Как искривить свет без черной дыры: удивительные свойства фотонных кристаллов

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Оффтопик

Свет — одно из самых удивительных и загадочных явлений природы. Он может распространяться в вакууме, отражаться от зеркал, преломляться в линзах, дифрагировать на решетках, интерферировать на экранах и даже изгибаться под действием гравитации. Это последнее свойство света было предсказано Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности и подтверждено многочисленными наблюдениями астрономов. Однако, чтобы наблюдать гравитационное линзирование света, необходимы огромные массы, такие как галактики или черные дыры, которые искривляют пространство-время вокруг себя.

Автор: Bing image creator

Но что если можно создать аналогичный эффект на много меньшем масштабе, используя специальные кристаллы? Это исследовали японские физики в своей новой статье, опубликованной в журнале Physical Review A. Они использовали так называемые фотонные кристаллы — наноструктуры, состоящие из двух или более материалов с разным показателем преломления, упорядоченных в периодический рисунок. Такие кристаллы могут замедлять свет при прохождении через них и изменять его направление. Если же искажать структуру кристалла, то можно добиться того, что свет будет отклоняться так же, как если бы он проходил рядом с черной дырой. Это явление получило название псевдогравитации.

Как это работает?

Автор: Bing image creator

Дело в том, что свет всегда движется по самому короткому пути в пространстве-времени, который называется геодезической линией. В плоском пространстве-времени эта линия является прямой, но в искривленном пространстве-времени она может быть изогнутой. Гравитация искривляет пространство-время, поэтому свет отклоняется от своего первоначального направления. Фотонные кристаллы также создают эффективное искривление пространства-времени для света, но не за счет массы, а за счет изменения показателя преломления. Если ввести искажение в кристаллическую решетку, то можно симулировать различные гравитационные сценарии.

Чтобы продемонстрировать это, ученые изготовили фотонный кристалл из кремния и деформировали расстояние между его элементами. Затем они направили на кристалл пучок света и наблюдали его отклонение. Оказалось, что свет изгибается так же, как если бы он проходил рядом с черной дырой. Экспериментальные результаты хорошо согласовались с теоретическими расчетами.

Зачем нужно создавать псевдогравитацию?

Один из ответов — для изучения гравитации самой по себе. Это одна из самых сложных и не до конца понятых сил природы, которая не поддается объединению с квантовой механикой. Возможно, фотонные кристаллы могут помочь в поиске теории квантовой гравитации, которая объяснила бы поведение гравитона — гипотетической частицы, переносящей гравитационное взаимодействие.

Другой ответ — для развития технологий, основанных на управлении светом. Например, фотонные кристаллы могут быть использованы для создания устройств, работающих в терагерцовом диапазоне частот. Это может открыть новые возможности для беспроводной связи, сканирования, диагностики и безопасности. Так называемая 6G-технология будет требовать передачи информации на сверхвысоких скоростях, и псевдогравитация может помочь в этом.

Таким образом, фотонные кристаллы — уникальный материал, который позволяет имитировать гравитационное линзирование света на наноуровне. Это открывает новые горизонты для физики и техники, а также для познания самой природы.

15 комментариев

A
Замедление времени возле массивного объекта вроде черной дыры — эффект того самого кривого пространства-времени. Можете считать, что«время искривилось».
A
Тензорный анализ знаете? Поймете, если скажу, что легче всего объяснить, глядя на недиагональные элементы метрического тензора?
d
Коллега видимо подразумевает что время одномерно и поэтому искривлено быть не может. Только замедлено или ускорено. В одномерном случае ваш метрический тензор вырождается в простое число (которое описывает ускорение/замедление). И никаких недиагональных элементов )) Вот пространство-время — совсем другой случай.
105800076111278457343@google
Скажите, а Земля у вам часом не круглая? А то некоторые мэтры когда-то давно придумали неудобную круглую Землю, с которой парадоксальным образом ничего не сваливается, с тех пор мучаемся
105800076111278457343@google
Что же это за космические объекты такие, которые мало того что зачем-то разрушаются, так ещё и каждый раз идеальным образом, так что получаются именно круглые планеты, а не треугольные и не додекаэдры? И страшно подумать, что должно разрушиться, чтобы получилась идеально круглая Бетельгейзе…
105800076111278457343@google
На вопрос о том, что за гигантские космические объекты такие, и почему они разрушаются, ответа пока не последовало. Но уже назрел другой вопрос: из чего же состоят ядра звёзд, планет и спутников? Неужели из антиматерии? Кроме того, если именно это нечто единственное может притягивать материю, то надо ли додумывать разрушение неведомых объектов как причину рождения планет? Легко вообразить, что звёзды и планеты рождаются потому что материя притягивается к этому нечто, которое становится их ядром, то есть получаем рождение космических объектов в результате налипания материи на источник гравитации. Осталось чуть исправить схему и признать что гравитация есть производная массы, а значит более массивные объекты неизбежно липнут к менее массивным. Вот и классическая космология, без необходимости выдумывать гигантские разрушающиеся объекты и неведомый состав звёздных ядер. Чем она вам кстати не приглянулась? Или просто хочется переспорить мэтров не вставая с дивана, а поиск истины здесь вообще ни при чём?
d
«Кривого» времени, конечно, нет, как и «прямого». Время — это переменная, управляемая величина. А вообще, это еще одна координата в 4-мерном пространстве, которая у нас воспринимается как время. Это необходимо для нашей эволюции. А для сущностей в 4-мерном пространстве, время лишь еще одна координата и они видят дальнейшее развитие какой-либо ситуации и могут через вещие сны предупредить о грядущей опасности. Представьте себе толстую книгу перед вами. Вы ее быстро перелистываете и у вас возникает мелькание перед глазами, возникает как бы иллюзия движения, так же и в пространстве — 3-мерный мир проходит сквозь мгновенные срезы 4-мерного пространства. Все мерности (миры) едины и подчиняются единой, стройной системе Канонов Вечности. Всё это и многое другое можно подробно прочитать в 20-летнем труде от Создателя под названием «Откровения людям Нового Века».
S
Линзы и зеркала не искривляют, а преломляют и отражают свет. То есть свет распространяется по ломаной траектории. А тут в статье речь о том, как заставить свет распространяться по кривой траектории. Кстати, при гравитационном линзировании, как мне кажется, это не луч света «закругляется», а само пространство искажается. Нет?
P
Во-первых, фотоны двигаются не только по прямой. Почитайте Фейнмана «КЭД. Странная теория света и вещества». Во-вторых, называть эффект замедления фотонов в фотонном кристалле псевдогравитацией это как бы не очень правильно. Хотелось бы почитать первоисточник, конечно, потому как возможны варианты перевода, но что-то подсказывает мне, что речь там шла совсем о другом.
102976506796884933242@google
Почитайте первоисточник, ссылка на первоисточник в тексте
P
В тексте ссылка на научпопную интерпретацию, вы путайте кислое с круглым. Ссылка на первоисточник вот: https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.033522. На работе почитаю, там доступ к журналам APS есть. Журнал в принципе не плохой, ересь редко публикуют, но броские названия всегда настораживают. Недавно тут одни уже RT-сверхпроводники выкатывали, а потом оказалось, что маленько ошиблись в эксперименте. Читать статью надо и внимательно.
AnotherStranger
Во-первых, фотоны двигаются не только по прямой.

Фотоны всегда «двигаются»(если рассматривать его как частицу для которой не существует времени) по прямой, это только для нас гравитация искажет движение фотона, со своей же точки зрения он летит всегда только по прямой.
P
Со своей точки зрения фотон вообще никуда не летит. Но в данной статье рассматривается эффект не с точки зрения фотона, правда? Тем более что тут влияние оказывается на фотон как на волну, а не как на частицу. Переменный шаг решётки фотонного кристалла влияет на коэффициент преломления, соответственно для волны данной длины он (фотонный кристалл с переменным шагом) может начинаться как абсолютно прозрачный и заканчиваться абсолютным зеркалом. Соответственно, при правильной морфологии (а сходите по ссылке выше, там видно, что ребята кристалл делали с изменением шага под углом к нормали падающего излучения), при плавном увеличении шага будет наблюдаться отклонение от прямолинейного распространения света. Ну и если длину волны подобрать правильно, то эффект будет сильно выраженным. В этой работе интересно не то, что они свет отклонили, а как они такой кристалл сделали, потому как его и с постоянным шагом без дефектов фиг вырастишь, а с переменным это прямо высший пилотаж. Ну и естественно никакой гравитации и чёрных дыр там и близко не стояло, но своего они добились- сидим вот и обсуждаем их работу. А написали бы «отклонение сигнала террагерцового диапазона в фотонном кристалле на основе диоксида кремния» и никто бы про них не вспомнил никогда.
AnotherStranger
Физика другая — наблюдаемый эффект тот же. По мне так занятное исследование.

Добавить комментарий