Traduction française intégrale des trois textes réunis dans la page d’archives originale : les travaux de Cole et Puthoff sur l’énergie du vide (1993), le « défi du watt » (1994), puis le voyage interstellaire et la métrique de l’espace-temps (1996). Les propos et perspectives temporelles sont ceux des auteurs à ces dates. Les figures et les références bibliographiques sont conservées.
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Note de transcription : les symboles ε et π manifestement perdus dans l’ancienne mise en page ont été rétablis dans les expressions de la permittivité, de la perméabilité et du formalisme THεµ. Les passages dont une équation était portée par une image conservent cette image d’origine. Les titres bibliographiques restent dans leur langue de publication.
Partie 1 :
Extraire de l’énergie et de la chaleur du vide
Physical Review E, vol. 48, n° 2, août 1993. Texte provenant du fichier PDF « PREv48_1562.pdf ».
Daniel C. Cole (IBM Corporation, Essex Junction, Vermont 05452-4299) et Harold E. Puthoff (Institute for Advanced Studies at Austin, Texas 78759-5329). Reçu le 22 mars 1993.
Des propositions relativement récentes ont été publiées pour extraire de l’énergie et de la chaleur du rayonnement électromagnétique de point zéro en utilisant la force de Casimir. Nous analysons et clarifions ici les principes thermodynamiques sur lesquels reposent ces propositions, pour conclure que, oui, elles sont correctes en principe. Nous n’examinons toutefois pas les considérations technologiques liées à leur application et à leur utilisation concrètes.
Numéros PACS : 05.90.+m, 03.65.-w, 05.40.+j, 05.70.-a // 1063-651X/93/48(2)/1562(4)/$06.00, 1993 The American Physical Society.
Il y a près de dix ans, Forward [1] a évoqué la possibilité d’extraire de l’énergie des champs électromagnétiques de point zéro (ZP), dont l’électrodynamique quantique prédit la présence dans tout l’espace. Il a décrit un moyen d’y parvenir au moyen d’un dispositif mécanique constitué d’un conducteur feuilleté chargé. En utilisant la force attractive de Casimir entre les couches métalliques pour vaincre une force électrostatique répulsive, on peut comprimer fortement ce conducteur feuilleté et ainsi stocker une charge possédant une énergie potentielle électrostatique élevée.
Plus récemment, l’un de nous, Puthoff, a de nouveau évoqué la possibilité d’extraire de l’énergie du vide [2], en soulignant également que des estimations prudentes situent la densité d’énergie électromagnétique de point zéro à un niveau égal ou supérieur aux densités d’énergie nucléaire [3]. Puthoff a proposé un moyen potentiellement plus pratique et plus abondant d’extraire cette énergie : une méthode faisant intervenir un plasma chargé. Son exposé comprenait l’idée de produire de la chaleur à partir du vide.
Nous ne discuterons pas davantage ici de la conception de méthodes pratiques qui permettraient de faire du vide une solution viable et économique de remplacement des sources d’énergie plus conventionnelles. Disons seulement qu’il faudrait sans aucun doute déployer un effort technologique considérable pour exploiter convenablement une telle énergie. Nous nous concentrerons plutôt sur la question suivante : le simple fait d’envisager cette source d’énergie possible enfreint-il les lois fondamentales de la thermodynamique ? En particulier, le « vide » doit certainement être considéré comme un état d’équilibre thermique à la température T = 0. Comment peut-on alors extraire de l’énergie, et même produire de la chaleur, à T = 0 ?
Quelques articles relativement récents de l’un de nous, Cole, constituent le point de départ de cette discussion. Ils analysent la thermodynamique des déplacements quasi statiques d’oscillateurs harmoniques dipolaires électriques fluctuants [4–7] et de plaques conductrices parallèles [8]. Ces opérations font intervenir, respectivement, la force microscopique de van der Waals entre systèmes atomiques et la force macroscopique de Casimir entre plaques parallèles. Selon la définition thermodynamique fondamentale de T = 0, aucun transfert de chaleur ne devrait se produire à T = 0 pendant les déplacements quasi statiques de ces systèmes. Pour ces deux systèmes traités dans le cadre de la physique classique, on a effectivement trouvé qu’un seul spectre de rayonnement thermique électromagnétique garantit l’absence de transfert de chaleur : le spectre classique du rayonnement électromagnétique de point zéro, dont la forme spectrale est identique à celle prédite par l’électrodynamique quantique. L’existence de ce rayonnement engendre les forces de van der Waals et de Casimir à T = 0, établissant ainsi un lien étroit entre le spectre requis et les forces qui en résultent.
À première vue, une contradiction paraît inévitable entre l’analyse concluant à « aucun transfert de chaleur à T = 0 » et une « extraction de chaleur à T = 0 ». Elle disparaît cependant dès lors que l’on reconnaît que ces deux affirmations concernent deux types différents d’opérations thermodynamiques.
Les opérations quasi statiques sont thermodynamiquement réversibles : aucun transfert de chaleur ne s’y produit donc à T = 0. En revanche, le processus de production de chaleur décrit dans la référence [2] est thermodynamiquement irréversible ; de la chaleur peut donc être produite, même lorsque la température initiale est T = 0.
L’analyse qui suit couvrira les deux cas, T = 0 et T différent de 0. Bien que les propositions des références [1, 2] n’abordent que le cas très idéalisé T = 0, on peut en effet montrer qu’elles restent valables pour T différent de 0. Comme dans les références [4–8], notre analyse s’appuiera sur des arguments de physique classique.
Le mécanisme de production de chaleur est illustré par l’expérience de pensée suivante. Il s’agit manifestement d’un procédé impraticable, mais qui réunit les éléments nécessaires à la démonstration.
Supposons que l’on dispose d’un grand nombre de condensateurs non chargés à plaques parallèles. Les deux plaques de chaque condensateur seront attirées l’une vers l’autre par les distributions de charges induites, fluctuantes mais corrélées, qui apparaissent dans chacune d’elles sous l’effet des champs fluctuants du rayonnement de point zéro et du rayonnement thermique. Si l’on laisse chaque paire de plaques entrer en collision, une partie de l’énergie cinétique produite sera convertie en chaleur.
Recueillir la fraction utilisable de cette chaleur, écarter chaque paire de plaques utilisée, puis faire entrer en collision la paire suivante constitue donc un moyen de produire de la chaleur. Le « combustible » est ici la réserve de condensateurs ; les condensateurs usagés sont analogues aux gaz d’échappement des moteurs à essence ou aux « déchets » du combustible nucléaire.
Pour approfondir l’analyse, il faut décrire physiquement les systèmes qui entrent en collision. Que nous considérions des matériaux macroscopiques attirés par les forces de Casimir ou des atomes individuels attirés par les forces de van der Waals, d’autres interactions interatomiques doivent être prises en compte lorsque les systèmes se rapprochent beaucoup. Pour éviter ces complications, ne considérons que la situation où deux plaques, ou deux atomes, sont initialement maintenus à distance, puis libérés et enfin « saisis » ou bloqués par une force ou un milieu extérieur avant qu’ils n’entrent en collision.
Après leur libération, les deux systèmes qui s’attirent se déplaceront l’un vers l’autre et acquerront de l’énergie cinétique. Si nous les saisissons ensuite avec des sondes de façon à entraîner le déplacement de celles-ci, ou si une « butée » matérielle placée sur leur trajectoire se déplace quelque peu, un travail sera effectué sur la sonde ou la butée. De même, lors des déplacements quasi statiques des références [4–8], les systèmes déplacés pourraient effectuer un travail sur les sondes si les déplacements suivaient la direction des forces de van der Waals ou de Casimir. Ainsi, on « extrait » de l’énergie en faisant effectuer un travail à ces systèmes.
L’extraction de chaleur est toutefois très différente de l’extraction d’énergie, expression par laquelle nous désignerons désormais précisément le fait de faire produire un travail positif à des systèmes. Lors d’opérations réversibles, telles que celles des références [4–8], un travail est en général effectué soit par les systèmes, soit sur eux. Mais ce n’est que pour T différent de 0 que ces déplacements peuvent aussi produire de la chaleur. Celle-ci consiste ici en une énergie sous forme de rayonnement électromagnétique qui s’écoule hors de la région entourant le système considéré.
À l’inverse, les opérations irréversibles produisent généralement de la chaleur. Lorsque l’on libère deux plaques ou deux particules puis qu’on les arrête avant leur collision, toute leur énergie cinétique n’est généralement pas transformée en travail sur les butées matérielles. Dans le cas hypothétique d’une butée de masse infinie, aucun travail ne serait même effectué. L’énergie cinétique doit alors être convertie en énergie de rayonnement électromagnétique. Le rayonnement émis — ou, plus précisément peut-être, le rayonnement résultant d’interactions avec des éléments qui le rendent aléatoire, comme une particule de carbone idéalisée [9, 8] — constituerait la chaleur quittant le système. Dans un système ouvert, cette énergie s’éloignerait par rayonnement et l’état final serait le même que si nous avions rapproché les particules de manière quasi statique, en effectuant cette fois un travail par le déplacement des butées matérielles qui les maintiennent.
Pour montrer que ces idées ne présentent pas de contradiction, comparons deux expériences de pensée apparentées, constituées respectivement d’une opération irréversible et d’une opération réversible, représentées sur les figures 1(a) et 1(b). Les petits cercles noirs X et Y représentent des systèmes qui peuvent être des plaques conductrices neutres, des particules oscillantes dipolaires ou d’autres systèmes plus complexes attirés l’un vers l’autre par les forces de van der Waals. Les rectangles hachurés représentent les butées matérielles qui les maintiennent en place. La figure 1(a) présente trois butées A, B et C ; la figure 1(b) n’en montre que deux, A et C. Les parties gauche et droite de chaque figure représentent respectivement l’instant initial ti et l’instant final tf des deux opérations étudiées.
Commençons par la figure 1(a). Déplaçons légèrement la butée A vers la gauche, de sorte que le système ne soit plus en équilibre mécanique. On peut supposer que le travail effectué lors de ce déplacement est négligeable. X accélérera ensuite vers Y et augmentera son énergie cinétique jusqu’à heurter B. Si la butée B se déplace peu, ou, plus précisément, si 
est faible, où FB(t) est la force exercée par X sur la butée B à l’instant t et vB(t) la vitesse de cette butée au même instant, alors la majeure partie de l’énergie cinétique sera convertie en énergie électromagnétique. Si la boîte dessinée autour du système représente une enceinte parfaitement conductrice qui retient tout le rayonnement, cette énergie électromagnétique ne peut s’échapper. Imaginons qu’une petite particule de carbone idéalisée soit introduite dans le système : le rayonnement retrouvera alors une forme thermique. La température du système doit donc augmenter au terme de cette séquence.
Effectuons maintenant l’opération réversible de la figure 1(b), en déplaçant la butée A de manière quasi statique : les systèmes X et Y arrivent aux mêmes positions que sur la figure 1(a). Mais, cette fois, un travail de compression ou de configuration a été effectué contre la structure qui maintient X en place ; autrement dit, la forme des « parois de retenue » a changé. Dans la figure 1(a), aucun travail de configuration n’a été effectué : la structure de retenue est restée pratiquement identique entre les instants ti et tf, à l’exception du déplacement infinitésimal de la butée A vers la gauche.
Pour que l’état du système de la figure 1(b) devienne identique à celui de la figure 1(a), il faut maintenant augmenter sa température. On peut le faire de façon réversible en mettant successivement le système en contact avec une série de réservoirs thermiques dont les températures augmentent par incréments infinitésimaux. L’exemple de la figure 1(b) permet ainsi également de calculer la variation nette d’entropie du processus irréversible de la figure 1(a). On l’obtient en additionnant dQ/T sur l’ensemble infini des mises en contact, dQ étant ici un apport de chaleur positif dans la boîte de la figure 1(b). Puisque l’entropie de la région extérieure à la boîte de la figure 1(a) ne change pas, la variation nette d’entropie de l’univers pour l’opération irréversible de cette figure est positive, conformément au deuxième principe de la thermodynamique.
La figure 2 apporte un éclairage supplémentaire. Les lignes hachurées allant des états a à c représentent la contraction libre, adiabatique et irréversible de la figure 1(a), tandis que la ligne sombre de a à b représente la contraction adiabatique réversible de la figure 1(b). Pour que les deux opérations aboutissent au même état c, le système de la figure 1(b) doit être chauffé de manière réversible, comme l’indique l’opération b → c de la figure 2. Si la contraction a → b est effectuée à T = 0, elle se réduit, sur la figure 2(c), au point unique où les courbes Ri et Rf se rejoignent à T = 0, en vertu du troisième principe de la thermodynamique [4, 5, 8]. De même, le trajet a → b de la figure 2(b) doit devenir une droite verticale à T = 0, comme nous le verrons bientôt sur un exemple précis.
La forme précise des courbes de la figure 2 dépendant du système étudié, indiquons brièvement comment les déterminer dans un cas que l’on peut analyser assez en détail. Considérons deux oscillateurs harmoniques dipolaires placés dans une boîte conductrice de volume V, séparés par une distance R suffisamment petite pour que l’interaction de van der Waals non retardée soit dominante. Les expressions de la référence [6] s’appliquent alors :
Pour simplifier encore les expressions, supposons que les oscillateurs soient séparés suivant l’axe x et contraints à osciller uniquement suivant l’axe y. On obtient alors seulement 
; la fréquence propre de résonance correspond au mouvement de la particule oscillante, et e et m désignent respectivement la charge et la masse de cette même particule.
Connaissant Ra, Ta et Rc, on peut déterminer Tc en considérant la contraction libre adiabatique irréversible et en appliquant la conservation de l’énergie : Uint(Ra, Ta) = Uint(Rc, Tc). Pour trouver Tb, avec Rb = Rc, on peut partir de l’état a et suivre le trajet adiabatique réversible a → b en imposant dUint(R,T) = (dW/dR)dR sur chaque portion infinitésimale de ce trajet. On obtient :
Cette expression peut ensuite être intégrée pour déterminer Tb. Comme le laissaient prévoir les références [4] et [6], si T = 0 en a, les équations (3) et (4) donnent dT = 0 sur toute portion du trajet a → b : ce trajet devient donc une droite verticale à T = 0 sur la figure 2(b). Enfin, on peut trouver Td en partant de Tc et en intégrant le long du trajet adiabatique réversible c → d.
Références :
[1] R.L. Forward, Phys. Rev. B30, 1700(1984)
[2] H.E. Puthoff, Specul. Sci. Technol. 13, 247 (1990)
[3] R.P. Feynman and A.R. Hibbs, Quantum Mechanics and Path Integrals (Mc Graw-Hill, New York, 1965), p.245;
voir aussi C.W. Misner, K.S. Thorne, and J.A. Wheeler, Gravitation (Freeman, San Francisco, 1973), p. 1202ff.
[4] D.C. Cole, Phys. Rev. A 42, 1847 (1990).
[5] D.C. Cole, Phys. Rev. A 42, 7006 (1990).
[6] D.C. Cole, Phys. Rev. A 45, 8953 (1992).
[7] D.C. Cole, in Formal Aspects of Electromagnetic Theory, edited by A. Lakhtakia (World Scientific, Singapore, 1993)
[8] D.C. Cole, Phys. Rev. A 45, 8471 (1992).
[9] M. Planck, The Theory of Heat Radiation (Dover, New York, 1959). Cette publication est la traduction anglaise de la deuxième édition de l’ouvrage de Planck intitulé Waermestrahlung, paru en 1913. Une réédition plus récente est The Theory of Heat Radiation, vol. 11 de The History of Modern Physics and Astronomy (AIP, New York, 1989).
SOURCES D’ÉNERGIE ALTERNATIVES : bonnes nouvelles, mauvaises nouvelles et « défi du watt », H. E. Puthoff, Ph.D. Texte provenant du PDF « 1-WattChallenge[1].pdf ».
Institute for Advanced Studies at Austin, Austin, Texas. Présenté au Symposium international sur les nouvelles énergies, Denver, Colorado, du 12 au 15 mai 1994.
RÉSUMÉ
La recherche de sources d’énergie innovantes nous place devant une situation mêlant bonnes et mauvaises nouvelles. Du côté des bonnes nouvelles, de nouveaux domaines de recherche s’ouvrent et font l’objet d’efforts soutenus. Ils vont d’approches relativement classiques du développement de l’énergie solaire à des démarches très novatrices visant à extraire de l’énergie des fluctuations du vide. Du côté des mauvaises nouvelles, malgré des succès revendiqués à des degrés divers, aucun dispositif autonome de cette catégorie — à l’exception des dispositifs solaires — ne démontre encore sans ambiguïté une production nette d’énergie excédentaire faisant consensus dans la communauté scientifique. Nous proposons ici que la crédibilité de ces efforts passe par ce que nous appelons le « défi du watt » : la démonstration d’un dispositif autonome et autoalimenté capable de produire en continu une puissance moyenne excédentaire d’au moins un watt.
Contexte
Dans le domaine des énergies alternatives, les chercheurs tentent de développer des sources d’énergie fondées sur des concepts innovants qui se situent, pour la plupart, en marge des grands courants de recherche et développement énergétiques. Les démarches vont des techniques relativement directes de fusion capillaire aux phénomènes controversés de « fusion froide », en passant par les propositions spéculatives d’extraction d’énergie des fluctuations du vide par des processus de Casimir, ou les revendications de production d’énergie à partir de la trame même de l’espace au moyen de dispositifs magnétiques tournants, par exemple un générateur homopolaire à disque de Faraday. En gardant à l’esprit la formule usée mais néanmoins utile selon laquelle « des affirmations extraordinaires exigent des preuves extraordinaires », nous examinons ici les difficultés rencontrées, tant pour acquérir une crédibilité scientifique que pour obtenir des capitaux adaptés à des investissements à haut risque, et proposons une stratégie pour relever ces défis.
Les bonnes nouvelles
La bonne nouvelle est qu’il existe des théories et des éléments probants, voire des démonstrations, acceptables pour la communauté scientifique conventionnelle, montrant l’existence de nouvelles ressources énergétiques potentielles encore inexploitées. Outre les exemples classiques de l’énergie solaire et de la fusion thermonucléaire, la fusion capillaire et l’extraction d’énergie par effet Casimir viennent à l’esprit. Le domaine des énergies innovantes, considéré dans son ensemble, ne relève donc ni de la pseudoscience ni de la poursuite d’une chimère. Il reste toutefois à prouver que les processus fondamentaux concernés peuvent passer de la démonstration de principe à une maturité technique suffisante pour constituer des ressources énergétiques commercialement viables.
Prenons l’exemple de l’énergie dite de point zéro du vide, ou ZPE, un domaine que notre équipe de l’Institute for Advanced Studies at Austin explore à la fois sur les plans théorique et expérimental. Ces recherches reposent sur le fait que, conformément aux découvertes de la théorie quantique, l’espace vide n’est pas réellement vide : il contient une quantité énorme d’énergie électromagnétique inexploitée, appelée énergie de point zéro [1]. L’expression « point zéro » signifie que cette énergie existe même à la température du zéro absolu, lorsque tout effet thermique a disparu. Cette énergie peut être reliée au rayonnement résultant du mouvement quantique fluctuant des particules chargées réparties dans l’univers [2]. Parmi les conséquences physiques bien connues de cette énergie de fond omniprésente figurent la perturbation des raies spectrales atomiques appelée déplacement de Lamb, les forces d’attraction chimique de van der Waals au zéro absolu et l’effet Casimir, force attractive quantique particulière qui s’exerce entre des plaques métalliques ou diélectriques très proches, ou dans d’autres géométries.
Puisque l’énergie associée à la ZPE est considérée comme pratiquement omniprésente et inépuisable, la question est de savoir si on peut l’« exploiter » à des fins pratiques, c’est-à-dire l’extraire pour produire un travail utile. Il serait naturel de supposer que toute tentative d’extraction de cette énergie de fond enfreint d’une manière ou d’une autre les lois de conservation de l’énergie, ou au moins les contraintes thermodynamiques. Une analyse attentive montre pourtant que ce n’est pas le cas : de l’énergie et de la chaleur peuvent, en principe, être extraites sans violer les principes fondamentaux [3]. Comme l’expliquent certaines publications, de tels processus pourraient déjà se produire dans la nature, au sein de certains phénomènes astrophysiques énergétiques de grande ampleur [4].
Pour les expériences de laboratoire, le mécanisme d’extraction envisagé est l’effet Casimir mentionné plus haut : la force attractive entre plaques rapprochées, engendrée par l’énergie de point zéro. On peut montrer que cette attraction provient du blindage partiel de la région entre les plaques vis-à-vis de la ZPE ambiante, les plaques étant poussées l’une vers l’autre par le déséquilibre des pressions de rayonnement qui en résulte [5]. Comme l’a souligné Forward, des Hughes Research Laboratories, dans son article « Extracting Electrical Energy from the Vacuum… », le rapprochement des plaques fournit une démonstration de principe de l’extraction d’énergie de Casimir : l’énergie potentielle attractive de Casimir, associée au vide, se transforme d’abord en énergie cinétique, puis en chaleur lors de la collision [6]. Dans une autre réalisation envisagée par Forward, les plaques portent des charges électriques de même signe. De l’énergie électrique coulombienne s’accumule alors, car, à faible distance, la force attractive de Casimir, plus forte et variant en 1/d4, surmonte la répulsion coulombienne et rapproche les plaques. Ces exemples mécaniques sont certes peu pratiques pour une production importante et continue d’énergie, mais ils illustrent néanmoins le principe fondamental.
Les expériences de notre laboratoire visent une version de ce processus mettant en jeu un plasma. Nous étudions, en bref, la possibilité d’un effet de pincement de type Casimir qui pourrait contribuer à la formation d’amas de charges de haute densité dans des décharges de micro-arcs. Cette recherche a elle-même conduit notre laboratoire à développer une nouvelle technologie microélectronique brevetée, appelée technologie des charges condensées, ou CCT.
Concernant le processus d’extraction d’énergie qui nous intéresse ici, nous envisageons une « fusion de Casimir » dont le cycle imiterait celui de la fusion nucléaire, sans les sous-produits radioactifs. Comme son équivalent nucléaire, il commencerait par un apport d’énergie à un plasma pour franchir une barrière coulombienne, suivi de la condensation de particules chargées rapprochées par un puissant potentiel attractif à courte portée — ici un potentiel de Casimir plutôt qu’un potentiel nucléaire — avec libération d’énergie sous une forme thermique ou électrique. Si l’énergie nécessaire à la formation du plasma, les pertes du circuit électrique et les autres pertes thermiques restent suffisamment faibles pour dépasser le seuil d’équilibre énergétique, une énergie nette utile serait produite, comme dans le cas nucléaire. Notre laboratoire poursuit les mesures calorimétriques destinées à déterminer si ce processus génère un excédent de chaleur ou d’énergie. Bien que des résultats encourageants aient été obtenus à différentes occasions et dans certaines conditions, tant par calorimétrie que par mesure électrique, un fonctionnement autonome — condition indispensable à la démonstration de l’utilité, comme nous le soutiendrons plus loin — n’a pas encore été atteint.
Outre la solidité scientifique des principes de production de nouvelles énergies, une autre « bonne nouvelle » tient aux occasions que nous avons eues de sonder l’industrie pétrolière et les pouvoirs publics sur leur réaction possible au développement de telles sources. Contrairement à une croyance répandue chez certains, nous avons trouvé peu d’indices laissant craindre leur étouffement.
Dans l’industrie pétrolière, par exemple, nous avons présenté nos travaux aux présidents, vice-présidents ou directeurs de recherche de Pennzoil, Texaco, Tenneco, Marathon Oil et Coastal Oil. Tous semblaient accueillir favorablement le développement de sources d’énergie alternatives, pour une raison simple : si l’industrie pétrolière était déchargée d’une grande partie des besoins énergétiques, ses ressources, qui diminuent rapidement, pourraient être préservées plus longtemps. Elle pourrait alors se concentrer sur les produits pharmaceutiques, les plastiques, les fibres synthétiques, etc., dont les marges sont nettement supérieures. Un dirigeant a comparé l’utilisation actuelle du pétrole pour les transports et les grands besoins énergétiques au fait de « chauffer sa maison en brûlant des Picasso et des Van Gogh ». Il estimait que l’industrie pétrolière deviendrait elle-même une grande utilisatrice des nouvelles technologies énergétiques pour accroître le rendement et réduire les coûts des raffineries.
De même, lors de présentations à diverses administrations, notamment au département de la Défense, au NIST — National Institute of Standards and Technology, anciennement National Bureau of Standards — et à l’Office des brevets, nous n’avons rencontré aucun signe de répression ni d’entrave à nos efforts, seulement des encouragements.
Les mauvaises nouvelles
Bien qu’un certain nombre d’expérimentateurs, dont nous-mêmes, aient le sentiment de progresser régulièrement — parfois moins régulièrement ! — vers de nouvelles sources d’énergie alternatives viables, nous devons reconnaître qu’une démonstration sans ambiguïté d’un modèle fonctionnel reste difficile à obtenir. Pour plaisanter, je dirais qu’une démonstration sans ambiguïté serait si convaincante qu’il faudrait refuser tout nouvel investisseur potentiel. Plus sérieusement, il me semble nécessaire qu’un large consensus établisse que le dispositif considéré : (a) présente un excédent d’énergie utile nettement supérieur à la marge d’incertitude, non attribuable à des sources ordinaires, après examen approfondi par des observateurs indépendants — des accords de confidentialité sont acceptables ; (b) permet de mesurer cet excédent avec des appareils standards utilisés dans leurs conditions normales de fonctionnement ; (c) s’accompagne d’une explication plausible du mécanisme de gain énergétique ; (d) satisfait à une exigence raisonnable de reproductibilité et de réplication indépendantes ; et (e), à mon avis, fonctionne de manière autonome et autoalimentée, au lieu de reposer uniquement sur la comparaison des énergies de sortie et d’entrée — point potentiellement contesté que je défendrai plus loin. Beaucoup diraient que le convertisseur suisse ML satisfait partiellement aux points (a) et (b), ainsi qu’au point (e), mais pas aux points (c) et (d) ; que la « fusion froide » satisfait au point (a), partiellement aux points (b) à (d), mais pas au point (e), et ainsi de suite.
Chacun de ces points mériterait une discussion détaillée, mais j’irai directement à l’essentiel : selon moi, le point (e) est le plus important dans la recherche sur les énergies alternatives. Si la démonstration d’un processus viable exige de mesurer séparément les énergies d’entrée et de sortie puis de les comparer, des objections pourront toujours être soulevées sur les procédures de mesure, et pas seulement par des sceptiques inflexibles. Comme l’a montré la recherche sur la « fusion froide », la calorimétrie est autant un art qu’une science. Dans notre propre laboratoire, nos travaux calorimétriques, avec des appareils sophistiqués automatisés par ordinateur, représentent déjà plusieurs années et des dizaines de milliers de dollars de modifications successives. Nous avons même évalué en détail des calorimètres commerciaux avant de les rejeter comme inadaptés. De même, comme George Hathaway l’explique dans une autre communication de cette conférence, la mesure électrique peut être problématique dans les circuits comportant, par exemple, des décharges par étincelles de forte intensité : pour des impulsions de l’ordre de la nanoseconde, les capacités et inductances parasites peuvent dominer le comportement résistif attendu de la charge. Si, au contraire, on dispose d’une petite quantité d’énergie excédentaire, on peut en principe adapter la fraction nécessaire de l’énergie de sortie pour alimenter l’entrée, en boucle en quelque sorte, et obtenir un fonctionnement autonome ; les controverses sur la mesure perdent alors leur objet. Bien entendu, des raisons légitimes peuvent empêcher de satisfaire immédiatement à cette exigence. Dans nos propres expériences, par exemple, une sortie thermique, même excédentaire, ne permet pas de compenser les pertes de conversion thermoélectrique pour fournir l’alimentation continue à haute tension nécessaire. Nous ne satisfaisons donc pas encore nous-mêmes à cette exigence, mais elle constitue un objectif explicite de nos recherches. Lorsqu’on revendique cependant une énergie de sortie plusieurs fois supérieure à celle d’entrée, rien ne révèle plus vite une éventuelle erreur de mesure qu’une tentative de fonctionnement en boucle ; inversement, rien ne valide aussi rapidement un véritable gain énergétique.
D’autres objections possibles à l’exigence (e) nous paraissent moins convaincantes. On a par exemple avancé que l’auto-excitation évoquait le « mouvement perpétuel » et que les conséquences de cette appellation, notamment pour l’obtention d’un brevet, plaidaient contre son usage. En réalité, ce que nous appelons ici un « mouvement perpétuel de deuxième espèce », dans lequel la conversion d’une énergie provenant d’une source compense les pertes d’un système — condition vraisemblablement nécessaire à une machine à « énergie libre », à moins de découvrir des faits nouveaux indiquant le contraire — est parfaitement acceptable en physique et en ingénierie. Le « mouvement perpétuel » des chutes du Niagara en fournit un bon exemple : grâce au cycle évaporation-pluie, le Soleil apporte l’énergie que nous n’avons pas à payer. Dans nos propres recherches, nous avons ainsi obtenu des brevets parlant de conversion de l’énergie ambiante du vide, plutôt que de production d’énergie « libre ».
Nous avons également entendu l’argument selon lequel une technologie énergétique viable doit fournir des puissances manifestement utilisables, par exemple des kilowatts. Détourner une part importante de la puissance de sortie pour assurer l’auto-excitation, au lieu d’utiliser par exemple une alimentation séparée de faible puissance, irait alors à l’encontre du but recherché : la démonstration de l’utilité pratique en souffrirait, les investissements seraient moins faciles à obtenir, etc. Nous pensons au contraire que, pour tout investisseur potentiel réaliste, l’élimination de l’ambiguïté des mesures compenserait largement la réduction de puissance d’un prototype de démonstration.
Enfin, respecter l’exigence (e) élimine les confusions possibles entre gain « incrémental » et gain « net », difficulté fréquemment rencontrée dans l’évaluation des générateurs homopolaires, par exemple. Nous avons nous-mêmes rencontré ce problème au laboratoire : un générateur homopolaire semble « gaspiller » un certain nombre de watts pour vaincre les frottements et la résistance de l’air, mais, une fois chargé, il ne paraît pas demander autant de puissance supplémentaire à l’entrée qu’il en produit à la sortie. Il est tentant d’en déduire que des améliorations techniques réduisant ces pertes à vide permettront un rendement supérieur à l’unité. Encore faut-il le démontrer, car le rendement des moteurs varie généralement beaucoup avec leurs paramètres de fonctionnement.
La stratégie du « défi du watt »
À la lumière de cette discussion, nous recommandons de chercher la crédibilité des recherches sur les énergies alternatives en relevant ce que nous appelons le « défi du watt » : démontrer qu’un dispositif autonome et autoalimenté peut produire en continu une puissance moyenne excédentaire d’au moins un watt.
Prenons précisément un dispositif qui demande dix watts d’une source extérieure, par exemple une batterie, et produit grâce à cet apport vingt et un watts de chaleur, soit un gain de puissance légèrement supérieur à deux pour un. Supposons qu’on puisse le faire fonctionner autrement en détournant vingt watts de cette sortie vers un convertisseur chaleur-électricité de rendement 50 %, afin de fournir les dix watts nécessaires à l’entrée. Nous soutenons que la réduction de la puissance disponible de vingt et un watts à un watt vaudrait ce sacrifice, puisqu’elle supprimerait l’ambiguïté des mesures et la dépendance à une source d’énergie distincte. À notre connaissance, aucun fonctionnement de ce type n’ayant encore été démontré d’une manière faisant consensus, il s’agit manifestement d’une exigence difficile à satisfaire, même si ce seul watt peut sembler décevant. Si notre communauté de recherche ne s’impose pas collectivement de relever un tel défi — et cela vaut également pour notre équipe —, nous estimons que la crédibilité du domaine risque d’être érodée par de faux espoirs et des affirmations non étayées. Satisfaire à cette exigence fournirait au contraire une base solide pour discuter et présenter la réalité des développements énergétiques que nous souhaitons mener à bien. Et je pense que ce défi peut être relevé.
RÉFÉRENCES
– 1. H. E. Puthoff, « The Energetic Vacuum: Implications for Energy Research, » Spec. in Science and Tech. 13, 247 (1990).
– 2. H. E. Puthoff, « Source of Vacuum Electromagnetic Zero-Point Energy, » Phys. Rev. A 40, 4857 (1989); 44, 3385 (1991).
– 3. D. C. Cole and H. E. Puthoff, « Extracting Energy and Heat from the Vacuum, » Phys. Rev. E 48, 1562 (1993).
– 4. A. Rueda, « Survey and Examination of an Electromagnetic Vacuum Accelerating Effect and its Astrophysical Consequences, » Space Science Reviews 53, 223 (1990).
– 5. P. W. Milonni, R. J. Cook and M. E. Goggin, « Radiation Pressure from the Vacuum: Physical Interpretation of the Casimir Force, » Phys. Rev. A 38, 1621 (1988).
– 6. R. L. Forward, « Extracting Electrical Energy from the Vacuum by Cohesion of Charged Foliated Conductors, » Phys. Rev. B 30, 1700 (1984).
SETI, limite de la vitesse de la lumière et propulsion par distorsion d’Alcubierre : une vue d’ensemble unifiée
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Physics Essays, vol. 9, n° 1, p. 156–158, 1996. H. E. Puthoff, Ph.D.
Résumé
Dans le domaine SETI — recherche d’intelligences extraterrestres —, l’opinion courante veut que la probabilité d’un contact direct par voyage interstellaire soit infime, en raison des distances considérables et de la limite imposée par la vitesse de la lumière. L’analyse récente d’Alcubierre sur la « propulsion par distorsion » [Class. Quantum Grav. 11, L73 (1994)], dans le cadre de la dynamique de la relativité générale, révèle toutefois le caractère naïf de cette hypothèse. Nous montrons ici que le résultat d’Alcubierre constitue un cas particulier d’une approche générale plus vaste, que l’on pourrait appeler « ingénierie de la métrique ». Ses développements renforcent l’idée que le voyage interstellaire en temps réduit, par des civilisations extraterrestres avancées aujourd’hui ou par nous-mêmes à l’avenir, n’est pas fondamentalement interdit par les principes physiques, contrairement à ce que pourrait suggérer une analyse trop simple.
Mots-clés : SETI, vitesse de la lumière, dynamique de la relativité générale, métrique de l’espace-temps, voyage interstellaire, énergie du vide, effet Casimir, ingénierie du vide, propulsion par distorsion, voyage supraluminique.
Les chercheurs du SETI adhèrent habituellement à l’idée que les voyages interstellaires entre civilisations sont extrêmement improbables à cause de la limite de la vitesse de la lumière ; peu de voix expriment une opinion contraire (1, 2).
Il en est résulté, d’une part, une priorité donnée à la recherche de signaux porteurs d’information dans le spectre électromagnétique et, d’autre part, le rejet argumenté, par la communauté scientifique, des éléments présentés comme des traces de visites extraterrestres (3).
Comme l’a récemment montré Alcubierre, rejeter l’idée de voyages hyperrapides, ou supraluminiques, n’est pourtant pas justifié si l’on prend en compte la possibilité de façonner des espaces-temps dynamiques dans le cadre de la relativité générale (4). Alcubierre a plus précisément montré, par un exemple, qu’une déformation déterminée de la métrique locale de l’espace-temps dans la région d’un vaisseau pourrait permettre un déplacement plus rapide que la lumière aux yeux d’observateurs extérieurs à la région perturbée, sans enfreindre à l’intérieur de celle-ci la limite locale de la vitesse de la lumière.
La solution d’Alcubierre montre en outre que l’accélération propre le long de la trajectoire du vaisseau serait nulle et que celui-ci ne subirait aucune dilatation du temps, deux caractéristiques a priori attrayantes pour le voyage interstellaire. Nous présentons ici un point de vue complémentaire qui explicite davantage cette approche en tant que cas particulier d’un concept général d’ingénierie de la métrique. Celui-ci peut être formulé de manière particulièrement compacte, tout en intégrant pleinement la dynamique de la relativité générale.
Pour développer cette perspective, partons de l’apparente limite de la vitesse de la lumière. En tant que concept physique, elle repose sur le fait que la masse et l’énergie s’expriment mathématiquement sous une forme proportionnelle à 1/[1 − (v/c)2]1/2, ce qui implique qu’une quantité infinie d’énergie serait nécessaire pour accélérer une masse jusqu’à la vitesse de la lumière, v = c. L’argument selon lequel cela constitue une limite pratique au voyage interstellaire contient toutefois une hypothèse implicite : c serait une constante de la nature fixe et immuable, comprise de manière immédiate et intuitive. C’est cette hypothèse essentielle que l’approche par ingénierie de la métrique remet en question et redéfinit.
En termes d’ingénierie, la vitesse de la lumière dans l’espace libre est donnée par c = 1/(µ0ε0)1/2. Dans le système mètre-kilogramme-seconde, µ0 = 4π × 10−7 H/m et ε0 = 8,854 × 10−12 F/m désignent respectivement la perméabilité magnétique et la permittivité diélectrique du vide. Affirmer que c est fixe revient donc, fondamentalement, à affirmer que µ0 et ε0 sont fixes et ne peuvent être modifiés par des moyens technologiques. Si, au contraire, ces constantes du vide pouvaient changer de sorte que, dans une région localisée, c prenne une nouvelle valeur, par exemple c′ = 10c, un déplacement dépassant la vitesse conventionnelle de la lumière deviendrait possible sans violer les équations de la physique. Une nouvelle restriction s’appliquerait simplement, faisant intervenir cette vitesse locale plus élevée ; le déplacement resterait à l’intérieur du cône de lumière local, comme le montre en détail l’exemple d’Alcubierre.
Cela peut surprendre le non-spécialiste, mais la possibilité d’une variation de la vitesse de la lumière dans l’espace libre, vue depuis un référentiel éloigné et dans certaines conditions, figure depuis longtemps dans les publications de relativité générale et de physique de l’énergie du vide. Près d’un corps massif, par exemple, la vitesse de propagation diminue d’une quantité proportionnelle au potentiel gravitationnel, résultat noté pour la première fois par Einstein lui-même (5). Entre des frontières conductrices très rapprochées, comme dans les études de l’effet Casimir, on trouve au contraire une augmentation de cette vitesse associée à la réduction de l’énergie des fluctuations du vide entre les plaques (6). En bref, comme le souligne Wesson, c dépend du contexte et n’est pas aussi fondamentale qu’on le pense généralement (7).
Ces variations de c, considérées à travers ses composantes µ et ε, sont couramment traitées sous une forme compacte et conceptuellement simple : le formalisme dit THεµ, utilisé pour comparer les théories gravitationnelles [note 1]. Cette approche repose sur le constat que les équations covariantes de Maxwell, dans un espace riemannien de métrique arbitraire, ont la même forme que les équations vectorielles habituelles de Maxwell dans un milieu matériel à ε et µ variables, ces paramètres étant alors eux-mêmes fonctions de la métrique (8). Ce concept peut aussi être étendu aux théories non métriques ; dans le cadre THεµ, il prend le nom d’« équations de Maxwell modifiées par la gravitation » [note 1]. Le formalisme est complété en exprimant le lagrangien du mouvement des particules sous l’influence des champs électromagnétique et gravitationnel sous une forme canonique faisant intervenir deux fonctions supplémentaires dépendant de la métrique, T et H. Ce formalisme conduit naturellement à l’ingénierie de la métrique, où la familiarité avec les milieux à ε et µ variables peut servir de guide intuitif [note 3 ; référence 8]. Dans les conditions ordinaires, les effets des variations des valeurs de µ et ε dans le vide, et donc de c, sont généralement infimes. Ils indiquent néanmoins la possibilité, dans des conditions extraordinaires, d’une « ingénierie du vide », selon l’expression du prix Nobel T. D. Lee (9). La propulsion par distorsion d’Alcubierre, reformulable dans le cadre THεµ, en fournit un exemple particulièrement concis. D’autres espaces-temps dotés de propriétés souhaitées peuvent être construits dans ce cadre [note 4].
La conclusion à tirer de l’étude des effets contrôlés sur la métrique et l’énergie du vide est donc la suivante : avec des moyens technologiques suffisamment avancés pour paraître aujourd’hui « magiques » — selon l’expression d’Arthur C. Clarke à propos d’une civilisation technologique très avancée —, des déplacements dépassant la vitesse conventionnelle de la lumière pourraient se produire sans violation des lois physiques fondamentales. Ajoutons qu’en principe cela pourrait être réalisé sans recourir à des concepts aussi extrêmes que la traversée de trous de ver (10). Il faudrait toutefois, à l’évidence, des états exotiques de matière ou de champ, par exemple des états macroscopiques du vide à densité d’énergie négative de type Casimir. La possibilité de voyages interstellaires en temps réduit, pour des civilisations extraterrestres avancées aujourd’hui ou pour nous-mêmes à l’avenir, n’est donc pas fondamentalement exclue par les principes physiques.
Remerciements
Je tiens à remercier le Fetzer Institute, à Kalamazoo, dans le Michigan, pour son soutien à ce travail.
Notes de fin
1. A. P. Lightman et D. L. Lee, Phys. Rev. D 8, 364 (1973). Voir également C. M. Will, Phys. Rep. 113, 345 (1984), pour une synthèse ultérieure. Des extensions de l’approche de Lightman et Lee — charges ponctuelles interagissant classiquement avec les champs électromagnétique et gravitationnel — à l’analyse quantique des horloges atomiques et au modèle standard des interactions fondamentales, électrofaible et forte, sont données respectivement dans C. M. Will, Phys. Rev. D 10, 2330 (1974), et J. E. Horvath, E. A. Logiudice, C. Riveros et H. Vucetich, Phys. Rev. D 38, 1754 (1988).
2. Dans l’approche THεµ, les fonctions T et H sont introduites en exigeant que le lagrangien décrivant le mouvement de particules chargées sous l’action conjointe de la gravitation et du champ électromagnétique Ai soit exprimé sous la forme canonique :
L = Ldt = [−m0(T − Hv2)1/2 + eAivi]dt,
où T et H, ainsi que ε et µ, sont des fonctions de la métrique, c’est-à-dire d’un potentiel gravitationnel U. Pour la théorie standard considérée ici, une théorie métrique, les quatre fonctions THεµ sont liées par ε = µ = (H/T)1/2. Afin de faciliter la comparaison d’un large éventail de théories gravitationnelles — scalaires, vectorielles, tensorielles, scalaires-tensorielles, métriques et non métriques —, on obtient généralement la forme requise du lagrangien en se limitant à des champs gravitationnels statiques à symétrie sphérique. Lightman et Lee soulignent néanmoins que l’approche THεµ est suffisamment générale pour que tous les résultats restent valables « même si U est une fonction arbitraire de la position, indépendante du temps » [note 1]. Pour une théorie métrique standard bien définie du type étudié ici, la généralisation à des conditions non symétriques peut donc être effectuée au cas par cas sans difficulté excessive.
3. Pour une discussion détaillée et explicite des isomorphismes entre les milieux à ε et µ variables et les théories métriques de la relativité générale, voir R. H. Dicke, Rev. Mod. Phys. 29, 363 (1957). Voir également la version modifiée et corrigée de R. H. Dicke, « Mach’s Principle and Equivalence », Proceedings of the International School of Physics « Enrico Fermi », cours XX, Evidence for Gravitational Theories, sous la direction de C. Moller (Academic Press, New York, 1961), p. 1.
4. Une étude détaillée de l’exemple de propulsion par distorsion d’Alcubierre dans un cadre de type THεµ est en préparation, en vue d’une publication.
Références
– 1. T.B.H. Kuiper et M. Morris, Science 196, 616 (1977).
– 2. J.W. Deardorff, Q. J. R. Astron. Soc. 27, 94 (1986).
– 3. Voir, par exemple, F. Drake and D. Sobel, Is Anyone Out There? The Scientific Search for Extraterrestrial Intelligence (Delacorte, NY, 1992).
– 4. M. Alcubierre, Class. Quantum Grav. 11, L73 (1994); voir aussi I.A. Crawford, Q. J. R. Astron. Soc. 36, 205 (1995).
– 5. A. Einstein, Ann. Phys. 35, 898 (191 1).
– 6. K. Scharnhorst, Phys. Lett. B 236, 354 (1990).
– 7. P. Wesson, Space Sci. Rev. 59, 365 (1992).
– 8. A.M. Volkov, A.A. Izmest’ev, and G.V. Skrotskii, Sov. Phys. JETP 32, 686 (1971).
– 9. T. D. Lee, Particle Physics and Introduction to Field Theory (Harwood Academic, London, 1988), p. 826.
– 10. M. Morris, K. Thorne, and U. Yurtsever, Phys. Rev. Lett. 61, 1446 (1988).
H. E. Puthoff, Institute for Advanced Studies at Austin, 4030 Braker Lane W., n° 300, Austin, Texas 78759-5329, États-Unis, puthoff@aol.com.
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