Cinquant’anni dopo la sua proposta, l’effetto Zel’dovich è stato confermato utilizzando campi elettromagnetici. Questo effetto potrebbe persino permettere di generare fotoni dal vuoto quantistico.
Un’idea rivoluzionaria confermata
Nel 1969, il fisico e matematico britannico Roger Penrose propose un’idea audace: l’energia potrebbe essere estratta dai buchi neri abbassando un oggetto nella loro ergosfera, la regione appena fuori dall’orizzonte degli eventi, e permettendo che l’oggetto venga accelerato, rubando così parte dell’energia del buco nero. Questo concetto, noto come processo di Penrose, richiede che l’oggetto acquisisca energia negativa per poter essere recuperato dal buco nero, altrimenti si finirebbe solo per alimentare il buco nero stesso.
Il contributo di Yakov Zel’dovich
Non avendo buchi neri a portata di mano, il fisico bielorusso Yakov Zel’dovich propose un metodo più pratico per testare il concetto di estrazione di energia da un sistema rotante. Zel’dovich suggerì che l’effetto potesse essere testato utilizzando onde elettromagnetiche e un cilindro rotante. Questo effetto è strettamente legato al fenomeno Doppler, che può far apparire la luce spostata verso il rosso o il blu a seconda di come l’oggetto emittente si muove rispetto a noi, e al fenomeno Doppler rotazionale.
Il fenomeno Doppler rotazionale
Il fenomeno Doppler lineare è noto a molti come il cambiamento di tono di una sirena di ambulanza che sembra aumentare di tono mentre si avvicina all’ascoltatore e diminuire mentre si allontana. Questo accade perché le onde sonore raggiungono l’ascoltatore più frequentemente quando l’ambulanza si avvicina e meno frequentemente quando si allontana. Il fenomeno Doppler rotazionale è simile, ma l’effetto è confinato a uno spazio circolare. Le onde sonore distorte cambiano tono quando misurate dal punto di vista della superficie rotante. Se la superficie ruota abbastanza velocemente, la frequenza del suono può fare qualcosa di molto strano: può passare da una frequenza positiva a una negativa, rubando così energia dalla rotazione della superficie.
La conferma sperimentale
Per testare l’idea, il team ha precedentemente fatto rimbalzare onde sonore su un disco rotante e ha ascoltato un cambiamento di frequenza che indicava che l’energia era stata guadagnata dalla rotazione del disco. Ora, il team ha condotto l’esperimento utilizzando onde elettromagnetiche.
Il principio dell’effetto Zel’dovich
L’effetto Zel’dovich si basa sul principio che le onde con momento angolare, che normalmente verrebbero assorbite da un oggetto, in realtà vengono amplificate da quell’oggetto se ruota a una velocità angolare sufficientemente elevata. In questo caso, l’oggetto è un cilindro di alluminio e deve ruotare più velocemente della frequenza della radiazione in arrivo. Il team ha utilizzato un circuito risonante che interagisce con un cilindro metallico rotante e ha creato le condizioni specifiche necessarie per osservare l’effetto.
La rotazione e la frequenza negativa
Per condurre l’esperimento, il team ha dovuto far ruotare il cilindro di alluminio così velocemente che, dal suo punto di vista, vede un’onda distorta spostata in rotazione angolare con una “frequenza negativa”. La condizione per l’amplificazione è dal punto di vista rotante dell’oggetto. I campi elettromagnetici distorti che lo colpiscono sono stati spostati Doppler rotazionalmente, tanto che sono passati attraverso lo zero e sono entrati in una “frequenza angolare negativa”. La frequenza negativa significa assorbimento negativo, e questo significa amplificazione.
Prospettive future
Il team spera di indagare il fenomeno a livello quantistico. Questi risultati aprono la strada alla fusione di idee provenienti da due campi precedentemente disconnessi. In particolare, una prospettiva suggestiva è la realizzazione dell’amplificazione elettromagnetica di Zel’dovich da un corpo rotante nel regime quantistico, cioè la generazione di fotoni dal vuoto quantistico stimolata da una rotazione meccanica.
Pubblicazione e riconoscimenti
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications. Questo esperimento rappresenta un passo significativo nella comprensione dei fenomeni fisici legati alla rotazione e all’energia, e potrebbe avere implicazioni importanti per la fisica quantistica e l’astronomia.
