Оборудование, использованное в эксперименте Зельдовича.
Кредит: Университет Саутгемптона

«Эффект Зельдовича работает по принципу, согласно которому волны с угловым моментом , которые обычно поглощаются объектом, на самом деле усиливаются этим объектом, если он вращается с достаточно высокой угловой скоростью. В этом случае объект представляет собой алюминиевый цилиндр, и он должен вращаться быстрее частоты входящего излучения», — объясняет научный сотрудник Университета Саутгемптона доктор Мэрион Кромб.

«Несколько лет назад мы с коллегами успешно проверили эту теорию на звуковых волнах, но до этого последнего эксперимента она не была доказана с помощью электромагнитных волн . Используя относительно простое оборудование — резонансный контур, взаимодействующий с вращающимся металлическим цилиндром, — и создавая определенные требуемые условия, мы теперь смогли это сделать».

Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Nature Communications.

Эффект Зельдовича трудно наблюдать, но он связан с известным явлением, называемым эффектом Доплера, которое мы все наблюдаем вокруг себя каждый день.

Представьте, что вы стоите на оживленной дороге, и на вас мчится полицейская машина с включенной сиреной. С вашей точки зрения, по мере приближения сирена звучит выше, чем когда она проезжает.

Это происходит потому, что звуковые волны перед приближающейся к вам машиной сжимаются на высокой частоте — отсюда и более высокий тон. Позади машины, по мере ее удаления, они более распространены на более низкой частоте — отсюда и более низкий тон. Это эффект Доплера.

Это также можно применить к световым волнам. Фактически, астрономы используют это, чтобы понять, движется ли планетарное тело к Земле или от нее, в зависимости от частоты световых волн, видимых с их точки наблюдения.

Аналогичный «вращательный доплеровский» сдвиг частоты происходит для закрученных волн и относительного вращения.

В эффекте Зельдовича металлический цилиндр должен вращаться достаточно быстро, чтобы со своей точки зрения он «увидел» «скрученную волну», сдвинувшуюся по угловой частоте, настолько, что она фактически становится отрицательной. Это меняет способ взаимодействия волны с цилиндром. Обычно металл поглощает волну, но когда частота волны «становится отрицательной», волна фактически усиливается — отражаясь от цилиндра с большей энергией, чем при приближении.

«Условием усиления является вращающаяся перспектива объекта», — объясняет Мэрион Кромб. «Скручивающиеся электромагнитные поля, ударяясь о него, стали вращательно смещенными Доплером, настолько (или настолько малыми), что они прошли через ноль и вошли в «отрицательную» угловую частоту. Отрицательная частота тогда означает отрицательное поглощение, а это означает усиление».

Ученые говорят, что доказательство эффекта Зельдовича в различных физических системах, как акустических, так и теперь электромагнитных цепях, предполагает, что он имеет довольно фундаментальную природу. Электромагнитные тесты также прокладывают путь к наблюдению эффекта на квантовом уровне, где волны могут генерироваться цилиндром, усиливающим квантовый вакуум.

Профессор Хендрик Ульбрихт из Университета Саутгемптона, руководитель проекта, сказал: «Я очень рад, что теперь у нас есть экспериментальное доказательство электромагнитного эффекта Зельдовича. В электромагнитных условиях будет проще перейти к следующей большой задаче — квантовой версии эффекта».

«Наша установка сравнительно проста, и для меня было радостью на работе во время COVID организовать этот эксперимент и получить первые данные. Увидеть результаты сейчас очень приятно, и я благодарен фантастической команде, которая в этом участвовала».

Исследователи также говорят, что их результаты могут быть полезны инженерам-электрикам при изучении усовершенствований индукционных генераторов, например тех, которые используются в ветряных турбинах.