Сверхсветовое вращение в лаборатории: учёным удалось отобрать энергию у синтетического движения.
Представьте: объект, который вращается быстрее скорости света. В обычной механике это невозможно — материалы разорвало бы задолго до таких скоростей. Но если не раскручивать сам объект, а лишь заставить волны «увидеть» его движение, границы физики раздвигаются.
Именно это проделали учёные из Городского университета Нью-Йорка. Их эксперимент впервые подтвердил знаменитый механизм Пенроуза-Зельдовича — и заодно подарил физикам новый инструмент для работы с энергией волн.
Экспериментальная реализация механизма Пенроуза–Зельдовича на метаматериале
Группа физиков из Центра перспективных научных исследований (ASRC) Городского университета Нью-Йорка под руководством Андреа Алу создала установку, которая для электромагнитных волн неотличима от объекта, вращающегося быстрее скорости света. Сверхсветовое вращение, невозможное для обычного тела, стало реальностью благодаря хитрой модуляции.
Это первая экспериментальная реализация механизма Пенроуза-Зельдовича — процесса, при котором вращающееся тело передаёт энергию волне, усиливая её. Результаты опубликованы в Nature.
От чёрной дыры до метаматериала
Механизм восходит к идее Роджера Пенроуза: частица, попадающая в эргосферу чёрной дыры, может расщепиться так, что одна половина упадёт за горизонт событий, а вторая вылетит с энергией большей, чем у исходной. Яков Зельдович обобщил этот принцип на любые быстро вращающиеся объекты. Долгое время проверить теорию не удавалось: механически раскрутить тело до таких скоростей невозможно.
Синтетическое движение на кольце резонаторов
Команда Алу обошла ограничение, заменив физическое вращение синтетическим движением. Установка представляет собой кольцо из нескольких резонаторов, свойства которых меняются во времени по строго выверенной программе. Само устройство неподвижно, но бегущий по кольцу модуляционный паттерн не скован механическими пределами, поэтому эффективная скорость вращения может достигать сверхсветовых значений.
Когда эта скорость превышает скорость света, в зонной структуре пространственно-временного кристалла возникают запрещённые щели для углового момента. Именно здесь запускаются параметрические процессы: волны с нужными вращательными характеристиками начинают извлекать энергию из синтетического вращения, и происходит усиление волн.
«Наш подход создаёт новый метод взаимодействия волны с веществом, при котором волны с выбранными характеристиками извлекают энергию из синтетического вращения, обеспечивая широкополосное избирательное усиление», — объяснил Андреа Алу.
Что дальше?
Помимо фундаментального значения для астрофизики, волновой и квантовой физики, техника открывает прикладные перспективы в коммуникациях, оптике и фотонике. Следующий этап — адаптация метода к практическим задачам обработки информации, включая квантовые системы.
Главное в этой истории даже не сама энергия, а то, как ловко учёные обошли ограничение, которое казалось непреодолимым. Если идею удастся масштабировать, мы получим устройства, способные выборочно усиливать нужные сигналы без лишних затрат. Пока это лабораторный эксперимент, но именно с таких шагов начинаются технологии, которые через десять лет могут оказаться в каждом смартфоне.