Credit: University of Glasgow

Introduzione

Una teoria di 50 anni fa, nata come speculazione su come una civiltà aliena potesse usare un buco nero per generare energia, è stata verificata sperimentalmente per la prima volta in un laboratorio di ricerca di Glasgow.

Una teoria decennale

Nel 1969, il fisico britannico Roger Penrose suggerì che l’energia poteva essere generata abbassando un oggetto nell’ergosfera del buco nero – lo strato esterno dell’orizzonte degli eventi del buco nero. Penrose aveva previsto che l’oggetto avrebbe acquisito un’energia negativa in questa insolita area dello spazio. Lasciando cadere l’oggetto e dividendolo in due in modo che una metà possa cadere nel buco nero mentre l’altra possa essere recuperata, l’azione di rinculo misurerebbe una perdita di energia negativa – in effetti, la metà recuperata guadagnerebbe energia estratta dalla rotazione del buco nero. La portata della sfida ingegneristica che il processo richiederebbe è così grande, tuttavia, che Penrose ha suggerito che solo una civiltà molto avanzata, forse aliena, sarebbe all’altezza del compito.

Due anni dopo, un altro fisico di nome Yakov Zel’dovich aveva suggerito che la teoria poteva essere testata con un esperimento più pratico, legato alla terra. Egli propose che le onde luminose “contorte“, colpendo la superficie di un cilindro di metallo rotante, girando alla giusta velocità, finissero per essere riflesse con una ulteriore energia estratta dalla rotazione del cilindro grazie a una stranezza dell’effetto doppler rotazionale.

Ma l’idea di Zel’dovich è rimasta solo in ambito teorico dal 1971 perché, affinché l’esperimento potesse funzionare, il cilindro metallico da lui proposto avrebbe dovuto ruotare almeno un miliardo di volte al secondo – un’altra sfida insormontabile per gli attuali limiti dell’ingegneria umana.

La nuova ricerca

Ora, i ricercatori della Scuola di Fisica e Astronomia dell’Università di Glasgow hanno finalmente trovato un modo per dimostrare sperimentalmente l’effetto che Penrose e Zel’dovich avevano proposto torcendo il suono al posto della luce – una sorgente di frequenza molto più bassa e quindi molto più pratica da dimostrare in laboratorio.

In un nuovo articolo pubblicato su Nature Physics, il team descrive come hanno costruito un sistema che utilizza un piccolo anello di altoparlanti per creare un twist nelle onde sonore analogo al twist nelle onde luminose proposto da Zel’dovich.

L’articolo del gruppo di ricerca, intitolato “Amplificazione delle onde da un corpo rotante“, è pubblicato su Nature Physics. La ricerca è stata supportata dal finanziamento del Consiglio di ricerca in ingegneria e scienze fisiche (EPSRC) e dal programma Orizzonte 2020 dell’Unione europea.

L’esperimento

Quelle onde sonore contorte erano dirette verso un assorbitore di suono rotante fatto da un disco di schiuma. Una serie di microfoni dietro il disco ha raccolto il suono dagli altoparlanti mentre passava attraverso il disco, aumentando costantemente la velocità della sua rotazione.

Quello che il team cercava di sentire per sapere che le teorie di Penrose e Zel’dovich erano corrette era un cambiamento distintivo nella frequenza e nell’ampiezza delle onde sonore mentre viaggiavano attraverso il disco, causato da quel bizzarro dell’effetto doppler.

Marion Cromb, dottoranda della Scuola di Fisica e Astronomia dell’Università, è l’autrice principale dell’articolo. Marion ha detto: “La versione lineare dell’effetto doppler è familiare alla maggior parte delle persone in quanto il fenomeno che si verifica quando il passo di una sirena di un’ambulanza sembra aumentare man mano che si avvicina all’ascoltatore ma diminuisce man mano che si allontana. Sembra aumentare perché le onde sonore raggiungono l’ascoltatore più frequentemente quando l’ambulanza si avvicina, poi meno frequentemente quando passa. L’effetto doppler a rotazione è simile, ma l’effetto è limitato ad uno spazio circolare. Le onde sonore contorte cambiano il loro passo quando vengono misurate dal punto di vista della superficie rotante. Se la superficie ruota abbastanza velocemente, allora la frequenza sonora può fare qualcosa di molto strano – può passare da una frequenza positiva ad una negativa, e così facendo rubare un po’ di energia dalla rotazione della superficie“.

Man mano che la velocità del disco che gira aumenta durante l’esperimento dei ricercatori, il tono del suono dagli altoparlanti scende fino a diventare troppo bassa per essere ascoltata. Poi, il tono sale di nuovo verso l’alto fino a raggiungere quello precedente – ma più forte, con un’ampiezza fino al 30% superiore al suono originale proveniente dagli altoparlanti.

Marion ha aggiunto: “Quello che abbiamo sentito durante il nostro esperimento è stato straordinario. Quello che sta succedendo è che la frequenza delle onde sonore viene spostata a zero con l’aumentare della velocità di rotazione. Quando il suono riparte, è perché le onde sonore sono state spostate da una frequenza positiva a una negativa. Queste onde a frequenza negativa sono in grado di prendere una parte dell’energia dal disco di schiuma che gira, diventando più forte nel processo – proprio come Zel’dovich propose nel 1971“.

Il professor Daniele Faccio, anche lui della Scuola di Fisica e Astronomia dell’Università di Glasgow, è coautore del documento. Il professor Faccio ha aggiunto: “Siamo entusiasti di aver potuto verificare sperimentalmente alcune stranezze fisiche a mezzo secolo dalla proposta della teoria. È strano pensare che siamo stati in grado di confermare una teoria di mezzo secolo con origini cosmiche qui nel nostro laboratorio nell’ovest della Scozia, ma pensiamo che aprirà molte nuove strade all’esplorazione scientifica. Siamo ansiosi di vedere come possiamo indagare l’effetto su diverse fonti come le onde elettromagnetiche nel prossimo futuro“.

Citazioni e Approfondimenti