Naukowcy z Uniwersytetu w Southampton potwierdzili efekt Zeldovicha, w którym skręcone fale są wzmacniane przez obracający się obiekt. Odkrycie to, wcześniej wykazane jedynie na falach dźwiękowych, obecnie ma zastosowanie do fal elektromagnetycznych, co ma obiecujące implikacje dla fizyki kwantowej i technologii energooszczędnych.
Fizycy z Uniwersytetu w Southampton pomyślnie przetestowali i po raz pierwszy potwierdzili 50-letnią teorię przy użyciu fal elektromagnetycznych.
Ich eksperymenty wykazały, że energię fal można wzmocnić, odbijając „fale skręcone” – fale o momencie pędu – od obracającego się obiektu w określonych warunkach.
Nazywa się to „efektem Zeldowicza” i nazwano go na cześć radzieckiego fizyka Jakowa Zeldowicza, który w latach 70. XX wieku opracował teorię opartą na tej idei. Do tej pory uważano, że jest to nieobserwowalne za pomocą pól elektromagnetycznych.
„Efekt Zeldovicha działa na zasadzie, że fale o momencie pędu, które zwykle byłyby pochłaniane przez obiekt, w rzeczywistości zostają przez niego wzmocnione, jeśli obraca się on z wystarczająco dużą prędkością kątową. W tym przypadku obiektem jest aluminiowy cylinder i musi on obracać się szybciej niż częstotliwość przychodzącego promieniowania” – wyjaśnia pracownik naukowy na Uniwersytecie w Southampton, dr Marion Cromb.
„Kilka lat temu wraz z kolegami z powodzeniem przetestowaliśmy tę teorię w przypadku fal dźwiękowych, ale do czasu ostatniego eksperymentu nie została ona udowodniona w przypadku fal elektromagnetycznych. Używając stosunkowo prostego sprzętu – obwodu rezonansowego współpracującego z wirującym metalowym cylindrem – i tworząc wymagane warunki, udało nam się tego dokonać”.
Odkrycia naukowców zostały opublikowane w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Połączenie z efektem Dopplera
Efekt Zeldovicha jest trudny do zaobserwowania, ale ma powiązania z dobrze znanym zjawiskiem zwanym efektem Dopplera, którego wszyscy doświadczamy wokół nas każdego dnia.
Wyobraź sobie, że stoisz na ruchliwej drodze i pędzi w twoją stronę radiowóz, włączając syrenę. Z twojego punktu widzenia, gdy się zbliża, syrena wydaje dźwięk o wyższej częstotliwości niż wtedy, gdy minęła.
Dzieje się tak, ponieważ fale dźwiękowe przed samochodem zbliżające się do Ciebie są skompresowane z dużą częstotliwością – stąd wyższy ton. Za samochodem, gdy się on oddala, są one bardziej rozproszone przy niższej częstotliwości, co skutkuje niższym tonem. To jest efekt Dopplera.
Można to również zastosować do fal świetlnych. W rzeczywistości astronomowie używają go do zrozumienia, czy ciało planetarne zbliża się do Ziemi, czy też się od niej oddala, w zależności od częstotliwości fal świetlnych widzianych z ich punktu obserwacji.
Podobne przesunięcie częstotliwości „rotacyjnego Dopplera” ma miejsce w przypadku fal skręconych i rotacji względnej.
W efekcie Zeldovicha metalowy cylinder musi obracać się na tyle szybko, aby z jego perspektywy „zaobserwować” przesunięcie częstotliwości kątowej „skręconej fali” tak bardzo, że w rzeczywistości osiąga częstotliwość ujemną. Zmienia to sposób, w jaki fala oddziałuje z cylindrem. Zwykle metal pochłonąłby falę, ale gdy częstotliwość fali „spada na wartość ujemną”, fala w rzeczywistości zostaje wzmocniona – odbija się od cylindra z większą energią niż wtedy, gdy się zbliżała.
„Warunkiem wzmocnienia jest perspektywa obracania się obiektu” – wyjaśnia Marion Cromb. „Uderzające w niego skręcone pola elektromagnetyczne uległy rotacyjnemu przesunięciu Dopplera do tego stopnia (lub tak niskiego), że przekroczyły zero i osiągnęły „ujemną” częstotliwość kątową. Częstotliwość ujemna oznacza zatem ujemną absorpcję, a to oznacza wzmocnienie.
Implikacje i przyszłe badania
Naukowcy twierdzą, że udowodnienie efektu Zeldovicha w różnych układach fizycznych, zarówno w akustyce, jak i obecnie w obwodach elektromagnetycznych, sugeruje, że ma on dość fundamentalny charakter. Testy elektromagnetyczne otwierają również drogę do obserwacji efektu na poziomie kwantowym, gdzie fale mogą być generowane przez cylinder wzmacniający próżnię kwantową.
Profesor Hendrik Ulbricht z Uniwersytetu w Southampton, kierownik projektu, powiedział: „Jestem bardzo zadowolony, że mamy teraz eksperymentalny dowód elektromagnetycznego efektu Zeldovicha. W ustawieniach elektromagnetycznych łatwiej będzie podjąć kolejne duże wyzwanie, jakim jest kwantowa wersja efektu.
„Nasza konfiguracja jest porównywalnie prosta, a przygotowanie tego eksperymentu i zebranie pierwszych danych sprawiło mi radość podczas pracy podczas pandemii. Obserwowanie wyników już teraz daje mi ogromną satysfakcję i jestem wdzięczny zaangażowanemu fantastycznemu zespołowi.
Naukowcy twierdzą również, że ich odkrycia mogą być przydatne dla inżynierów elektryków przy badaniu ulepszeń generatorów indukcyjnych, takich jak te stosowane w turbinach wiatrowych.
Odniesienie: „Wzmocnienie pól elektromagnetycznych przez wirujące ciało” MC Braidotti, A. Vinante, M. Cromb, A. Sandakumar, D. Faccio i H. Ulbricht, 27 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49689-w
