Вакуум полон квантовых флуктуаций, обнаружить которые может только сверхчувствительная аппаратура. Инструментов для изучения сил, действующих на столь малом уровне, современной науке остро не хватает.
Несколько лет назад исследователи из Университета Пердью в США разработали метод измерения крутящего момента, воздействуя на крошечный продолговатый кусок алмаза. Подвесив материал в вакууме с помощью лазера, физики использовали специально откалиброванное устройство для сбора информации. «Изменение ориентации наноалмаза действительно вызвало скручивание поляризации лазерного луча», - пояснял физик Тонгкан Ли в 2016 году.
Три года спустя Ли и его команда заменили алмаз крошечными шариками из кремнезема диаметром всего 150 нанометров, которые фиксировались в вакуумной камере с помощью лазера мощностью 500 милливатт. С помощью поляризованных импульсов от второго лазера крошечные кварцевые шарики можно было вращать. В результате удалось достичь невероятной скорости вращения – 300 миллиардов оборотов в секунду! Эта система настолько чувствительна, что с её помощью можно измерить слабое растяжение электромагнитных полей, которое создает подобие трения даже в абсолютно пустом пространстве. Это трение является следствием неопределённости, присущей квантовой физике. «Быстро вращающаяся нейтральная наночастица может преобразовывать квантовые и тепловые колебания вакуума в излучение. Из-за этого электромагнитный вакуум ведёт себя как сложная жидкость и будет создавать фрикционный момент на нанороторе», - пришли к выводу исследователи.
Вращающиеся маховики или гироскопы могут вызывать «антигравитационный» эффект. В 1989 году японские ученые H. Hayasaka и S. Tackeuchi сообщили в основном журнале, что вращающийся вокруг вертикальной оси в вакууме гироскоп испытал небольшую потерю веса, прямо пропорциональную скорости вращения. Эффект наблюдался только для вращения по часовой стрелке (если смотреть сверху в их лаборатории в северном полушарии).
У самых ярких и самых массивных звёзд время жизни оказывается самым малым: они сжигают своё топливо гораздо быстрее, чем мелкие звёзды. Дойдя до предела ядерного синтеза, они заканчивают свою жизнь и превращаются в звёздные останки.
Останки эти бывают разных видов: для звёзд самой малой массы типа Солнца это будут белые карлики, для чуть более массивных – нейтронные звёзды, а для гигантов – чёрные дыры. Получающиеся компактные объекты излучают в электромагнитном диапазоне от радиодиапазона до рентгеновского. Результаты наблюдений и измерений излучения оказываются удивительными. Например, большинство звёзд вращается относительно медленно, но при этом чёрные дыры вращаются почти со скоростью света.
Нейтронная звезда появляется на месте более массивной звезды, заканчивающей свой цикл в виде взрыва сверхновой. Из-за этого частицы ядра так сильно сжимаются, что все эти останки превращаются в одно гигантское атомное ядро, на 90% или более состоящее из нейтронов. Обычно нейтронные звёзды имеют массу в два раза больше солнечной, а размер — всего от 10 до 40 км. Вращаются они гораздо быстрее, чем могла бы любая из известных звёзд или белых карликов.
Даже самые простые расчёты скорости вращения нейтронной звезды, если брать аналогию с Солнцем, покажут, насколько быстро она должна вращаться. Если мы снова мысленно сожмём Солнце до шара диаметром в 40 км, мы получим куда как более быстрый оборот вокруг своей оси – всего за 10 мс. Некоторые нейтронные звёзды излучают радиоимпульсы как раз в сторону линии наблюдения их с Земли. Они называются пульсарами. Среди них есть такие, что совершают оборот за 1,3 мс, то есть, за одну секунду успевают обернуться 766 раз.
Если бы сжали всё Солнце до шарика радиусом в 3 км, это привело бы к появлению чёрной дыры. По закону сохранения момента импульса вблизи этого объекта проявился бы эффект, известный как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Эффект проявляется в появлении дополнительных ускорений, сходных с ускорением Кориолиса. В результате даже само пространство-время увлекается вращающейся чёрной дырой за пределами радиуса Шварцшильда и начинает двигаться со скоростью, близкой к световой. И чем сильнее мы сожмём эту массу, тем сильнее за её вращением будет увлекаться пространство-время. Астрономы подробно изучили сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики NGC 1365 — спиральной галактики с перемычкой в созвездии Печь. Это одна из первых галактик, изображение которой получил телескоп Джеймс Уэбб. Судя по излучению этой чёрной дыры, идущему от участков, её окружающих, даже на относительно большом расстоянии от горизонта событий материя движется со скоростью в 84% от световой.
В 1963 г. Рой П. Керр, австралийский математик, работавший тогда в Техасском университете (США), нашел полное решение уравнений гравитационного поля для вращающейся чёрной дыры. Астрофизика получила математическое описание геометрии пространства-времени, окружающего массивный вращающийся объект. К 1975 г. была доказана единственность решения Керра. Точно так же, как все возможные решения для чёрных дыр, обладающих лишь массой (М), эквивалентны решению Шварцшильда, а все возможные решения для чёрных дыр с массой и зарядом (М и Q) эквивалентны решению Райснера-Нордстрёма, все возможные решения с массой и моментом количества движения (М и а) должны быть эквивалентны решению Керра. Получение решения Керра является важнейшим достижением теоретической астрофизики XX в. Между пределом статичности и горизонтом событий, окружающими вращающуюся черную дыру, находится область пространства-времени, называемая эргосферой. Внутри эргосферы невозможно находиться в состоянии покоя, но туда можно попасть и снова выбраться оттуда, не покидая нашу Вселенную. Одно из самых удивительных свойств эргосферы было открыто в 1969 г. Роджером Пенроузом. Пенроуз выполнил расчёт движения тела, падающего в эргосферу вращающейся чёрной дыры и распадающегося там на две части. Он предположил, что одна часть падает под горизонт событий и теряется навсегда, а другая отскакивает обратно в нашу Вселенную. Возвращающаяся обратно часть будет меньше, чем первоначальное тело. Но если это тело двигалось точно с определённой скоростью и в нужном направлении, то энергия выброшенной части может стать намного больше энергии первоначального объекта. В результате чёрная дыра станет вращаться немного медленнее. Так от вращающихся чёрных дыр можно получить большое количество энергии - с помощью модели Пенроуза часть энергии вращения чёрной дыры может быть передана выбрасываемому из эргосферы веществу.
Подобно тому как частицы могут извлекать энергию из вращающейся чёрной дыры при пролете через её эргосферу, так же может быть усилено и излучение, проходящее мимо такой дыры. Это явление называется сверхизлучательным рассеянием. Для иллюстрации представляют чёрную дыру, окруженную сферическим зеркалом. Направив луч света на дыру через небольшое отверстие в зеркале, при многократном отражении в сферическом зеркале можно извлекать из чёрной дыры всё большее количество энергии, а чёрная дыра будет постепенно замедлять своё вращение. В итоге через отверстие в окружающем дыру зеркале начинает выходить большое количество излучения - получается неисчерпаемый источник энергии. Если после поступления первоначального луча отверстие в зеркале закрыть, то излучению будет некуда выходить. Постоянно встречаясь со сферическим зеркалом и отражаясь от него, излучение будет становиться все более мощным при каждом прохождении через эргосферу. Поэтому зеркало будет подвергаться все более сильному давлению излучения изнутри, пока зеркальная сфера не взорвётся с высвобождением огромного количества энергии. Это в принципе новое сверхмощное оружие.
Сверхмассивная чёрная дыра может стать источником Большого взрыва, а поглощение излучения и масс чёрной дырой может формировать массу античастиц в вакууме и вносить вклад в скрытую массу вселенной. Ещё более удивительными являются эффекты образования у чёрных дыр особых кольцевых структур и отрицательного пространства.