Как искривить свет без черной дыры: удивительные свойства фотонных кристаллов
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.

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?

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
Добавить комментарий
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.
Добавить комментарий