6 juli 2020

Vijftig jaar oude theorie van Roger Penrose met geluidsexperiment bevestigd

Wetenschappers van de Universiteit van Glasgow hebben een experiment gedaan welke een vijftig jaar oude theorie van Roger Penrose heeft bevestigd die claimt dat een zwart gat met een een flinke dosis ingenieusiteit, als energiebron te gebruiken zou zijn. Met gebruik van geluidsgolven konden de onderzoekers een experiment van een verschijnsel doen waarvan men zo’n vijf decennia lang dacht dat dit uit technisch oogpunt onmogelijk was. Terug in 1969 theoretiseerde de beroemde Britse wis- en natuurkundige Roger Penrose dat energie zou kunnen worden opgewekt door een object in de ergosfeer van het zwarte gat te laten zakken – de buitenste laag van de waarnemingshorizon van een zwart gat, waar een object sneller dan de lichtsnelheid zou moeten bewegen om stil te blijven hangen. Penrose voorspelde dat het object in deze ongebruikelijke ruimte een negatieve energie zou verkrijgen. Door het object te laten vallen en in tweeën te splitsen zodat de ene helft in het zwarte gat valt terwijl de andere wordt hersteld, zou de terugslagactie een verlies aan negatieve energie meten – in feite zou de herstelde helft energie winnen die wordt onttrokken aan de rotatie van het zwarte gat. Het is onnodig te zeggen dat dit een bovenmenselijk staaltje ingenieusiteit zou vergen en dus zou volgens Penrose alleen een technologisch zeer geavanceerde en misschien buitenaardse beschaving in staat zijn om zo een project uit te voeren.

Zwart gat credits; NASA

Twee jaar later suggereerde Yakov Zel’dovich, een natuurkundige uit het voormalig Sovjettijdperk, dat de theorie zou kunnen worden getest met een praktisch experiment. Hij stelde voor dat ‘gedraaide’ lichtgolven, die het oppervlak raken van een roterende metalen cilinder die met precies de juiste snelheid draait, uiteindelijk zouden worden gereflecteerd met extra energie die wordt onttrokken aan de rotatie van de cilinder dankzij een eigenaardigheid van het roterende doppler-effect. Het lastige was dat de cilinder meer dan een miljard keer per seconde rond moest gaan en dat dat uit technisch oogpunt niet te realiseren was. Nu vijftig jaar later bedacht het team o.l.v. Marion Cromb, Ph.D. onderzoeker aan de School of Astronomy and Physics van de Schotse universiteit een andere oplossing. In plaats van licht te gebruiken, gebruikte het team geluidsgolven. Geluid werkt op een veel lagere frequentie en, zo redeneerde het team, hieromheen zouden we wel een experiment kunnen bouwen om het verschijnsel te testen. Wat ze deden was een ring opzetten van luidsprekers om de gedraaide geluidsgolven te creëren. Deze gedraaide golven werden vervolgens gericht op een roterende schijfvormige geluidsabsorber van schuim. Een set microfoons achter de schijf pikte het geluid op uit de luidsprekers terwijl het door de schijf ging, wat de snelheid van de spin gestaag verhoogde. Wat het team wilde horen om te weten of de theorieën van Penrose en Zel’dovich correct waren, was een opvallende verandering in de frequentie en amplitude van de geluidsgolven terwijl ze door de schijf reisden, veroorzaakt door die eigenaardigheid van het doppler-effect.

Marion Cromb stelt: “De lineaire versie van het doppler-effect is bij de meeste mensen bekend, het is het fenomeen dat optreedt als de toonhoogte van een ambulancesirene lijkt te stijgen als deze de luisteraar nadert, maar daalt als hij weggaat. Het lijkt te stijgen omdat de geluidsgolven de luisteraar vaker bereiken als de ambulance nadert, en minder vaak als deze voorbij komt. Het roterende Doppler-effect is vergelijkbaar, maar het effect is beperkt tot een cirkelvormige ruimte.” De gedraaide geluidsgolven veranderen hun toonhoogte wanneer ze gemeten worden vanuit het oogpunt van het roterende oppervlak. Als het oppervlak snel genoeg roteert, kan de geluidsfrequentie iets eigenaardigs doen – het kan van een positieve naar een negatieve frequentie gaan en daarbij wat energie ‘stelen’ van de rotatie van het oppervlak. Naarmate de snelheid van de draaiende schijf toeneemt tijdens het experiment, daalt de toonhoogte van het geluid van de luidsprekers totdat het te laag wordt om te horen. Vervolgens stijgt de toonhoogte weer totdat deze de vorige toonhoogte bereikt – maar luider, met een amplitude die tot 30% groter is dan het originele geluid dat uit de luidsprekers komt. Marion Cromb voegde eraan toe: “Wat we tijdens ons experiment hoorden was buitengewoon. Wat er gebeurt is dat de frequentie van de geluidsgolven doppler-verschoven wordt naar nul naarmate de spinsnelheid toeneemt. Wanneer het geluid weer opstart, komt dat omdat de golven zijn verschoven van een positieve frequentie naar een negatieve frequentie. Die golven met negatieve frequentie zijn in staat om een deel van de energie van de draaiende schuimschijf op te nemen en worden daardoor luider – net zoals Zel’dovich in 1971 voorstelde.” Bronnen: Phys.org, New Atlas

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0944-3

Comments

  1. Ik begrijp niet waarom ze zoveel energie in een theorie steken die zowel in theorie als praktijk onbestaanbaar is en ook nooit-never van de grond zal komen. Is deze theorie op enig moment bruikbaar voor real world in een analoge vorm?

    • Troll? Als je dat serieus meent dan heb je er inderdaad niet veel van begrepen. In algemene zin. Wetenschap loopt vrijwel altijd op het mogelijke nut vooruit. Zo’n beetje alles om ons heen is het gevolg van ‘nutteloos’ onderzoek.

      Om antwoord te geven op je vraag: Ja, dit is in theorie bruikbaar “op enig moment”. Als er zich een zwart gat zou bevinden op een aantal lichtjaar afstand van de aarde dan zouden we dit in de verre toekomst kunnen gebruiken als een vrijwel onuitputtelijke bron van energie.

      • Angele van Oosterom zegt

        Het blijft vooralsnog het terrein van experimenteel onderzoek. Ik stuitte bv op de IXPE missie van NASA, lancering 2021 april, kosten 188 miljoen USD, hier wordt als reden meer gedetailleerd onderzoek naar extreme regionen opgegeven,

        https://arstechnica.com/science/2017/01/nasa-funds-mission-to-study-energy-from-black-holes-and-other-extremes/

        Citaat; ‘NASA hopes to indirectly learn about environments in space where gravitational, electric, and magnetic fields reach extremes.’

        • Onderzoek als IXPE is eigenlijk van een andere orde, het is puur fundamenteel om kennis te vergaren. Hier doen Penrose & Zel’dovich ons geloven dat er daadwerkelijk in praktijk energie van een BH valt “af te tappen”, complete onzin natuurlijk. Dit is blijkbaar de basis van het PhD onderzoek. Het schrijven en beoordelen van “grands” kan best wel wat selectiever. http://www.ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en

          • Euh… Penrose en die Rus hebben deze blog niet geschreven hoor, noch het experiment uitgevoerd. Quote: “…en dus zou volgens Penrose alleen een technologisch zeer geavanceerde en misschien buitenaardse beschaving in staat zijn om zo een project uit te voeren.”

            Dus in elk geval Penrose wil ons juist doen geloven dat we dit (nog) niet kunnen… of hoor jij misschien tot die zeer geavanceerde en misschien buitenaardse beschaving? 😉

            En maak je je nou echt druk om wat iemand in Schotland aan het doen is in zijn eigen tijd en met geld van een budget dat ongetwijfeld niet bedoeld is voor iets anders waar wij in NL niet aan meebetalen? Ik vind dat argument al ondraaglijk als dat laatste wel het geval is…

            Het is altijd lastig om van te voren te zeggen of fundamenteel onderzoek ooit iets bruikbaars op gaat leveren. Dirac had echt geen idee wat een PET-scanner is want die kwam pas 40 jaar later. Maar het een was zonder het ander niet gebeurd – iemand, Dirac of wie dan ook, moest eerst de fundamenten uitwerken.

            Het nut is vaak ook secundair: de bruikbare dingen zijn soms zaken die met het opstellen van het experiment te maken hebben en niet met de geteste theorie. Soms zit het nut in een vruchtbare samenwerking die over 20 jaar een vervolg krijgt en komt zo’n groep met een nieuwe manier om ruimtetelescopen te koelen. Dat weet je dus niet van te voren maar wie de mogelijkheid ertoe niet kan bieden, zal het in elk geval niet lukken.

            Ik zie hier in elk geval een manier om golven te versterken die bovendien niet langer het zwarte gat nodig heeft waar de theorie in eerste instantie nog over ging.

      • Wat bedoel je met “Troll” @Tim? Leg eens uit. “ALS er zich een zwart gat zou bevinden op een aantal lichtjaar afstand van de aarde DAN zouden we dit in de verre toekomst kunnen gebruiken als een vrijwel onuitputtelijke bron van energie.” …. ALS we beheerste kernfusie kunnen realiseren DAN hebben we net zo goed een onuitputtelijke energiebron, ALS we sneller dan de lichtsnelheid kunnen reizen DAN…etc. … Zijn de woordjes ALS – DAN een rechtvaardiging om alles maar te beweren als ware het in theorie een realistische mogelijkheid? Dit denkniveau is middeleeuws “ALS de aarde plat is DAN vallen alle ontdekkingsreizigers over de rand”.

  2. Tja, mijn mening @June, appels met peren vergelijken, onderzoek in praktijk oncontroleerbaar, idee onuitvoerbaar behalve door Aliens en toch met een hoog Sagan – Heinlein gehalte in Nature publiceren. Fotonen laten zich niet cumuleren zoals geluidsgolven. Er zal vast wel wat meer kritische respons op komen.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: