სიახლეები
ფიზიკოსებმა საუთჰემპტონის უნივერსიტეტიდან, გლაზგოს უნივერსიტეტიდან და იტალიის ფოტონიკისა და ნანოტექნოლოგიების ინსტიტუტიდან ლაბორატორიულ სისტემაში ექსპერიმენტულად აჩვენეს თვით-გაძლიერებადი ელექტრომაგნიტური არასტაბილურობის ეფექტი, რაც პარალელურად ეხმიანება ასტროფიზიკოსების მიერ დიდი ხნის წინ გამოთქმულ ვარაუდს „შავი ხვრელის ბომბის“ შესახებ. ნაშრომი 31 მარტს დაიდო ლოს-ალამოსის არქივში და ჯერ არ არის რეცენზირებული.
სტატიაში განხილული ექსპერიმენტული სისტემა შედგებოდა მბრუნავი მეტალის ცილინდრისა და მას გარშემო დამონტაჟებული მაგნიტური კოჭებისგან. მოწყობილობაში დაფიქსირდა ელექტრომაგნიტური მოდების თვით-გამაძლიერების ეფექტი, რომელიც მხოლოდ ფონური ხმაურით იყო ინიცირებული. შედეგებმა დაადასტურა მეოცე საუკუნის ბოლოს შემუშავებული თეორიული კონცეფციები და წარმოაჩინა მნიშვნელოვანი ასპექტები, რომლებიც მომავალი გამოყენებისთვის მნიშვნელოვანია ბრუნვადი სისტემებისა და ელექტრომაგნიტური ველების ურთიერთქმედებისას.
1971 წელს ფიზიკოსმა იაკოვ ზელდოვიჩმა იწინასწარმეტყველა, რომ მბრუნავ ცილინდრს შეეძლო გაეძლიერებინა მასზე დაცემული ელექტრომაგნიტური ტალღები, თუ მისი ზედაპირი ტალღის ფაზურ სიჩქარეზე უფრო სწრაფად ბრუნავდა. ეს მოვლენა ცნობილია როგორც ბრუნვითი სუპერრადიაცია (rotational superradiance), რაც გულისხმობს ბრუნვითი ენერგიის ამოღებას და მის გადატანას ელექტრომაგნიტურ ველში. ზელდოვიჩმა აგრეთვე ივარაუდა, რომ ცილინდრის გარშემო ამრეკლავი საზღვრის დამატება გამოიწვევდა დადებით უკუკავშირს და ენერგიის ექსპონენციალურ ზრდას არასტაბილურობამდე. მეცნიერებმა ივარაუდეს, რომ ამ ეფექტის ხილვა შავი ხვრელის გარეშეც შეიძლებოდა, რომელსაც მოგვიანებით „შავი ხვრელის ბომბი“ უწოდეს. ეს კონცეფცია გულისხმობდა, რომ თუ მბრუნავი შავი ხვრელი იდეალურად ამრეკლავი სარკით იქნებოდა გარშემორტყმული, მივიღებდით ტალღების ენერგიის უკონტროლო ზრდას.
ლაბორატორიაში წარმატებით იქნა გამეორებული ამ თეორიული სცენარის ძირითადი ელემენტები. მყარი ალუმინის ცილინდრს აბრუნებდნენ კოჭების სისტემის შიგნით, რომელიც ქმნიდა მბრუნავ მაგნიტურ ველს. ეს ველი ასრულებდა შემომავალი ტალღის როლს, ხოლო ცილინდრის მიმართებით ბრუნვა ქმნიდა სუპერადიაციის აუცილებელ პირობებს. როდესაც ცილინდრის ბრუნვის სიჩქარე აღემატებოდა ველის მოდის ნახევარ-სიხშირეს, სისტემა შედიოდა რეჟიმში, სადაც ფონური ელექტრომაგნიტური ხმაური საკმარისი იყო არასტაბილური მოდების თვით-გაძლიერებისთვის. ველი ექსპონენციალურად იზრდებოდა გარედან ელექტრომაგნიტური ენერგიის შეყვანის გარეშე, მხოლოდ ცილინდრის მექანიკური ენერგიით, რაც მიუთითებდა არაწრფივ დინამიკაზე.
ექსპერიმენტი ჩატარდა ორ რეჟიმში: დახურული ციკლისა და ღია ციკლის კონტროლით. დახურულ ციკლში ძრავი მუდმივად ინარჩუნებდა ბრუნვის სიჩქარეს, რაც საშუალებას იძლეოდა ენერგიის ამოღება მომხდარიო წყვეტის გარეშე, სანამ კომპონენტები არ გამოვიდოდა მწყობრიდან. ღია ციკლში სისტემა საშუალებას აძლევდა ცილინდრს თანდათან შეემცირებინა სიჩქარე, რითაც შეჩერდებოდა გამაძლიერებელი ეფექტი მანამ, სანამ სტაბილურობა არ აღდგებოდა.
მნიშვნელოვანია, რომ გამაძლიერებელი ეფექტის დასაწყებად საჭირო არ იყო დამატებითი ელექტრომაგნიტური სიგნალი — სისტემაში არსებული ფონური ხმაური საკმარისი აღმოჩნდა. ეს განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია, რადგან ეხმიანება შავი ხვრელების სუპერრადიაციის თეორიებს, რომლებიც კვანტური ვაკუუმის ფლუქტუაციებს უკავშირდება. მიუხედავად იმისა, რომ ექსპერიმენტში ჭარბობდა თერმული და არა კვანტური ხმაური, პრინციპი ზოგადია და გვთავაზობს, რომ ზუსტად მორგებულ სისტემებში კვანტურმა ფლუქტუაციებმაც შეიძლება გამოიწვიოს არასტაბილურობა.
სისტემიდან ამოღებული მთლიანი ენერგია მიღებული იყო მხოლოდ ძრავის მექანიკური წვლილით — ახალი ენერგიის წყარო არ გაჩენილა და ენერგიის შენახვა სრულად იყო დაცული. თუმცა ფონური ხმაურის ასეთი ეფექტურობით გარდაქმნა დამანგრეველ ელექტრომაგნიტურ ენერგიად ხაზს უსვამს ამ მექანიზმის პოტენციალს. შედეგები მიუთითებს, რომ ნებისმიერი სისტემა, სადაც ბრუნვადი გამტარები ელექტრომაგნიტურ ველთან ურთიერთქმედებენ, საჭიროებს სიფრთხილით დამონტაჟდეს.
მკვლევარებმა აგრეთვე დაადგინეს, რომ სისტემა ძლიერად რეაგირებდა მცირე ფლუქტუაციებზე. ცილინდრის ბრუნვის სიჩქარის ცვლილება რამდენიმე ჰერცის ფარგლებში საკმარისი იყო სტაბილურობის დაკარგვის ან შენარჩუნებისთვის. ასეთი მგრძნობელობა დამახასიათებელია სისტემებისთვის, რომლებიც ახლოს არიან არასტაბილურობის ზღვართან.
მკვლევარებმა დეტალურად აღწერეს როგორც კონტროლირებადი, ასევე უკონტროლო რეჟიმები, და სისტემის ქცევა სხვადასხვა ძრავის მართვის რეჟიმებში — რაც კვლევის სიზუსტეზე მიუთითებს. მათ ასევე ჩაატარეს რაოდენობრივი გაზომვები ელექტრული წინაღობის, ველის ამპლიტუდის, ბრუნვის სიჩქარისა და გამაძლიერებელი მოდების სპექტრის შესახებ — რაც მნიშვნელოვან ბაზას ქმნის მომავალი ანალიზისთვის.
მიუხედავად იმისა, რომ ექსპერიმენტი მცირე მასშტაბის იყო და შედარებით დაბალ ენერგიებზე ხორციელდებოდა, ფიზიკური პრინციპები მასშტაბირებადია. უფრო დიდი ბრუნვადი სისტემები, ძლიერი ველებითა და მაღალი მექანიკური ენერგიით, შეიძლება გახდნენ არასტაბილურობის წყაროები, თუ არ მოხდება შესაბამისი კონტროლი. სისტემაში შიდა „თვითშეზღუდვის“ მექანიზმების არარსებობა ნიშნავს, რომ საჭიროა გარე საინჟინრო სტაბილიზაცია.
მიუხედავად იმისა, რომ ლაბორატორიული დემონსტრაცია გრავიტაციულ ეფექტებს არ მოიცავდა, შავი ხვრელის ფიზიკასთან ანალოგია ზედაპირული არ არის. ორივე შემთხვევაში ენერგია ბრუნვითი სისტემიდან ტალღური გაძლიერებით მიიღება. ექსპერიმენტი პირდაპირ ადასტურებს თეორიებს, რომლებიც ასტროფიზიკურ ენერგიის ამოღებაზე ათწლეულების წინ შემოგვთავაზეს.
მიღებული შედეგები ასევე ხსნის გზას კვლევისთვის ისეთ საკითხებზე, როგორიცაა კვანტური ხახუნი, ზელდოვიჩის ეფექტი ვაკუუმის ფლუქტუაციებით, ახალი ტიპის გამაძლიერებლებისა და სენსორების შექმნა კონტროლირებადი სუპერრადიაციის მეშვეობით. თუმცა, არასტაბილურობების პრაქტიკული გამოყენებისთვის აუცილებელია მძლავრი დამხშობი მექანიზმები, ან თვითშეზღუდვის სტრუქტურები.
შავი ხვრელის ბომბის ლაბორატორიული ანალოგის შექმნა წარმოადგენს ფუნდამენტური ფიზიკის იდეების მნიშვნელოვან დადასტურებას და გვახსენებს, რომ ერთი შეხედვით უწყინარი კონფიგურაციაც კი შეიძლება აღმოჩნდეს მძლავრი და უკონტროლო არასტაბილურობის წყარო, თუ მოხდება ფიზიკური პირობების დამთხვევა.
მომავალი ექსპერიმენტები შესაძლოა ფოკუსირდეს ტემპერატურის დაწევაზე, რათა თერმული ხმაური შემცირდეს და მივუახლოვდეთ კვანტური ფლუქტუაციების რეჟიმს. ასევე მნიშვნელოვანია არაწრფივი ზრდის ფაზის რუქის შედგენა და თვითშეზღუდვის ალტერნატიული მექანიზმების გამოკვლევა.
კვლევა მნიშვნელოვან გავლენას მოახდენს არა მხოლოდ ფუნდამენტურ ფიზიკაზე, არამედ გამოყენებით დარგებზე, სადაც მოძრავი გამტარებისა და ელექტრომაგნიტური გარემოს კონტროლი გადამწყვეტ როლს ასრულებს — იქნება ეს მასალათმცოდნეობა, კოსმოსური სისტემები თუ მომავალის მაღალი სიზუსტის დეტექტორები.
წყარო:
