فیزیک سیاهچالههای آزمایشگاهی: انقلابی در انرژی و فناوری امواج
فیزیکدانان در مرکز تحقیقات علوم پیشرفته (ASRC) دانشگاه CUNY با موفقیت مکانیسمهای استخراج انرژی فوقالعادهی یک سیاهچاله در حال چرخش را در یک محیط آزمایشگاهی ایستا بازسازی کردند. این پیشرفت با استفاده از فرامواد (metamaterials) برای شبیهسازی چرخش فوقسریع (superluminal)، اخترفیزیک نظری را به قلمرو فناوریهای کاربردی و مقیاسپذیر وارد میکند.
بازسازی فرآیند پنروز بدون حرکت فیزیکی
برای بیش از پنج دهه، «فرآیند پنروز» — نظریهای که توسط سر راجر پنروز، برنده جایزه نوبل، در سال ۱۹۶۹ پیشنهاد شد — بیان میکرد که میتوان انرژی را از ارگوسفر (ergosphere) یک سیاهچاله استخراج کرد. در طبیعت، این پدیده به این دلیل رخ میدهد که چرخش سیاهچاله باعث کشیده شدن خودِ فضا-زمان میشود و به ذرات اجازه میدهد با انرژی بیشتری نسبت به آنچه وارد شده بودند، خارج شوند. با این حال، آزمایش این موضوع روی زمین پیش از این غیرممکن بود، زیرا هیچ دستگاه مکانیکی نمیتوانست به اندازهی کافی سریع بچرخد تا این نیروها را بدون متلاشی شدن شبیهسازی کند.
تیم CUNY ASRC به سرپرستی محقق اصلی، آندریا آلو (Andrea Alù)، با استفاده از «چرخش مصنوعی» از این محدودیت فیزیکی عبور کردند. آنها به جای چرخاندن یک جسم فیزیکی، یک حلقه فرکانس رادیویی ایستا متشکل از فرامواد پیشرفته ساختند. پژوهشگران با زمانبندی دقیق تغییرات در خواص الکتریکی قطعات الکترونیکی، یک الگوی موج متحرک ایجاد کردند که شبیهساز جسمی در حال چرخش سریعتر از سرعت نور است. این امر به امواج الکترومغناطیسی اجازه داد تا با سیستم تعامل داشته باشند و با تقویتشده از آن خارج شوند، که به طور موثری فرآیند پنروز-زلدوویچ (Penrose-Zel'dovich) را در یک محیط کنترلشده اثبات کرد.
از اخترفیزیک تا محاسبات کوانتومی و دفاع
اگرچه این آزمایش دریچهای به سوی شدیدترین پدیدههای جهان باز میکند، اما ارزش واقعی آن در کاربردهای زمینی نهفته است. توانایی تقویت امواج خاص از طریق چرخش مصنوعی و بدون حرکت، مرز جدیدی را در تعامل موج و ماده ایجاد میکند.
تیم تحقیقاتی، شامل نویسنده همکار هادی موسی و نویسنده اصلی حدیثه ناصری، چندین بخش پربازده را برای این فناوری شناسایی کردهاند:
- ارتباطات بیسیم و رادار: توانایی انجام تقویت انتخابی پهنباند میتواند منجر به شبکههای بیسیم فوقکارآمد و پرسرعت و سیستمهای راداری پیشرفتهتر شود.
- اپتیک پیشرفته و فوتونیک: با کنترل نحوه حرکت نور در تراشههای کامپیوتری، این فناوری میتواند سرعت پردازش دادهها را متحول کند.
- علوم کوانتومی: این پلتفرم محیطی همهکاره برای کاوش در تلاقی فیزیک موج و مکانیک کوانتومی فراهم میکند.
شایان ذکر است که این پروژه حمایت قابل توجهی از سوی وزارت دفاع ایالات متحده (DoD) و بنیاد ملی علوم دریافت کرده است که نشاندهنده اهمیت استراتژیک این فناوری در حوزههای پردازش سیگنال و جنگ الکترونیک است.
پیامدهای استراتژیک برای حاکمیت فناوری هند
با تشدید رقابت جهانی برای برتری کوانتومی و تسلط بر نسل ششم شبکه (6G)، این پیشرفت نشاندهنده تغییری در نحوه استفاده از فیزیک بنیادی به عنوان ابزاری برای کسب مزیت تکنولوژیک است. برای هند که به شدت در حال سرمایهگذاری در «مأموریت کوانتومی ملی» و تولید بومی نیمههادیها است، چنین پیشرفتهایی معیارهای حیاتی محسوب میشوند.
این موضوع برای هند چه معنایی دارد
- جاهطلبیهای کوانتومی و نیمههادی: در حالی که هند برای ساخت یک اکوسیستم بومی و قدرتمند در حوزه نیمههادی تلاش میکند، تسلط بر دستکاری امواج مبتنی بر فرامواد برای توسعه نسل بعدی پردازندههای پرسرعت و لینکهای ارتباطی کوانتومی ضروری خواهد بود.
- دفاع و جنگ الکترونیک: کاربرد بالقوه در رادار و تقویت سیگنال، با نیاز استراتژیک هند به قابلیتهای پیشرفته جنگ الکترونیک برای حفظ توازن در منطقه هند-آرام (Indo-Pacific) بسیار مرتبط است.
- همسویی تحقیقات استراتژیک: موسسات علمی هند باید تمرکز خود را بر مواد «مهندسیشده با زمان» (time-engineered) و فرامواد افزایش دهند تا اطمینان حاصل شود که کشور صرفاً به مصرفکننده فناوریهای عمیق (deep-tech) با کاربرد دوگانه که توسط قدرتهای جهانی صادر میشود، تبدیل نگردد.