Физики описали еще один способ получения энергии из черных дыр
Ученые описали новый способ извлечения энергии из черных дыр. Ее могут уносить частицы плазмы, ускоренные в результате магнитного пересоединения. Это уже не первый механизм извлечения энергии черных дыр — возможность этого процесса доказал Роджер Пенроуз в 1969 году, а способы его реализации позднее предлагали Стивен Хокинг, Роджер Блэнфорд и Роман Знаек. Статья опубликована в журнале Physical Review D.
Теория относительности предсказывает, что вращающиеся черные дыры можно использовать в качестве источников энергии. В 1969 году Роджер Пенроуз описал процесс, позволяющий это сделать. Вокруг вращающихся черных дыр существует эргосфера — область, предшествующая горизонту событий. Все тела в эргосфере вращаются вместе с черной дырой.
Согласно механизму Пенроуза, если частица делится в эргосфере на два осколка, один из них упадет за горизонт событий, а второй, наоборот, будет выброшен за предел статичности в область, где тела уже не вращаются вокруг черной дыры. При этом энергия выброшенного осколка будет больше, чем энергия изначальной частицы. Это происходит потому, что осколок, упавший в черную дыру, имеет отрицательную энергию. За счет его поглощения скорость вращения дыры снижается, а часть вращательной энергии передается улетевшей частице.
Процесс Пенроуза указывает на возможность получения энергии из черной дыры, но его нельзя назвать хорошим практическим методом. Для его реализации необходимо, чтобы две новорожденные частицы обладали скоростью, превышающей половину скорости света. Ожидаемая частота таких событий настолько редка, что не позволит получить значительное количество энергии.
Поэтому ученые активно ищут другие механизмы. Например, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут высвобождать энергию за счет теплового излучения. Еще одним способом извлечения энергии является процесс Блэнфорда-Знаека, основанный на электромагнитном взаимодействии.
Лука Комиссо (Luca Comisso) из Колумбийского Университета и Фелипе Асенхо (Felipe A. Asenjo) из Университета Адольфо Ибаньеса описали в своей статье еще одну из альтернатив процессу Пенроуза.
Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Основа нового механизма получения энергии из вращающихся черных дыр — пересоединение силовых линий магнитного поля внутри эргосферы. Черная дыра при этом должна находиться во внешнем магнитном поле, иметь большой спин (a ~ 1) и окружающую ее плазму с сильной намагниченностью. Нужными свойствами обладают, например, черные дыры, образовавшиеся в результате длинных и коротких гамма-всплесков и сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик.
Магнитное пересоединение ускоряет часть плазмы в направлении вращения дыры. Другая часть ускоряется в обратном направлении и падает за горизонт событий. Выделение энергии, как и в механизме Пенроуза, происходит, если поглощаемая плазма имеет отрицательную энергию, а ускоренная — «ускользает» из эргосферы. Отличие состоит в том, что для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля. В процессе, описанном Пенроузом, роль играет только инерция частиц.
Как говорят ученые, КПД описанного процесса — 150 процентов. Это значит, что процесс позволяет получить в полтора раза больше энергии, чем нужно затратить на его реализацию. Достижение КПД больше 100 процентов возможно, потому что высвобожденные из эргосферы частицы плазмы уносят энергию черной дыры. Открытие нового механизма извлечения энергии из черных дыр позволит астрономам лучше оценить их вращательный момент и понять, как они излучают энергию. До практического применения открытия еще далеко: необходимо выяснить, как долететь до черной дыры и разместить что-то в ее эргосфере, не угодив за горизонт событий.
Мы уже писали о влиянии магнитного пересоединения на плазму, этот процесс — причина вспышек на Солнце. Лука Комиссо и Фелипе Асенхо считают, что магнитное пересоединение может быть также причиной вспышек рентгеновского излучения от черных дыр. Их задетектировали в 2019 году.
Екатерина Назарова
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.