سال پیش مطرح شده بود.
البته برخلاف برداشت اولیه برخی تیترها، دانشمندان یک سیاهچاله واقعی نساختهاند و انرژی را مستقیماً از یک سیاهچاله استخراج نکردهاند. کاری که این تیم تحقیقاتی انجام داده، شبیهسازی یکی از مهمترین فرآیندهای نظری در فیزیک سیاهچالههاست؛ فرآیندی که نشان میدهد چگونه میتوان انرژی چرخشی یک سیاهچاله را به امواج یا ذرات منتقل کرد.
این پژوهش توسط دکتر حدیثه نصاری و همکارانش در مرکز Advanced Science Research Center دانشگاه شهری نیویورک (CUNY ASRC) انجام و نتایج آن در مجله معتبر Nature منتشر شده است. در این آزمایش، دانشمندان توانستند با استفاده از یک سیستم الکترونیکی ثابت، پدیدهای مشابه استخراج انرژی از یک جسم با چرخش فوقسریع را ایجاد کنند.
ایده استخراج انرژی از سیاهچاله چگونه شکل گرفت؟
داستان این کشف به بیش از ۵۰ سال قبل بازمیگردد؛ زمانی که راجر پنروز، فیزیکدان برجسته بریتانیایی، ایدهای عجیب اما کاملاً جدی را مطرح کرد: شاید بتوان از انرژی چرخشی یک سیاهچاله استفاده کرد.
بر اساس نظریه پنروز، سیاهچالههای چرخان برخلاف تصور عمومی فقط یک نقطه بیحرکت در فضا نیستند. آنها به دلیل چرخش بسیار سریع خود، ساختار فضا-زمان اطرافشان را نیز تحت تأثیر قرار میدهند. این ناحیه که ارگوسفر (Ergosphere) نام دارد، جایی است که فضا-زمان همراه با چرخش سیاهچاله کشیده میشود؛ پدیدهای که به آن کشیدهشدن چارچوب مرجع (Frame Dragging) گفته میشود.
پنروز پیشنهاد کرد که اگر یک ذره وارد این منطقه شود و شرایط مناسبی داشته باشد، میتواند به دو بخش تقسیم شود؛ بخشی که به داخل سیاهچاله سقوط میکند و بخشی دیگر که با انرژی بیشتری خارج میشود. انرژی اضافه در این فرآیند از انرژی چرخشی خود سیاهچاله تأمین خواهد شد.
چند سال بعد، فیزیکدان روسی یاکوف زلدویچ (Yakov Zel'dovich) این ایده را توسعه داد و نشان داد که چنین پدیدهای تنها محدود به ذرات نیست و امواج نیز میتوانند هنگام تعامل با یک جسم بسیار سریع در حال چرخش، انرژی دریافت کرده و تقویت شوند. این اثر بعدها با نام Superradiance یا ابرتابش شناخته شد.
مشکل بزرگ؛ چرخاندن یک جسم با سرعت غیرممکن
در نگاه اول، آزمایش این نظریه ساده به نظر میرسد: کافی است یک جسم را با سرعت بسیار زیادی بچرخانیم و بررسی کنیم آیا امواج پس از برخورد با آن تقویت میشوند یا خیر.
اما یک مانع بزرگ وجود دارد؛ سرعت چرخش مورد نیاز برای مشاهده این اثر، بسیار فراتر از توانایی فناوریهای مکانیکی فعلی است. هیچ مادهای وجود ندارد که بتواند چنین سرعتی را تحمل کند و پیش از فروپاشی، به آن سرعت برسد.
به همین دلیل، پژوهشگران مسیر دیگری را انتخاب کردند: به جای چرخاندن واقعی یک جسم، اثر چرخش را شبیهسازی کردند.
ساخت «چرخش مصنوعی» بدون حرکت مکانیکی
تیم تحقیقاتی CUNY ASRC یک حلقه از تشدیدگرهای الکترونیکی (Electronic Resonators) طراحی کرد که ویژگیهای آنها با یک الگوی دقیق در طول زمان و مکان تغییر میکند.
اگرچه این تجهیزات از نظر فیزیکی کاملاً ثابت هستند، اما تغییر هماهنگ ویژگیهای آنها باعث ایجاد الگویی در میدان الکترومغناطیسی میشود که برای امواج، مانند یک محیط در حال چرخش با سرعت بسیار بالا رفتار میکند.
به بیان سادهتر، دانشمندان جسم را حرکت ندادند؛ بلکه شرایطی ایجاد کردند که امواج الکترومغناطیسی تصور کنند با یک سیستم فوقسریع در حال چرخش روبهرو شدهاند.
این روش که Synthetic Rotation یا چرخش مصنوعی نام دارد، امکان مطالعه پدیدههایی را فراهم میکند که در شرایط عادی فقط در محیطهای بسیار شدید کیهانی مانند اطراف سیاهچالهها رخ میدهند.
امواج چگونه از این سیستم انرژی میگیرند؟
در آزمایش انجامشده، پژوهشگران مشاهده کردند امواج الکترومغناطیسی با ویژگی چرخشی مناسب، پس از تعامل با این سیستم مصنوعی، تقویت شدند.
این تقویت در واقع بازسازی همان مفهوم بنیادی فرآیند پنروز-زلدویچ است؛ یعنی انتقال انرژی از یک سیستم چرخان به یک موج. در نتیجه، دانشمندان موفق شدند نشان دهند که حتی بدون وجود یک جرم واقعی در حال چرخش، میتوان شرایطی ایجاد کرد که امواج رفتار مشابهی از خود نشان دهند.
در واقع این دستاورد ثابت میکند که قوانین فیزیکی حاکم بر برخی پدیدههای بسیار دور از دسترس کیهانی را میتوان با مهندسی دقیق مواد و امواج در آزمایشگاه بررسی کرد.
آیا این یعنی میتوانیم از سیاهچاله برق تولید کنیم؟
شاید این سوال نیز برای شما پیش آمده باشد که بالاخره این انرژی به چه دردی میخورد و آیا میتوان (برای مثال) با آن برق تولید کرد. پاسخ کوتاه به این سوال «خیر» است؛ حداقل فعلاً چنین چیزی امکانپذیر نیست.
این آزمایش به معنی ساخت یک منبع انرژی جدید یا تولید برق از سیاهچاله نیست. انرژی استخراجشده در این پژوهش در قالب تقویت امواج الکترومغناطیسی مشاهده شده است، نه انرژی قابل استفاده برای تأمین برق.
با این حال، اهمیت این تحقیق در جای دیگری است: دانشمندان اکنون یک پلتفرم آزمایشگاهی دارند که میتواند رفتارهایی شبیه به شرایط بسیار شدید کیهانی را بررسی کند.
شاید مهمترین بخش این تحقیق، کاربردهای احتمالی آن در آینده باشد. پژوهشگران معتقدند فناوری چرخش مصنوعی و کنترل تعامل موج و ماده میتواند در حوزههایی مانند ارتباطات بیسیم پیشرفته، فوتونیک و مدارهای نوری، متامتریالها (Metamaterials)، پردازش اطلاعات کوانتومی وکنترل دقیق امواج الکترومغناطیسی کاربرد پیدا کند.
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت