Weizmann (Israël) : le rayon tracteur de Star Trek pourrait exister

[:fr]Dans la nature, les vagues comme celles des océans débutent par des oscillations locales dans l’eau, qui s’étendent de manière ondulatoire, à partir de leur point d’origine. Mais les fans de la série télévisée Star Trek se rappellent sûrement une autre sorte de modèle de vagues : le « rayon tracteur ». Si elle existait vraiment, la technologie du rayon tracteur serait basée sur des ondes allant dans la direction opposée, convergeant de loin dans l’espace vers leur point d’origine. Dans cette série télévisée, le vaisseau spatial imaginaire Enterprise émettait un rayon tracteur, tel un lasso de cow-boy, pour qu’il se fixe sur un objet flottant dans l’espace, et l’attire vers le vaisseau.

Le Pr Gregory Falkovich, du département des Systèmes complexes, a travaillé avec le groupe de recherche du Pr Michael Shats de la National University of Australia (à Canberra), et ils ont récemment montré que cette idée pourrait bien ne pas être que de la science-fiction.

En fait, le concept de base a ses racines dans une recherche de George Stokes, physicien et mathématicien anglais du XIX^e siècle, qui a étudié en détail la physique des vagues. Pour cela, il a placé de petites sphères dans des liquides et a observé leur mouvement dans les ondulations. A l’époque, la théorie généralement acceptée voulait que si une onde est très petite, une sphère minuscule la chevauchant se déplace dans un cercle fer mé. Stokes a découvert que ce mouvement sphérique n’était pas exactement un cercle fermé. Au contraire, il trace une spirale qui s’enroule vers l’intérieur. Cette idée, connue aujourd’hui sous le nom de « dérive de Stokes » a été considérée comme essentiellement théorique. On pourrait réussir à créer les conditions nécessaires en laboratoire, mais il serait difficile, dans la nature, de trouver des ondes assez petites pour pouvoir présenter la dérive de Stokes.

Les collaborateurs du Pr Falkovich, aidés par des technologies d’observation du XXI^e siècle, sont revenus aux expériences de Stokes pour observer les particules qui se déplacent dans des ondes de lumière très petites. Ils ont eu la surprise de découvrir qu’une représentation tridimensionnelle du trajet de ces particules ressemble à celui d’un ivrogne qui veut rentrer chez lui. Mais, dans leur recherche collaborative, les chercheurs ont montré que, non seulement ce mouvement n’est pas aléatoire, mais qu’il est prévisible et peut même être planifié à l’avance.

Après avoir compris cela, les chercheurs ont démontré le principe en utilisant deux tourbillons contrôlés de liquide. Entre eux une vague s’écoulait « en marche arrière » vers le point d’origine des oscillations qui l’avaient provoquée. Une partie des chercheurs de ce groupe ont déjà pris en considération la possibilité de créer dans l’eau des « rayons tracteurs » qui pourraient, par exemple, se jeter sur des bateaux pirates dans l’océan Indien et seraient capables de les attirer. Des idées plus modestes (mais toujours pour l’avenir) comprennent l’utilisation de ces vagues pour nettoyer la pollution de l’océan.[:en]In nature, waves such as those in the ocean begin as local oscillations in the water that spread out, ripple fashion, from their point of origin. But fans of the television series Star Trek will recall a different sort of wave pattern: the tractor beam. Tractor beam technology, if it were to exist, would be based on waves that go in the opposite direction, converging from out in space onto the point of origin. In the show, the Starship Enterprise would send out a tractor beam, like a cowboy’s lasso, to latch onto an object floating in space and pull it back toward the ship.

Prof. Gregory Falkovich of the Physics of Complex Systems Department, working together with the research group of Prof. Michael Shats of the Australian National University, Canberra, recently showed that the idea may not be all science fiction.

In fact, the basic concept is rooted in the research of a 19^th century English physicist and mathematician, George Stokes, who examined the physics of waves in great detail. To do so, he placed small spheres in liquid and observed their movement in the fluid ripples. At the time, the prevailing theory held that if a wave was very small, a tiny sphere riding it would move within a closed circle. Stokes discovered that the sphere’s path would not be quite a closed circle. Instead, it would trace an inward-flowing spiral. This idea, which became known as “Stokes drift,” was assumed to be mostly theoretical. One might be able to create the conditions in a lab, but it would be hard, in nature, to find waves small enough to exhibit Stokes drift.

Falkovich’s collaborators, aided by observation technologies of the 21^st century, returned to Stokes’ experiments to observe the particles that move in very small waves of light. They discovered, to their surprise, that a three-dimensional representation of the particles’ path is something like that of a drunken man making his way home. But, in their collaborative work, the researchers showed that not only is this movement not random, it is predictable and can even be planned out ahead of time.

Using this insight, the scientists demonstrated the principle using two controlled fluid vortices. Between them a wave flowed “backward” to the point at which the oscillations that created it originated. Some of the scientists in the group are already envisioning the creation of “tractor beams” in water that could, for example, latch onto pirate ships in the Indian Ocean and pull them in. More modest ideas (though still in the future) include using these waves to clean up pollution in the ocean.[:]