Per oltre cinquant’anni la superradianza è rimasta uno dei fenomeni più affascinanti della fisica teorica. Collegata ai buchi neri rotanti e alla possibilità di estrarre energia da oggetti in rapida rotazione, questa previsione scientifica sembrava destinata a rimanere confinata nei modelli matematici. Oggi, però, un gruppo di ricercatori statunitensi è riuscito a riprodurne gli effetti in laboratorio senza far ruotare alcun oggetto fisico, aprendo nuove prospettive per la ricerca in fisica fondamentale.
Cos’è la superradianza e perché è così difficile osservarla
Negli anni Settanta il fisico britannico Sir Roger Penrose ipotizzò che fosse possibile estrarre energia da un buco nero in rapida rotazione. Poco dopo, il fisico sovietico Yakov Zel’dovich estese il concetto suggerendo che un’onda in interazione con un oggetto rotante sufficientemente veloce avrebbe potuto acquisire energia e uscire amplificata.
Questo fenomeno, noto come superradianza, si verifica quando parte dell’energia rotazionale dell’oggetto viene trasferita all’onda incidente. Il corpo rotante rallenta in misura impercettibile, mentre l’onda aumenta la propria intensità.
Il limite delle velocità estreme
Il principale ostacolo alla verifica sperimentale della superradianza è sempre stato di natura pratica. Per osservare l’effetto sono infatti necessarie velocità di rotazione straordinariamente elevate, impossibili da raggiungere con oggetti reali.
Qualsiasi materiale sottoposto a una simile accelerazione si disintegrerebbe prima di raggiungere le condizioni richieste. Per questo motivo, la superradianza rotazionale è rimasta per decenni una previsione teorica, studiata soprattutto nell’ambito dell’astrofisica e della fisica dei buchi neri.
La soluzione dei ricercatori della City University of New York
Un team dell’Advanced Science Research Center della City University of New York (CUNY ASRC) ha trovato una soluzione innovativa a questo problema. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature, descrive un sistema capace di simulare una rotazione ultrarapida senza alcun movimento meccanico.
Una rotazione “sintetica” invece di una rotazione reale
I ricercatori hanno costruito un anello composto da risonatori elettronici le cui proprietà vengono modificate rapidamente nel tempo seguendo una sequenza accuratamente progettata.
Questa modulazione genera un modello in movimento lungo l’anello. Sebbene il dispositivo resti completamente fermo, le onde elettromagnetiche che lo attraversano percepiscono il sistema come se fosse in rotazione a velocità estremamente elevate.
Un esempio intuitivo è quello delle insegne luminose nelle quali le luci sembrano muoversi lungo un percorso pur restando fisicamente ferme. Per le onde che attraversano il dispositivo, quel movimento apparente è equivalente a una vera rotazione.
Onde amplificate grazie all’energia del sistema
Il grande vantaggio della cosiddetta rotazione sintetica è che può raggiungere velocità ben superiori a qualsiasi rotazione meccanica reale. In termini teorici, il modello in movimento può persino simulare velocità superiori a quella della luce senza violare alcuna legge fisica, poiché non è un oggetto materiale a spostarsi, ma soltanto un pattern.
In queste condizioni emerge proprio l’effetto previsto da Penrose e Zel’dovich. Le onde dotate delle caratteristiche appropriate riescono infatti a estrarre energia dal sistema e ad amplificarsi.
“Le onde con le caratteristiche rotazionali adeguate hanno estratto energia dal sistema e sono state amplificate, riproducendo la fisica essenziale del processo di Penrose-Zel’dovich”, ha spiegato Hady Moussa del CUNY ASRC, tra gli autori dello studio. “Il nostro approccio si basa su metamateriali progettati per controllare il modo in cui le onde si propagano.”
Un ponte tra teoria e sperimentazione
Secondo Hadiseh Nasari, ricercatrice del CUNY ASRC e prima autrice della ricerca, il risultato rappresenta un importante passo avanti.
“Il successo di questo esperimento porta le idee sulla dinamica rotazionale estrema dalla teoria alla pratica e crea una piattaforma sperimentale versatile per esplorare fenomeni all’intersezione tra astrofisica, fisica delle onde e scienza quantistica.”
Le possibili applicazioni future
L’esperimento offre agli scienziati uno strumento controllabile e riproducibile per studiare fenomeni che, fino a oggi, erano associati quasi esclusivamente ai buchi neri e agli ambienti estremi dell’universo.
Le implicazioni potrebbero estendersi ben oltre la ricerca teorica. I principi alla base della rotazione sintetica potrebbero infatti trovare applicazione in piattaforme fotoniche e quantistiche avanzate, contribuendo allo sviluppo di nuove tecnologie per le comunicazioni wireless, l’ottica classica e quella quantistica.
Una nuova finestra sulla fisica estrema
La dimostrazione sperimentale della superradianza senza la necessità di far ruotare oggetti reali rappresenta un traguardo significativo per la fisica contemporanea. Grazie a questa innovativa tecnica basata sui metamateriali, fenomeni finora accessibili soltanto attraverso modelli teorici possono ora essere studiati in laboratorio, aprendo nuove opportunità per comprendere alcuni dei processi più estremi e affascinanti dell’universo.
Alessandro Vitale è autore per Gossipitaliano.net e si occupa di seguire temi di attualità, spettacolo, tecnologia, business, sport e lifestyle. Il suo approccio si concentra su una comunicazione chiara, accurata e accessibile, con l’obiettivo di offrire ai lettori informazioni utili e aggiornate. Attraverso articoli basati sui fatti e un linguaggio diretto, racconta notizie e storie rilevanti, aiutando il pubblico a comprendere gli argomenti che influenzano la vita quotidiana e il dibattito pubblico.