Propulseur à vide quantique - Quantum vacuum thruster
Un propulseur à vide quantique ( QVT ou Q-propulseur ) est un système théorique supposé utiliser les mêmes principes et équations de mouvement qu'un propulseur à plasma conventionnel utiliserait, à savoir la magnétohydrodynamique (MHD), pour faire des prédictions sur le comportement du propulseur . Cependant, plutôt que d'utiliser un plasma conventionnel comme propulseur, un QVT interagirait avec les fluctuations de vide quantique du champ du point zéro .
Le concept est controversé et n'est généralement pas considéré comme physiquement possible. Cependant, si les systèmes QVT étaient possibles, ils pourraient éliminer le besoin de transporter du propulseur, étant limité uniquement par la disponibilité de l'énergie.
Histoire et controverse
Le nom et le concept sont controversés. En 2008, Yu Zhu et d'autres de l'Université polytechnique du Nord-Ouest de Chine ont prétendu mesurer la poussée d'un tel propulseur, mais l'ont qualifié de «propulseur micro-ondes sans propulseur» fonctionnant sur des principes quantiques. En 2011 , il a été mentionné comme quelque chose à être étudié par Harold G. White et son équipe à la NASA de Eagleworks Laboratories, qui travaillaient avec un prototype de propulseur d'un tel. D'autres physiciens, tels que Sean M. Carroll et John Baez , le rejettent parce que le vide quantique tel qu'il est actuellement compris n'est pas un plasma et ne possède pas de caractéristiques de type plasma.
Théorie de fonctionnement
Un vide peut être considéré non pas comme un espace vide mais comme la combinaison de tous les champs de point zéro . Selon la théorie quantique des champs, l'univers est composé de champs de matière dont les quanta sont des fermions (par exemple des électrons et des quarks ), et des champs de force dont les quanta sont des bosons (c'est-à-dire des photons et des gluons ). Tous ces champs ont une certaine énergie intrinsèque du point zéro . Décrivant le vide quantique, un article de Physics Today cité par l'équipe de White décrit cet ensemble de champs comme « une mer turbulente, agitée par des vagues associées à une panoplie de champs médiatrices de force tels que les champs de photons et de Higgs ». Compte tenu de l'équivalence de la masse et de l' énergie exprimée par Albert Einstein « s E = mc 2 , tout point de l' espace peut être considéré que l' énergie contient comme ayant une masse pour créer des particules. Les particules virtuelles surgissent spontanément et s'annihilent en tout point de l'espace en raison de l'énergie des fluctuations quantiques . De nombreux effets physiques réels attribués à ces fluctuations de vide ont été vérifiés expérimentalement, tels que l'émission spontanée , la force de Casimir , le déplacement de Lamb , le moment magnétique de l'électron et la diffusion de Delbrück ; ces effets sont généralement appelés «corrections radiatives».
L' effet Casimir est une force faible entre deux plaques conductrices non chargées provoquée par l' énergie du point zéro du vide. Il a été observé pour la première fois expérimentalement par Lamoreaux (1997) et les résultats montrant la force ont été reproduits à plusieurs reprises. Plusieurs scientifiques dont White ont mis en évidence qu'une poussée nette peut en effet être induite sur un vaisseau spatial via «l'effet Casimir dynamique» associé. L'effet Casimir dynamique a été observé expérimentalement pour la première fois en 2011 par Wilson et al. Dans l'effet Casimir dynamique, un rayonnement électromagnétique est émis lorsqu'un miroir est accéléré à des vitesses extrêmement élevées. Lorsque la vitesse du miroir commence à correspondre à la vitesse des photons, certains photons se séparent de leur paire virtuelle et ne s'annihilent donc pas. Les photons virtuels deviennent réels et le miroir commence à produire de la lumière. Ceci est un exemple de rayonnement Unruh . Une publication de Feigel (2004) a soulevé la possibilité d'un effet de type Casimir qui transfère l'élan des fluctuations quantiques du point zéro à la matière, contrôlé par des champs électriques et magnétiques appliqués. Ces résultats ont été débattus dans un certain nombre d'articles de suivi, en particulier van Tiggelen et al. (2006) n'ont trouvé aucun transfert d'impulsion pour des champs homogènes, mais prédisent un très petit transfert pour une géométrie de champ de type Casimir. Ceci est cumulé avec Birkeland & Brevik (2007) qui ont montré que les champs de vide électromagnétiques peuvent provoquer des symétries brisées ( anisotropie ) dans le transfert de quantité de mouvement ou, en d'autres termes, que l'extraction de la quantité de mouvement à partir des fluctuations électromagnétiques du point zéro est possible d'une manière analogue. que l'extraction d'énergie est possible à partir de l'effet Casimir. Birkeland & Brevik soulignent que des asymétries d'impulsion existent dans la nature et que la stimulation artificielle de celles-ci par des champs électriques et magnétiques a déjà été observée expérimentalement dans des liquides complexes. Cela concerne la controverse Abraham-Minkowski , un long débat théorique et expérimental qui se poursuit jusqu'à nos jours. Il est largement reconnu que cette controverse est un argument sur la définition de l'interaction entre la matière et les champs. Il a été avancé que le transfert d'élan entre la matière et les champs électromagnétiques liés au problème d'Abraham-Minikowski permettrait des entraînements sans propulseur.
Un système QVT cherche à utiliser ce transfert de moment de type Casimir prédit. On fait valoir que lorsque le vide est exposé à des champs électriques et magnétiques croisés (c'est-à-dire des champs E et B), il induira une dérive de tout le plasma sous vide qui est orthogonale à celle des champs E x B appliqués.
Il a été démontré jusqu'à présent que les systèmes utilisant les effets Casimir ne créent que de très petites forces et sont généralement considérés comme des dispositifs à un coup qui nécessiteraient une énergie ultérieure pour les recharger (c'est-à-dire la "batterie de fluctuation du vide" de Forward). La capacité des systèmes à utiliser le champ du point zéro en continu comme source d'énergie ou de propulseur est beaucoup plus controversée (bien que des modèles évalués par des pairs aient été proposés). Il y a un débat sur les formalismes de la mécanique quantique qui s'appliquent à la physique de la propulsion dans de telles circonstances, l' électrodynamique quantique plus raffinée (QED) ou l' électrodynamique quantique stochastique (SED) relativement peu développée et controversée . SED décrit l'énergie électromagnétique à zéro absolu comme un champ de point zéro fluctuant stochastique. Dans le SED, le mouvement d'une particule immergée dans le champ de rayonnement stochastique du point zéro entraîne généralement un comportement hautement non linéaire. Les effets quantiques émergent à la suite d'interactions permanentes matière-champ qu'il n'est pas possible de décrire dans QED Les modèles mathématiques typiques utilisés dans l'électromagnétisme classique , l'électrodynamique quantique (QED) et le modèle standard considèrent l'électromagnétisme comme une théorie de jauge U (1), qui restreint topologiquement toute interaction non linéaire complexe. Le vide électromagnétique dans ces théories est généralement considéré comme un système linéaire sans conséquence globale observable. Pour de nombreux calculs pratiques, l'énergie du point zéro est rejetée par fiat dans le modèle mathématique comme une constante qui peut être annulée ou comme un terme qui n'a aucun effet physique.
L'article de 2016 de White souligne que l'électrodynamique stochastique (SED) permet une interprétation par ondes pilotes de la mécanique quantique. Les interprétations par ondes pilotes de la mécanique quantique sont une famille de théories déterministes non locales distinctes d'autres interprétations plus courantes telles que l' interprétation de Copenhague et l' interprétation à plusieurs mondes d'Everett . Des expériences pionnières de Couder et Fort à partir de 2006 ont montré que les ondes pilotes classiques macroscopiques peuvent présenter des caractéristiques que l'on croyait auparavant limitées au domaine quantique. Les analogues d'ondes pilotes hydrodynamiques ont pu dupliquer l'expérience de double fente, le tunneling, les orbites quantifiées et de nombreux autres phénomènes quantiques et, à ce titre, les théories des ondes pilotes connaissent un regain d'intérêt. Pourrait et Fort notent dans leur article de 2006 que les ondes pilotes sont des systèmes dissipatifs non linéaires soutenus par des forces externes. Un système dissipatif se caractérise par l'apparition spontanée d'une rupture de symétrie ( anisotropie ) et la formation de dynamiques complexes, parfois chaotiques ou émergentes , où les champs en interaction peuvent présenter des corrélations à longue distance. Dans SED, le champ du point zéro (ZPF) joue le rôle de l'onde pilote qui guide les particules réelles sur leur chemin. Les approches modernes du SED considèrent les effets quantiques de type onde et particules comme des systèmes émergents bien coordonnés qui sont le résultat d'interactions sous-quantiques spéculées avec le champ du point zéro
Polémique et critique
Certains physiciens notables ont trouvé le concept de Q-thruster peu plausible. Par exemple, le physicien mathématique John Baez a critiqué la référence au "plasma virtuel sous vide quantique" en notant que: "Le" plasma virtuel "n'existe pas". Le physicien théoricien de Caltech, Sean M. Carroll, a également affirmé cette affirmation, en écrivant "[t] ici n'existe pas de" plasma virtuel sous vide quantique "...". De plus, Lafleur a découvert que la théorie quantique des champs ne prédit aucune force nette, ce qui implique que les poussées mesurées sont peu susceptibles d'être dues à des effets quantiques. Cependant, Lafleur a noté que cette conclusion reposait sur l'hypothèse que les champs électrique et magnétique étaient homogènes, alors que certaines théories postulent une petite force nette dans des vides non homogènes.
Notamment, la violation des lois de conservation de l'énergie et de l'élan a été fortement critiquée. Dans une présentation au centre de recherche Ames de la NASA en novembre 2014, White a abordé la question de la conservation de l'élan en déclarant que le propulseur Q conserve l'élan en créant un sillage ou un état anisotrope dans le vide quantique. White a indiqué qu'une fois que les faux positifs étaient exclus, Eagleworks explorerait la distribution de l'impulsion et l'angle de divergence du sillage du vide quantique à l'aide d'un deuxième propulseur Q pour mesurer le sillage du vide quantique. Dans un article publié en janvier 2014, White a proposé d'aborder le problème de la conservation de l'élan en déclarant que le propulseur Q pousse les particules quantiques (électrons / positrons) dans une direction, tandis que le propulseur Q recule pour conserver l'élan dans l'autre direction. White a déclaré que ce principe était similaire à la façon dont un sous-marin utilise son hélice pour pousser l'eau dans une direction, tandis que le sous-marin recule pour conserver son élan. Par conséquent, les violations des lois fondamentales de la physique peuvent être évitées.
Autres propulseurs à vide quantiques hypothétiques
Un certain nombre de physiciens ont suggéré qu'un vaisseau spatial ou un objet peut générer une poussée grâce à son interaction avec le vide quantique. Par exemple, Fabrizio Pinto dans un article de 2006 publié dans le Journal of the British Interplanetary Society a noté qu'il pourrait être possible d'amener un groupe de particules de vide polarisables en vol stationnaire dans le laboratoire, puis de transférer la poussée vers un véhicule accélérateur macroscopique. De même, Jordan Maclay dans un article de 2004 intitulé "A Gedanken Spacecraft that Operates Using the Quantum Vacuum (Dynamic Casimir Effect)" publié dans la revue scientifique Foundations of Physics a noté qu'il est possible d'accélérer un vaisseau spatial basé sur l' effet Casimir dynamique , dans quel rayonnement électromagnétique est émis lorsqu'un miroir non chargé est correctement accéléré dans le vide. De même, Puthoff a noté dans un article de 2010 intitulé "Engineering the Zero-Point Field and Polarizable Vacuum For Interstellar Flight" publié dans le Journal of the British Interplanetary Society a noté qu'il est possible que le vide quantique puisse être manipulé de manière à fournir de l'énergie / poussée pour les futurs véhicules spatiaux. De même, le chercheur Yoshinari Minami dans un article de 2008 intitulé "Preliminary Theoretical Considerations for Getting Thrust via Squeezed Vacuum" publié dans le Journal of the British Interplanetary Society a noté la possibilité théorique d'extraire la poussée du vide excité induit par le contrôle de la lumière comprimée. De plus, Alexander Feigel dans un article de 2009 a noté que la propulsion dans le vide quantique peut être obtenue en faisant tourner ou en agrégeant des nanoparticules magnéto-électriques dans de forts champs électriques et magnétiques perpendiculaires.
Cependant, selon Puthoff, bien que cette méthode puisse produire un moment cinétique provoquant la mise en rotation d'un disque statique (connu sous le nom de disque de Feynman), elle ne peut pas induire un moment linéaire en raison d'un phénomène connu sous le nom de "moment caché" qui annule la capacité du méthode de propulsion E × B proposée pour générer une impulsion linéaire. Cependant, certains travaux expérimentaux et théoriques récents de van Tiggelen et de ses collègues suggèrent que l'impulsion linéaire peut être transférée du vide quantique en présence d'un champ magnétique externe.
Expériences
En 2013, l' équipe d' Eagleworks a testé un appareil appelé Serrano Field Effect Thruster, construit par Gravitec Inc. à la demande de Boeing et de la DARPA . L'équipe Eagleworks a émis l'hypothèse que cet appareil est un propulseur Q. Le propulseur se compose d'un ensemble de diélectriques circulaires pris en sandwich entre les électrodes; son inventeur le décrit comme produisant une poussée par une mise en forme présélectionnée d'un champ électrique. Gravitec Inc. allègue qu'en 2011, ils ont testé le dispositif à "condensateur asymétrique" à plusieurs reprises dans un vide poussé et ont exclu le vent ionique ou les forces électrostatiques comme explication de la poussée produite. De février à juin 2013, l'équipe d'Eagleworks a évalué l'article de test SFE dans et hors d'un bouclier de Faraday et dans diverses conditions de vide. La poussée a été observée dans la gamme ~ 1–20 N / kW. L'amplitude de la poussée est mise à l'échelle approximativement avec le cube de la tension d'entrée (20–110 μN). En 2015, les chercheurs n'ont pas publié un article évalué par des pairs détaillant les résultats de cette expérience.
À l'aide d'un pendule de torsion , l' équipe de White a affirmé avoir mesuré 30 à 50 μ N de poussée à partir d'un résonateur à cavité micro - ondes conçu par Guido Fetta dans une tentative de propulsion sans propulseur. En utilisant le même équipement de mesure, une force non nulle a également été mesurée sur un résonateur "nul" qui n'a pas été conçu pour subir une telle force, ce qui suggère une "interaction avec le plasma virtuel sous vide quantique". Toutes les mesures ont été effectuées à la pression atmosphérique, vraisemblablement en contact avec l'air, et sans analyse des erreurs systématiques, à l'exception de l'utilisation d'une charge RF sans l'intérieur de la cavité résonnante comme dispositif de contrôle. Début 2015, Paul March de cette équipe a rendu publics de nouveaux résultats, affirmant des mesures de force expérimentales positives avec un pendule de torsion dans un vide poussé: environ 50 µN avec 50 W de puissance d'entrée à 5,0 × 10 −6 torr , et une nouvelle poussée nulle des tests. Les affirmations de l'équipe n'ont pas encore été publiées dans une revue à comité de lecture, mais uniquement en tant que document de conférence en 2013.
Yu Zhu et Juan Yang affirmaient auparavant avoir mesuré une poussée anormale provenant d'un appareil similaire, en utilisant des niveaux de puissance environ 100 fois plus élevés et en mesurant une poussée environ 1000 fois plus élevée. Un article de suivi a identifié plus tard la source de cette poussée anormale comme une erreur expérimentale.
Expériences actuelles
En 2015, Eagleworks a tenté de collecter des données de performance pour soutenir le développement d'un prototype d'ingénierie de propulseur Q pour les applications de système de contrôle de réaction dans la plage de force de 0,1 à 1 N avec une plage de puissance électrique d'entrée correspondante de 0,3 à 3 kW. Le groupe prévoyait de commencer par tester un article de test remis à neuf pour améliorer les performances historiques d'une expérience de 2006 qui tentait de démontrer l' effet Woodward . La photographie montre l'article de test et le diagramme de tracé montre la trace de poussée d'une cellule de charge de 500 g dans des expériences réalisées en 2006.
Le groupe espère que le test de l'appareil sur un pendule de torsion haute fidélité (1–4 μN à 10–40 W) démontrera sans ambiguïté la faisabilité de ce concept, peut-être via un objectif de test détaillé en orbite (DTO) pour tester le fonctionnement en Cosmos.
Voir également
- Conduite sans réaction
- Propulseur à cavité résonnante RF (EmDrive, Cannae drive)
- Interféromètre à champ de distorsion White – Juday - Un appareil utilisé pour tester de tels entraînements
- Dean drive
- Fusée à photons