نگاهی به پالس های نوری شتاب‌دار در فضای خمیده

فیزیک‌دان‌ها توانستند با استفاده از تابش لیزر در یک حباب لامپ پرتو‌افکن، اولین تعریف تجربی در مورد پالس‌ها‌ی نوری شتاب‌دار خمیده را ارائه دهند. همان‌گونه که پرتو لیزری در یک مسیر ژئودسیک (کوتاه‌ترین مسیر در یک فضای خمیده) حرکت می‌کند، در‌نتیجه‌ی شتاب خود، همین مسیر را به‌صورت خمیده می‌پیماید.

به‌تازگی پالس‌ها‌ی نوری شتاب‌دار در فضا‌ی تخت مورد بررسی قرار گرفته‌اند، به‌طوری که در‌نتیجه‌ی این شتاب، پالس نوری مسیر تخت را به‌صورت خمیده می‌پیماید. بررسی مسیر نور شتاب‌دار روی یک سطح خمیده، احتمالات بیش‌تری را برای ما نمایان خواهد کرد. این پدیده با نسبیت عام توضیح داده می‌شود. برای مثال این پدیده به‌وسیله‌ی لوازم اپتیکی در آزمایشگاه، بررسی می‌شود.

فیزیک‌دان‌ها‌ی مؤسسه‌ی تکنولوژی تخنیون، آناتولی پاتسیک، میشل بندرس و موردسیا سگو، به همراهی ریوکا بکنشتایند از دانشگاه هاروارد، مقاله‌ای در مورد پالس‌ها‌ی نوری شتاب‌دار در فضا‌ی خمیده در مجله‌ی Physical Review X منتشر کردند. پاتسیک در مصاحبه‌ای با Phys.org گفت: 

این کار در‌ها‌ی جدیدی در زمینه‌ی مطالعه‌ی پالس‌ها‌ی نوری شتاب‌دار باز می‌کند. تا‌به‌حال پالس‌ها‌ی نوری شتاب‌دار، تنها در فضا‌ی تخت بررسی شده‌اند و در این کار، پالس‌ها‌ی نوری شتاب‌دار در یک فضای خمیده بررسی می‌شوند.

در این آزمایش، پژوهشگران یک پالس لیزری معمولی را با بازتاب از یک جداکننده‌ی فضایی (Spatial modulator)، به پالس لیزری شتاب‌دار تبدیل می‌کنند. طبق توضیح پژوهشگران، این کار محدودیتی بر طول‌ موج پالس نوری اعمال می‌کند. در‌نتیجه‌ی این عمل، علاوه بر شتاب‌دار شدن پالس نوری، ساختار طول‌ موجی آن نیز محبوس می‌شود؛ به این معنی که هنگام انتشار موج در یک محیط خمیده، هیچ قسمتی از این موج به بیرون انتشار پیدا نمی‌کند. این در حالی است که امواج عادی می‌توانند از محیط انتشار‌گر به بیرون نشر کنند. پس از این، پالس‌ها‌ی نوری به یک حباب لامپ ملتهب هدایت می‌شوند. این لامپ ملتهب برای پراکنده کردن این امواج طراحی شده است تا انتشار آنها را قابل دیدن کند.

زمانی‌که نور از محیط این لامپ ملتهب عبور می‌کند، پالس نوری شتاب‌دار از مسیر ژئودسیک خود منحرف می‌شود. برای مقایسه، پژوهشگران یک پالس نوری بدون شتاب را به محیط لامپ ملتهب وارد کردند و مشاهده کردند که این پالس نوری بدون انحراف از مسیر مستقیم، به راه خود ادامه می‌دهند. پژوهشگران توانستند با مقایسه‌ی مسیر پالس نوری در این دو آزمایش، شتاب پالس نوری شتاب‌دار را تخمین بزنند.

با این‌که شتاب پالس نوری، زمانی که در یک محیط تخت حرکت می‌کند با پهنای پالس تخمین زده می‌شود، پژوهش‌ اخیر نشان داده است که شتاب پالس نوری با دو پارامتر پهنای پالس و خمیدگی محیط لامپ ملتهب اندازه‌گیری می‌شود. در نتیجه، مسیر پالس نوری با توجه به خمیدگی محیط لامپ، به‌صورت دوره‌ای تغییر می‌کند.

شتاب‌دار کردن پالس‌ها‌ی نوری استفاده‌های زیادی می‌تواند داشته باشد؛ از جمله این‌که می‌توان از آن برای تحقیق نسبیت عام استفاده کرد. پاتسیک گفت: 

معادلات اینشتین در مورد نسبیت عام در کنار دیگر مسائل، تحولات امواج الکترومغناطیسی در محیط خمیده را توضیح می‌دهد. نسبیت عام و معادلات انشتین توضیح می‌دهد که تحولات امواج الکترومغناطیس در محیط خمیده، با انتشار این امواج در محیطی با پارامتر‌ها‌ی الکتریکی و مغناطیسی متغیر، معادل است. این آغازی برای شناخت پدیده‌ها‌ی مربوط به نسبیت عام به‌وسیله‌ی امواج الکترومغناطیسی است. از جمله‌ی این پدیده‌ها، عدسی گرانشی، حلقه‌ها‌ی انشتین و انتقال به سرخ و انتقال به آبی گرانشی را که در گذشته و حال مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، می‌توان نام برد.

از نتایج به‌دست‌آمده می‌توان در تکنیک‌ها‌یی برای کنترل نانو‌ذرات موجود در رگ‌ها‌ی خونی استفاده کرد. پالس‌ها‌ی پلاسمایی شتاب‌دار ( در آن‌ها به‌جای نور از نوسانات پلاسما استفاده می‌شود) می‌توانند برای انتقال توان از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر در یک محیط خمیده استفاده شوند. پژوهشگران قصد دارند این امکانات را در آینده بیش‌تر بررسی کنند. پاتسیک گفت:

ما اکنون در حال بررسی انتشار امواج در محیط خمیده‌ی باریک‌تر هستیم. ما همچنین پدیده‌ها‌ی خطی و غیر‌ خطی موجی را بررسی می‌کنیم.