Un equipo de físicos de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY) armó un agujero negro en el laboratorio —o, más precisamente, un análogo electrónico de uno— y logró con él algo que la teoría prometía desde hace más de medio siglo: arrancarle energía a la rotación de un objeto y usarla para amplificar ondas. El trabajo se publicó en la revista Nature con el título «Observation of Floquet rotational super-radiance».
El experimento lleva la firma de Hadiseh Nasari, Hady Moussa, Yoshiaki Kasahara, Arno Thielens y Andrea Alù, del Advanced Science Research Center (ASRC) del CUNY Graduate Center. Nada de gravedad ni de estrellas colapsadas: lo que construyeron es un anillo de resonadores electrónicos que jamás se mueve, pero cuyas propiedades eléctricas cambian en una secuencia tan veloz y tan bien cronometrada que las ondas de radio que lo atraviesan lo perciben como si estuviera girando a una velocidad imposible. Y al salir, esas ondas llevan más energía de la que traían.
«Las ondas con las características rotacionales apropiadas extrajeron energía del sistema y se amplificaron, reproduciendo la física esencial del proceso de Penrose-Zeldovich», explicó el equipo en el comunicado del ASRC.
El truco que Penrose imaginó en los años sesenta
En 1969, el físico británico Roger Penrose —premio Nobel de Física en 2020— propuso una idea que suena a robo cósmico. Alrededor de un agujero negro que gira existe una región llamada ergosfera, donde el propio tejido del espacio-tiempo es arrastrado por la rotación del objeto. Nada puede quedarse quieto ahí dentro: todo es obligado a girar. Penrose calculó que si un cuerpo entra en esa zona y se parte en dos, una mitad puede caer al agujero negro mientras la otra sale disparada con más energía de la que tenía al llegar. La diferencia se la paga el agujero negro, que queda girando un poco más lento.
Poco después, el físico soviético Yákov Zeldóvich llevó la idea al terreno de las ondas: predijo que un objeto que rote lo bastante rápido puede amplificar las ondas que rebotan en él, sin necesidad de agujero negro alguno. Es lo que hoy se llama superradiancia rotacional. El problema está en la letra chica: para que funcione, el objeto debe girar más rápido que la propia onda incidente. Con ondas electromagnéticas eso exigiría hacer girar un cilindro miles de millones de veces por segundo, una velocidad que ningún material soportaría sin desintegrarse. La predicción de Zeldóvich llevaba décadas atorada justo ahí.
Cómo se hace un agujero negro en el laboratorio sin que nada gire
La salida del grupo de Alù fue elegante: si el problema es el giro, hay que quitar el giro. En lugar de rotar un objeto, los investigadores rotaron una propiedad. Su dispositivo es un anillo de resonadores electrónicos cuyas características eléctricas se encienden y apagan en secuencia alrededor del círculo, como las luces de una marquesina, que simulan movimiento sin que ningún foco se desplace. Ese patrón viajero es lo que los autores llaman rotación sintética: la parte «Floquet» del título, una modulación periódica en el tiempo, no en el espacio.
Para una onda de radio que llega al anillo, la diferencia es irrelevante: el sistema se comporta como si girara a una velocidad que ningún motor podría alcanzar. Y entonces ocurre lo que Zeldóvich había anticipado. Las ondas que llegan con el momento angular adecuado —las que «giran» en el sentido correcto— le roban energía al sistema y salen amplificadas. Las demás, no. El resultado es una amplificación selectiva y de banda ancha, gobernada por la geometría rotacional de la onda y no por su frecuencia.
Por qué importa
El agujero negro en el laboratorio del ASRC admite dos lecturas, y ambas cuentan.
- Para la física fundamental: es la demostración experimental de un mecanismo que llevaba medio siglo en el papel. No prueba que el proceso de Penrose ocurra en un agujero negro real, pero sí que la física de fondo —extraerle energía a una rotación mediante ondas— es correcta y reproducible sobre una mesa de laboratorio.
- Para la tecnología: un amplificador sin partes móviles, que selecciona ondas por su rotación y no por su frecuencia, abre puertas en comunicaciones inalámbricas, óptica clásica y cuántica y fotónica. Los autores lo señalan como la ruta de aplicación más inmediata.
El trabajo fue financiado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos, la NSF y la Fundación Simons.
Lo que no demuestra
Aquí conviene bajarle dos rayitas al entusiasmo. Lo que hay en el ASRC no es un agujero negro: no hay gravedad, no hay curvatura del espacio-tiempo, no hay horizonte de sucesos ni ergosfera real. Es un análogo: reproduce las ecuaciones del fenómeno con otro sustrato físico. Y la energía que ganan las ondas no sale de la nada, sino de la fuente que alimenta la modulación. En el cosmos la pagaría el agujero negro frenando su giro; en Nueva York, la corriente eléctrica.
Los propios autores marcan el límite: hará falta trabajo adicional antes de que estas ideas se traduzcan en dispositivos prácticos, y el concepto todavía debe extenderse a plataformas fotónicas y cuánticas, donde las frecuencias son mucho más altas que las de radio usadas en este montaje. Tampoco resuelve el debate astrofísico sobre cuánta energía se le puede sacar de verdad a un agujero negro giratorio: eso solo lo dirimirá la observación del cielo.
Con esas reservas sobre la mesa, el saldo sigue siendo notable. Por primera vez, la vieja intuición de Penrose y Zeldóvich dejó de ser un ejercicio de pizarrón: un agujero negro en el laboratorio, hecho de electrónica y de tiempo bien medido, acaba de devolver ondas más energéticas de las que recibió.
Preguntas frecuentes
¿Se puede extraer energía de un agujero negro?
En teoría sí: Roger Penrose propuso en 1969 que un cuerpo que se parte en dos dentro de la ergosfera puede salir con más energía de la que llevaba, y el agujero negro queda girando más lento. El experimento publicado en Nature reproduce esa física con un análogo electrónico, no con un agujero negro real.
¿Qué es la superradiancia rotacional de Zeldóvich?
Es la predicción del físico soviético Yákov Zeldóvich de que un objeto que gira lo bastante rápido puede amplificar las ondas que rebotan en él. La condición es que el objeto gire más rápido que la onda incidente, algo imposible mecánicamente con ondas electromagnéticas.
¿Cómo crearon los físicos del CUNY un agujero negro en el laboratorio?
Construyeron un anillo de resonadores electrónicos que nunca se mueve, pero cuyas propiedades eléctricas se encienden y apagan en secuencia alrededor del círculo. Ese patrón viajero, llamado rotación sintética, hace que las ondas de radio 'sientan' una rotación imposible y salgan amplificadas.
Fuentes
- Nature — Observation of Floquet rotational super-radiance (Nasari, Moussa, Kasahara, Thielens y Alù)
- CUNY Advanced Science Research Center — A Black Hole Theory Comes to Life in the Lab
- Phys.org — Synthetic rotation brings black hole energy theory into lab, amplifying waves
- ScienceDaily — Physicists recreate black hole energy extraction in the lab
- EurekAlert! — A black hole theory comes to life in the lab
Créditos de imagen: Event Horizon Telescope (CC BY 4.0); Unknown authorUnknown author (Public domain); Biswarup Ganguly (CC BY 3.0). Vía Wikimedia Commons.
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