Après 50 ans, l’effet Zel’dovich expérimentalement prouvé avec des ondes électromagnétiques

Après 50 ans, l’hypothèse proposée par le physicien Iakov Zeldovich concernant la possibilité de voler de l’énergie à des systèmes en rotation grâce aux ondes électromagnétiques a enfin été validée en laboratoire. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Zel’dovich, pourrait même permettre de générer des photons à partir du vide quantique. Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Nature Communications.

Une théorie née d’une inspiration des trous noirs

L’effet Zel’dovich trouve son origine dans une idée audacieuse datant de 1969. À l’époque, le physicien et mathématicien britannique Roger Penrose avait émis l’hypothèse qu’il serait possible d’extraire de l’énergie des trous noirs en exploitant une région spécifique autour d’eux appelée ergosphère, située juste à l’extérieur de l’horizon des événements. 

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Penrose proposait que si un objet était lâché dans cette zone et qu’il s’y mettait à accélérer, il pourrait théoriquement voler une partie de l’énergie du trou noir. Ce concept, connu sous le nom de processus de Penrose, reposait sur l’idée que l’objet devait acquérir une énergie négative pour renvoyer une partie de cette énergie dans notre Univers, sinon il ne ferait qu’alimenter davantage le trou noir.

Cependant, la possibilité de tester cette idée demeurait lointaine en raison de l’inaccessibilité des trous noirs. Quelques années plus tard, en 1971, Iakov Zeldovich a trouvé une alternative plus pratique pour tester cette théorie dans un cadre plus accessible. Il a proposé de tester le vol d’énergie à des systèmes en rotation rapide, non pas dans l’espace, mais en laboratoire. La clé de cette idée repose sur un phénomène bien connu, l’effet Doppler, et plus spécifiquement sa variante rotationnelle.

L’effet Doppler et sa version rotationnelle

L’effet Doppler est un phénomène commun où une onde émise par un objet en mouvement apparaît décalée en fréquence pour un observateur. Par exemple, lorsque le son d’une sirène d’ambulance semble plus aigu à l’approche puis plus grave lorsqu’elle s’éloigne, c’est l’effet Doppler en action. Ce même principe s’applique à la lumière, avec un décalage vers le rouge ou le bleu en fonction de la vitesse relative de la source lumineuse par rapport à l’observateur.

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Cependant, l’effet Doppler rotationnel introduit une dimension circulaire. Lorsque des ondes sonores ou électromagnétiques interagissent avec une surface en rotation, leur fréquence peut changer de manière significative. Comme l’explique le Dr Marion Cromb, chercheuse à l’université de Southampton, l’effet Doppler rotationnel permet, dans certaines conditions, que la fréquence des ondes passe de positive à négative. Cette inversion de fréquence engendre une absorption négative, c’est-à-dire que l’objet en rotation absorbe moins d’énergie qu’il n’en reçoit, amplifiant ainsi les ondes.

La première validation expérimentale

Pour tester l’effet Zel’dovich, une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Cromb a conçu une expérience simple mais ingénieuse. L’idée était de faire rebondir des ondes sonores sur un disque en rotation pour observer si une amplification des ondes, signe de vol d’énergie, se produisait. Cette première expérience, menée il y a quelques années, a permis de démontrer que l’effet fonctionnait pour les ondes sonores.

Cependant, l’objectif de Zeldovich était de prouver cet effet pour les ondes électromagnétiques. Dans une étude plus récente, l’équipe a utilisé un cylindre en aluminium en rotation rapide et un circuit résonant pour créer les conditions nécessaires à cette amplification. Grâce à cet équipement relativement simple, ils ont pu observer un décalage dans la fréquence des ondes électromagnétiques, prouvant ainsi que l’effet Zel’dovich fonctionne également avec ces ondes.

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Dans cette nouvelle expérience, l’équipe a dû faire tourner le cylindre d’aluminium à une vitesse telle que, du point de vue du cylindre, les ondes électromagnétiques semblaient décalées vers une fréquence négative en raison de l’effet Doppler rotationnel. Cette fréquence négative, synonyme d’absorption négative, a conduit à une amplification des ondes frappant la surface en rotation. 

L’équipe espère maintenant étudier l’effet Zel’dovich à l’échelle quantique. L’idée serait de combiner ce phénomène avec d’autres concepts issus de la physique des particules, notamment pour explorer la possibilité de générer des photons directement à partir du vide quantique grâce à une rotation mécanique. En d’autres termes, cette avancée pourrait permettre de créer de la lumière à partir de rien, en utilisant uniquement l’énergie d’un objet en rotation extrêmement rapide. Par ailleurs, des astronomes observent la matière noire s’échapper lors de la collision de deux amas de galaxies.