Una vieja teoría de hace 50 años, que empezó como una especulación sobre cómo una supuesta civilización alienígena podría usar un agujero negro para extraer energía, acaba de ser verificada experimentalmente en un laboratorio de investigación de Glasgow. El estudio acaba de ser publicado en Nature Physics.
La idea original fue de Roger Penrose, el físico británico que nos enseñó, junto a Stephen Hawking, mucho de lo que sabemos sobre los agujeros negros. En 1969, Penrose sugirió que sería posible generar grandes cantidades de energía colocando un objeto en la «ergosfera» de un agujero negro, la capa más externa de su horizonte de sucesos. Claro que para poder permanecer allí, el objeto en cuestión tendría que moverse a velocidades relativistas, imposibles de alcanzar con nuestra tecnología.
Un «reactor» de energía negativa
Sin embargo Penrose predijo que, si alguien superaba el obstáculo, en esa área tan inusual del espacio el objeto adquiriría energía negativa. Para recuperar una parte de esa energía, habría que colocar el objeto en la ergosfera y dividirlo en dos, de modo que una mitad fuera absorbida por el agujero negro y la otra, gracias a la acción de retroceso, pudiera escapar de él. De esta forma, la mitad recuperada ganaría energía extraída de la propia rotación del agujero negro. Por desgracia, y en términos de la ingeniería necesaria, el desafío era tan enorme que Penrose sugirió que sólo una civilización alienígena extraordinariamente avanzada sería capaz de llevar a cabo la tarea.
Dos años más tarde, otro físico llamado Yakov Zel’dovich sugirió que, después de todo, la teoría de Penrose podía ser probada con un experimento más práctico y «terrestre». De este modo, propuso que las ondas de luz «retorcidas» que golpean la superficie de un cilindro metálico que esté girando a la velocidad correcta, terminarían reflejándose con una energía «extra», obtenida de la propia rotación del cilindro en virtud de una peculiaridad del efecto Doppler rotacional. Es decir, que haría lo mismo que el hipotético objeto colocado en el borde del agujero negro.
El experimento parecía sencillo, pero no lo es. De hecho, desde el momento mismo en que formuló su idea, en 1971, el experimento de Zel’dovich se ha mantenido en el ámbito de la especulación teórica, ya que para que la cosa funcione el cilindro de metal propuesto necesitaría rotar por lo menos mil millones de veces por segundo, otro desafío insuperable y fuera de los límites de la actual ingeniería humana.
La solución: cambiar luz por sonido
Ahora, sin embargo, investigadores de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow han encontrado, por fin, una forma de demostrar experimentalmente el efecto propuesto por Penrose y más tarde por Zel’dovich. El «secreto» fue retorcer sonido en vez de luz, una fuente de frecuencia mucho más baja y, por lo tanto, mucho más práctica y asequible para hacer una demostración de laboratorio.
En su artículo de Nature Physics, los científicos describen cómo lograron construir un sistema que utiliza un pequeño anillo de altavoces para crear un giro en las ondas de sonido análogo al giro de las ondas de luz propuestas por Zel’dovich.
El efecto Doppler
Esas ondas sonoras retorcidas fueron dirigidas hacia un objeto giratorio capaz de absorber sonido, en este caso un disco de espuma. Un conjunto de micrófonos colocados detrás captaba el sonido de los altavoces a medida que pasaba por el disco, que aumentaba constantemente su velocidad de giro.
Para saber que las teorías de Penrose y Zel’dovich eran correctas, el equipo de investigadores trataba de captar un cambio distintivo en la frecuencia y la amplitud de las ondas de sonido a medida que viajaban por el disco, cambios causados por el efecto Doppler.
Marion Cromb, autor principal del artículo, explica que «la versión lineal del efecto Doppler es familiar para la mayoría de las personas, ya que el fenómeno ocurre cuando el tono de una sirena de ambulancia parece aumentar a medida que se ésta se acerca al oyente y disminuir cuando la ambulancia se aleja». El aumento se debe al hecho de que, al acercarse a nosotros, la velocidad de la ambulancia se suma a la de las ondas del sonido que emite su sirena, con lo que su frecuencia es mayor (y escuchamos un tono cada vez más agudo). Por el contrario, cuando la ambulancia se aleja, su velocidad hace que el sonido se tenga que «estirar» más para llegar hasta nosotros. En decir, su frecuencia disminuye (y escuchamos un tono cada vez más grave).
«El efecto Doppler rotacional -prosigue Cromb- es similar, pero solo se limita a un espacio circular. Las ondas de sonido retorcidas cambian de tono cuando se miden desde el punto de vista de la superficie giratoria. Y si esa superficie gira lo suficientemente rápido, entonces la frecuencia del sonido puede pasar de positiva a negativa y, al hacerlo, robar algo de energía de la superficie en rotación».
Ondas de frecuencia negativa
A medida que la velocidad del disco giratorio aumentaba durante el experimento, el tono del sonido emitido por los altavoces disminuía hasta volverse demasiado bajo como para ser oído. Después, el tono volvía a subir hasta alcanzar el nivel anterior, pero más alto, con una amplitud hasta un 30% mayor que el sonido original de los altavoces. Se había obrado el «milagro».
«Lo que escuchamos durante nuestro experimento -asegura Cromb- fue extraordinario. Lo que estaba sucediendo es que la frecuencia de las ondas de sonido bajaba hasta cero a medida que la velocidad de giro aumentaba. Y cuando el sonido empezaba de nuevo, era porque las ondas sonoras habían pasado de una frecuencia positiva a una negativa. Esas ondas de frecuencia negativa eran capaces de extraer energía del disco giratorio de espuma, haciéndose más fuertes en el proceso, tal y como propuso Zel’dovich en 1971».
Daniele Faccio, coautor de la investigación, afirma que «estamos encantados de haber podido verificar experimentalmente una física extremadamente extraña medio siglo después de que la teoría se propusiera por primera vez. Es extraordinario pensar que hemos podido confirmar aquí, en nuestro laboratorio del oeste de Escocia, una teoría cósmica de medio siglo de antigüedad, pero creemos que abrirá muchas nuevas vías de exploración científica. Estamos ansiosos por ver cómo podemos investigar, en un futuro cercano, el efecto en diferentes fuentes, como las ondas electromagnéticas».
Penrose, por lo tanto, tenía razón. Ahora solo falta descubrir si, efectivamente, existe en alguna parte una civilización extraterrestre lo suficientemente avanzada como para aprovechar ese efecto y extraer energía sin límites del borde mismo de un agujero negro…