Naukowcy pokazali w laboratorium zjawisko inspirowane jedną z najbardziej niezwykłych teorii dotyczących czarnych dziur. Zbudowali urządzenie, które samo się nie porusza, ale dla fal elektromagnetycznych zachowuje się tak, jakby wirowało z ekstremalną prędkością. Dzięki temu fale mogą „pobrać” energię z takiego układu i zostać wzmocnione. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature

Pomysł ma swoje źródło w teorii zaproponowanej ponad pół wieku temu przez sir Rogera Penrose’a. Brytyjski fizyk i matematyk zastanawiał się, czy z bardzo szybko obracającej się czarnej dziury można wydobyć energię. Według jego koncepcji cząstka, która wpada w pobliże takiej czarnej dziury, może znaleźć się w tzw. ergosferze, czyli w  obszarze, w którym sama przestrzeń jest porywana przez obrót czarnej dziury. Gdyby cząstka rozpadła się tam na dwie części, jedna mogłaby wpaść do czarnej dziury, a druga uciec, wynosząc więcej energii, niż miała cząstka pierwotna.

Na tej idei oparł się później fizyk Jakow Zeldowicz. Przewidział, że podobne zjawisko mogłoby dotyczyć nie tylko cząstek, lecz także fal. Jeśli fala oddziaływałaby z wystarczająco szybko obracającym się obiektem, mogłaby odebrać mu część energii i dzięki temu zostać wzmocniona. Problem polegał na tym, że sprawdzenie takiego efektu w praktyce wymagałoby prędkości obrotowych trudnych albo niemożliwych do uzyskania za pomocą zwykłego, mechanicznego ruchu.

Badacze z Advanced Science Research Center przy CUNY Graduate Center znaleźli sposób, by obejść to ograniczenie. Zamiast wprawiać urządzenie w rzeczywisty obrót, stworzyli układ działający w zakresie częstotliwości radiowych, którego właściwości zmieniają się w czasie i przestrzeni tak, jakby urządzenie bardzo szybko wirowało. To rodzaj syntetycznej rotacji: nic fizycznie nie obraca się z ogromną prędkością, ale fale elektromagnetyczne „widzą” układ tak, jakby właśnie to się działo. 

„Nasze podejście umożliwia nową metodę oddziaływania fal z materią. Fale o wybranych właściwościach rotacyjnych wydobywają energię z syntetycznej rotacji zaprojektowanej w czasie, co prowadzi do szerokopasmowego, selektywnego wzmocnienia” – mówi prof. Andrea Alù, kierownik badań, założyciel i dyrektor Photonics Initiative w CUNY ASRC.

Sercem eksperymentu była pierścieniowa sieć elektronicznych rezonatorów. Naukowcy bardzo szybko zmieniali ich właściwości w precyzyjnie zaplanowanej kolejności. W ten sposób wokół pierścienia powstawał wzór przemieszczający się niczym fala na stadionie. Sam układ pozostawał nieruchomy, ale dla fal elektromagnetycznych wyglądał tak, jakby obracał się z ultraszybką prędkością. To pozwoliło sprawdzić, czy fale wysłane do nieruchomego urządzenia mogą zachowywać się tak, jakby oddziaływały z ekstremalnie szybko wirującym obiektem. Okazało się, że tak. Fale o odpowiednich cechach rotacyjnych pobierały energię z układu i ulegały wzmocnieniu, odtwarzając najważniejsze elementy procesu przewidzianego przez Penrose’a i Zeldowicza.

„Ten eksperyment przenosi idee dotyczące ekstremalnej dynamiki rotacyjnej z teorii do praktyki i tworzy wszechstronną platformę do badania zjawisk na styku astrofizyki, fizyki fal i nauki kwantowej” – mówi Hadiseh Nasari, główna autorka pracy i badaczka podoktorska w Photonics Initiative w CUNY ASRC. Jak dodaje, wyniki mogą mieć znaczenie nie tylko dla nauki podstawowej, lecz także dla komunikacji, optyki i fotoniki.

Zdaniem naukowców syntetyczna rotacja daje możliwość badania w laboratorium zjawisk, które normalnie należą do świata ekstremalnych obiektów astrofizycznych albo wymagają warunków niedostępnych w klasycznych eksperymentach. Pozwala symulować ruch znacznie szybszy niż ten, który dałoby się uzyskać mechanicznie, a tym samym otwiera nowe pole badań nad oddziaływaniem fal z materią.

W przyszłości podobne koncepcje mogą zostać przeniesione na platformy fotoniczne i kwantowe. Mogłyby pomóc w opracowaniu nowych sposobów manipulowania światłem, przetwarzania informacji oraz wzmacniania sygnałów. Autorzy pracy podkreślają jednak, że na razie jest to przede wszystkim eksperyment podstawowy – ważny dlatego, że pozwala badać w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych fizykę inspirowaną jednymi z najbardziej ekstremalnych środowisk we wszechświecie.

Badania finansowały Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, amerykańska National Science Foundation oraz Simons Foundation.

Źródło: Advanced Science Research Center, CUNY Graduate Center, „A black hole theory comes to life in the lab”, EurekAlert!, 8 lipca 2026 r.