외계 문명이 블랙홀을 사용해 에너지를 생성하는 방법에 대한 추측으로 시작된 50년 된 이론이 실험적으로 검증됐다.

1969년 영국의 물리학자인 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 물체를 블랙홀 에르고스피어(ergosphere, 사건 지평선 바깥층)로 낮추면 에너지를 생성할 수 있다고 제안했다. 그곳에서 물체가 머물러있기 위해서는 빛의 속도보다 빠르게 움직여야 한다.

펜로즈는 물체가 이 특이한 공간에서 부정적인 에너지를 얻을 것으로 예측했다. 반은 블랙홀에 떨어지고 나머지 반은 부정적인 에너지의 손실을 측정한다. 효과적으로 감아올려진 반은 블랙홀의 회전으로부터 에너지를 얻을 것이다. 그러나 프로세스가 요구하는 엔지니어링 과제의 규모는 너무 커서 펜로즈는 매우 진보한 외계 문명 만이 과제를 감당할 것이라고 제안했다.

2년 후, 야코프 젤도비치(Yakov Zel’dovich)라는 또 다른 물리학자는 이 이론이 보다 실용적인 지구 실험으로 대체될 수 있다고 제안했다. 그는 적절한 속도로 회전하는 금속 실린더의 표면에 부딪히는 광파가 도플러 효과 영향으로 인해 실린더의 회전에서 추출된 추가 에너지로 반사될 것이라고 제안했다. 이 아이디어는 1971년 이래 이론으로만 머물러 있었다. 실험을 위해서는 금속 실린더가 적어도 1초에 10억 번 회전해야 하는데, 이는 공학적 한계로 극복할 수 없는 과제였다.

영국 글래스고대(University of Glasgow) 물리학과 천문학연구원들은 마침내 펜로즈와 젤도비치가 제안한 효과를 빛 대신 소리를 왜곡해 실험적으로 입증할 수 있는 방법을 찾았다.

credit : University of Glasgow.

네이처 피직스(Nature Physics)에 발표된 새 논문에서 연구팀은 젤코비치가 제안한 광파의 왜곡과 유사한 음파의 왜곡을 생성하기 위해 작은 스피커링을 사용하는 시스템을 구축한 방법을 설명한다.

생서된 음파는 폼 디스크로 만들어진 회전식 흡음기로 향한다. 디스크 뒤 마이크 세트는 디스크를 통과하는 스피커 소리를 추출, 회전 속도를 꾸준히 증가시켰다. 펜로즈와 젤도비치의 이론이 옳았음을 확인하기 위해 연구팀은 도플러 효과 영향으로 인해 디스크를 통과할 때 음파의 주파수와 진폭에서 발생하는 뚜렷한 변화를 측정했다.

메리언 크롬(Marion Cromb) 물리 및 천문학부 박사과정은 이 논문의 주요 저자다. 매리언은 “도플러 효과의 선형 버전은 구급차 사이렌의 피치가 청취자에게 접근함에 따라 상승하고 멀어지면서 줄어드는 것처럼 들리는 현상으로 대부분의 사람들에게 친숙하다. 구급차가 가까워 질수록 음파가 청취자에게 더 자주 도달한 다음 지나친 후 빈도가 줄어든다”고 설명했다.

회전 도플러 효과(Doppler effect)는 비슷하지만 원형 공간에 국한된다. 비틀린 음파는 회전 표면의 관점에서 측정할 때 피치가 변경된다. 표면이 충분히 빠르게 회전하면 소리 주파수가 양의 주파수에서 음의 주파수로 갈 수 있으며, 이를 통해 표면 회전으로부터 약간의 에너지를 얻는다.

실험 중에 회전하는 디스크의 속도가 증가함에 따라 스피커의 사운드 피치가 너무 낮아져 들을 수 없을 때까지 떨어진다. 그런 다음 피치는 이전 피치에 도달할 때까지 다시 올라가지만 스피커에서 나오는 원래 소리보다 진폭이 최대 30% 더 컸다. 실험에서는 스핀 속도가 증가함에 따라 음파의 주파수가 도플러 효과로 0으로 이동했다. 젤도비치가 1971년에 제안한 것처럼 이 음파는 회전하는 폼 디스크에서 에너지의 일부를 가져와서 공정을 통해 더 크게 증가할 수 있었다.

논문의 공동 저자 다니엘 파키오(Daniele Faccio) 교수는 “우리는 이론이 처음 제안된 후 반세기 동안 극도로 이상한 물리학을 실험적으로 검증할 수 있게 됐다…가까운 장래에 전자기파와 같은 다른 소스에 미치는 영향을 조사할 수 있을 것”이라고 말했다.

*Marion Cromb et al. Amplification of waves from a rotating body, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0944-3