Une théorie vieille de 50 ans qui a commencé comme une spéculation sur la façon dont une civilisation extraterrestre pourrait utiliser un trou noir pour générer de l'énergie a été vérifiée expérimentalement pour la première fois dans un laboratoire de recherche de Glasgow.

En 1969, Le physicien britannique Roger Penrose a suggéré que l'énergie pourrait être générée en abaissant un objet dans l'ergosphère du trou noir - la couche externe de l'horizon des événements du trou noir, où un objet devrait se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière pour rester immobile.

Penrose a prédit que l'objet acquerrait une énergie négative dans cette zone inhabituelle de l'espace. En laissant tomber l'objet et en le divisant en deux pour qu'une moitié tombe dans le trou noir tandis que l'autre est récupérée, l'action de recul mesurerait une perte d'énergie négative - effectivement, la moitié récupérée gagnerait de l'énergie extraite de la rotation du trou noir. L'ampleur du défi d'ingénierie que le processus nécessiterait est si grande, cependant, que Penrose n'a suggéré qu'un très avancé, peut-être extraterrestre, la civilisation serait à la hauteur de la tâche.

Deux ans plus tard, un autre physicien nommé Yakov Zel'dovich a suggéré que la théorie pourrait être testée avec une méthode plus pratique, expérience terrestre. Il a proposé que les ondes lumineuses « tordues », frapper la surface d'un cylindre métallique tournant à la bonne vitesse, finirait par être réfléchie avec une énergie supplémentaire extraite de la rotation du cylindre grâce à une bizarrerie de l'effet Doppler rotationnel.

Mais l'idée de Zel'dovich est restée uniquement dans le domaine de la théorie depuis 1971 parce que, pour que l'expérience fonctionne, son cylindre métallique proposé devrait tourner au moins un milliard de fois par seconde, un autre défi insurmontable pour les limites actuelles de l'ingénierie humaine.

Maintenant, des chercheurs de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow ont finalement trouvé un moyen de démontrer expérimentalement l'effet proposé par Penrose et Zel'dovich en tordant le son au lieu de la lumière - une source de fréquence beaucoup plus basse, et donc beaucoup plus pratique à démontrer en laboratoire.

Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans Physique de la nature , l'équipe décrit comment ils ont construit un système qui utilise un petit anneau de haut-parleurs pour créer une torsion dans les ondes sonores analogue à la torsion des ondes lumineuses proposée par Zel'dovich.

Ces ondes sonores tordues étaient dirigées vers un absorbeur de son rotatif constitué d'un disque en mousse. Un ensemble de microphones derrière le disque captait le son des haut-parleurs lorsqu'il passait à travers le disque, ce qui augmentait régulièrement la vitesse de son essorage.

Ce que l'équipe cherchait à entendre pour savoir que les théories de Penrose et Zel'dovich étaient correctes était un changement distinctif dans la fréquence et l'amplitude des ondes sonores lorsqu'elles traversaient le disque, causé par cette bizarrerie de l'effet Doppler.

Marion Cromb, un doctorat étudiant à l'École de physique et d'astronomie de l'Université, est l'auteur principal de l'article. Marion a déclaré:"La version linéaire de l'effet Doppler est familière à la plupart des gens car le phénomène qui se produit lorsque la tonalité d'une sirène d'ambulance semble augmenter à mesure qu'elle s'approche de l'auditeur mais diminue lorsqu'elle s'éloigne. Il semble augmenter parce que le son les ondes atteignent l'auditeur plus fréquemment à mesure que l'ambulance s'approche, puis moins fréquemment au fur et à mesure qu'il passe.

"L'effet Doppler rotationnel est similaire, mais l'effet est confiné à un espace circulaire. Les ondes sonores tordues changent de hauteur lorsqu'elles sont mesurées du point de vue de la surface en rotation. Si la surface tourne assez vite, la fréquence du son peut faire quelque chose de très étrange - elle peut passer d'une fréquence positive à une fréquence négative, et, ce faisant, voler de l'énergie à la rotation de la surface."

Au fur et à mesure que la vitesse du disque en rotation augmente au cours de l'expérience des chercheurs, la hauteur du son des haut-parleurs diminue jusqu'à ce qu'elle devienne trop faible pour être entendue. Puis, la hauteur monte à nouveau jusqu'à ce qu'elle atteigne sa hauteur précédente, mais plus fort, avec une amplitude jusqu'à 30% supérieure au son d'origine provenant des haut-parleurs.

Marion a ajouté:"Ce que nous avons entendu pendant notre expérience était extraordinaire. Ce qui se passe, c'est que la fréquence des ondes sonores est décalée par effet Doppler à zéro à mesure que la vitesse de rotation augmente. Lorsque le son recommence, c'est parce que les ondes ont été déplacées d'une fréquence positive à une fréquence négative. Ces ondes à fréquence négative sont capables de prélever une partie de l'énergie du disque en mousse en rotation, devenant plus fort dans le processus, tout comme Zel'dovich l'a proposé en 1971."

Professeur Danièle Faccio, également de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Glasgow, est co-auteur de l'article. Le professeur Faccio a ajouté :« Nous sommes ravis d'avoir pu vérifier expérimentalement une physique extrêmement étrange un demi-siècle après que la théorie a été proposée pour la première fois. Il est étrange de penser que nous avons pu confirmer une théorie vieille d'un demi-siècle. avec des origines cosmiques ici dans notre laboratoire à l'ouest de l'Ecosse, mais nous pensons que cela ouvrira beaucoup de nouvelles voies d'exploration scientifique. Nous sommes impatients de voir comment nous pouvons étudier l'effet sur différentes sources telles que les ondes électromagnétiques dans un proche avenir."

L'article de l'équipe de recherche, intitulé "Amplification des ondes d'un corps en rotation, " est publié dans Physique de la nature .