电磁波研究首次证明50年前的物理理论

南安普顿大学的物理学家首次利用电磁波成功测试并证实了一个已有 50 年历史的理论。他们的实验证明，在特定条件下，通过将"扭曲波"--具有角动量的波--从旋转物体上弹起，可以放大波的能量。

这种现象被称为"泽尔多维奇效应"，以苏联物理学家雅科夫-泽尔多维奇（Yakov Zel'dovich）的名字命名。直到现在，人们还认为电磁场无法观测到这种效应。

"泽尔多维奇效应的工作原理是，如果物体以足够快的角速度旋转，通常会被物体吸收的角动量波实际上会被物体放大。在这种情况下，物体是一个铝制圆柱体，它的旋转速度必须快于传入辐射的频率，"南安普顿大学研究员 Marion Cromb 博士解释说。

用于完成泽尔多维奇实验的设备。资料来源：南安普顿大学

"几年前，我和同事们成功地在声波中测试了这一理论，但直到最近的实验，这一理论还没有在电磁波中得到证实。利用相对简单的设备--一个与旋转金属圆筒相互作用的谐振电路--并通过创造所需的特定条件，我们现在已经能够做到这一点了。"

科学家们的研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

与多普勒效应的联系

泽尔多维奇效应很难观测到，但它与我们每天都会遇到的一种众所周知的现象--多普勒效应有关。想象一下，你站在繁忙的马路上，一辆警车鸣着警笛向你驶来。从你的角度看，当警车接近你时，警笛声比警车经过时的音调更高。

这是因为汽车前方向您驶来的声波被压缩，频率较高，因此音调较高。而在汽车后方，随着汽车的远去，声波以较低的频率更加分散，从而导致音调降低。这就是多普勒效应。

这也适用于光波。事实上，天文学家就是根据从他们的观测点看到的光波频率，来了解一个行星体是在向地球移动，还是在远离地球。扭曲波和相对旋转也会产生类似的"旋转多普勒"频移。

在泽尔多维奇效应中，金属圆柱体需要足够快地旋转，以便从它的角度"看到""扭曲波"的角频率发生了变化，以至于实际上变成了负频率。这就改变了波与圆柱体相互作用的方式。通常情况下，金属会吸收波，但当波的频率"变为负值"时，波实际上被放大了--反射到圆柱体上的能量比接近时更大。

玛丽恩-克劳姆解释说："放大的条件是从物体旋转的角度来看的。击中它的扭曲电磁场发生了旋转多普勒偏移，偏移量很大（或很低），以至于它们的角频率突破了零，变成了'负'角频率。负频率意味着负吸收，这意味着放大。"

影响和未来研究

科学家们说，在不同的物理系统（包括声学和现在的电磁电路）中证明了泽尔多维奇效应，这表明它在本质上是相当基本的。电磁测试也为在量子层面观察该效应铺平了道路，在量子层面，波可能是由圆柱体放大量子真空产生的。

该项目的导师、南安普敦大学的亨德里克-乌尔布里希特（Hendrik Ulbricht）教授说："我很高兴我们现在已经有了电磁泽尔多维奇效应的实验证明。在电磁环境下，下一个重大挑战--量子版的泽尔多维奇效应--将更为直接。我们的设置相当简单，在 COVID-19 大流行期间，我的工作就是建立这个实验并获取第一批数据。现在看到结果出来了，我非常有成就感，我非常感谢参与其中的出色团队。"

研究人员还表示，他们的研究结果可能有助于电气工程师探索感应发电机的改进方法，如风力涡轮机中使用的感应发电机。

编译自/scitechdaily