Site pictogram Astroblogs

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

Amplification of twisted sound waves

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

FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten