En 50-årig teori som började som spekulationer om hur en främmande civilisation kunde använda ett svart hål för att generera energi har experimentellt verifierats för första gången i ett forskningslabb i Glasgow.

1969, Den brittiske fysikern Roger Penrose föreslog att energi skulle kunna genereras genom att sänka ett föremål i det svarta hålets ergosfär – det yttre lagret av det svarta hålets händelsehorisont, där ett föremål skulle behöva röra sig snabbare än ljusets hastighet för att förbli stilla.

Penrose förutspådde att föremålet skulle få en negativ energi i detta ovanliga område av rymden. Genom att tappa föremålet och dela det i två så att ena halvan faller i det svarta hålet medan den andra återhämtas, rekylåtgärden skulle mäta en förlust av negativ energi – effektivt, den återvunna hälften skulle få energi som utvinns från det svarta hålets rotation. Omfattningen av den tekniska utmaning som processen skulle kräva är så stor, dock, att Penrose bara föreslog en mycket avancerad, kanske främmande, civilisationen skulle vara lika med uppgiften.

Två år senare, en annan fysiker vid namn Yakov Zel'dovich föreslog att teorin skulle kunna testas med en mer praktisk, jordbundet experiment. Han föreslog att "vridna" ljusvågor, träffar ytan på en roterande metallcylinder som svänger med precis rätt hastighet, skulle sluta reflekteras med ytterligare energi som extraheras från cylinderns rotation tack vare en egenhet i den roterande dopplereffekten.

Men Zel'dovichs idé har legat kvar enbart inom teorins område sedan 1971 eftersom, för att experimentet ska fungera, hans föreslagna metallcylinder skulle behöva rotera minst en miljard gånger per sekund – en annan oöverstiglig utmaning för de nuvarande gränserna för mänsklig ingenjörskonst.

Nu, forskare från University of Glasgows School of Physics and Astronomy har äntligen hittat ett sätt att experimentellt demonstrera effekten som Penrose och Zel'dovich föreslog genom att vrida ljud istället för ljus - en mycket lägre frekvenskälla, och därmed mycket mer praktiskt att demonstrera i labbet.

I en ny tidning som publicerades idag i Naturfysik , laget beskriver hur de byggde ett system som använder en liten ring av högtalare för att skapa en vridning i ljudvågorna analogt med vridningen i ljusvågorna som föreslagits av Zel'dovich.

Dessa vridna ljudvågor riktades mot en roterande ljudabsorbent gjord av en skumskiva. En uppsättning mikrofoner bakom skivan fick upp ljudet från högtalarna när det passerade genom skivan, vilket stadigt ökade hastigheten på dess snurr.

Det teamet ville höra för att veta att Penrose och Zel'dovichs teorier var korrekta var en distinkt förändring i ljudvågornas frekvens och amplitud när de färdades genom skivan, orsakas av dopplereffektens egenhet.

Marion Cromb, en Ph.D. student vid universitetets institution för fysik och astronomi, är tidningens huvudförfattare. Marion sa:"Den linjära versionen av dopplereffekten är bekant för de flesta som fenomenet som uppstår när tonhöjden på en ambulanssiren tycks stiga när den närmar sig lyssnaren men sjunker när den går bort. Den verkar stiga eftersom ljudet vågor når lyssnaren oftare när ambulansen närmar sig, sedan mer sällan när det passerar.

"Rotationsdopplereffekten är liknande, men effekten är begränsad till ett cirkulärt utrymme. De vridna ljudvågorna ändrar sin tonhöjd när de mäts från den roterande ytans synvinkel. Om ytan roterar tillräckligt snabbt kan ljudfrekvensen göra något väldigt konstigt - den kan gå från en positiv frekvens till en negativ, och genom att göra det stjäl lite energi från ytans rotation."

När hastigheten på den snurrande skivan ökar under forskarnas experiment, tonhöjden på ljudet från högtalarna sjunker tills det blir för lågt för att höras. Sedan, tonhöjningen stiger upp igen tills den når sin tidigare tonhöjd - men högre, med en amplitud på upp till 30 % större än originalljudet som kommer från högtalarna.

Marion tillade:"Det vi hörde under vårt experiment var extraordinärt. Vad som händer är att ljudvågornas frekvens dopplerförskjuts till noll när rotationshastigheten ökar. När ljudet börjar igen, det beror på att vågorna har skiftats från en positiv frekvens till en negativ frekvens. Dessa negativa frekvensvågor kan ta en del av energin från den snurrande skumskivan, blir högre i processen - precis som Zel'dovich föreslog 1971."

Professor Daniele Faccio, även vid University of Glasgows School of Physics and Astronomy, är medförfattare på tidningen. Prof Faccio tillade:"Vi är glada över att experimentellt ha kunnat verifiera en del extremt udda fysik ett halvt sekel efter att teorin först lades fram. Det är konstigt att tro att vi har kunnat bekräfta en halvsekel gammal teori. med kosmiskt ursprung här i vårt labb i västra Skottland, men vi tror att det kommer att öppna upp många nya vägar för vetenskaplig utforskning. Vi är angelägna om att se hur vi kan undersöka effekten på olika källor som elektromagnetiska vågor inom en snar framtid."

Forskargruppens uppsats, med titeln "Amplifiering av vågor från en roterande kropp, "publiceras i Naturfysik .