Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Μια νέα, επαναστατική ανακάλυψη έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αγγίξουν το «αδύνατο». Μια νέα μορφή συνθετικής κίνησης δίνει πρόσβαση σε «αδύνατες» ταχύτητες, ταχύτερες από το φως, σε πειραματικό περιβάλλον.
- Η μηχανή συνθετικής κίνησης βασίζεται σε ραδιοσυχνότητες που διαμορφώνονται γύρω από μια δακτυλιοειδή δομή για να δημιουργήσουν την ψευδαίσθηση της κίνησης. Αυτή η προσομοίωση δεν δεσμεύεται από φυσικούς περιορισμούς, επιτρέποντας την επίτευξη απίστευτων ταχυτήτων.
- Η ομάδα του CUNY αντλεί την έμπνευσή της από το έργο του Σερ Ρότζερ Πένροουζ για τις μαύρες τρύπες και την ενίσχυση κυμάτων. Το έργο έχει προεκτάσεις για την πρόοδο της θεμελιώδους επιστήμης, των επικοινωνιών, της οπτικής και των κβαντικών συστημάτων.
Η ταχύτητα του φωτός αποτελούσε ανέκαθεν το απόλυτο και απαραβίαστο όριο του σύμπαντος για τη σύγχρονη επιστήμη.
Μια νέα, επαναστατική ανακάλυψη όμως έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αγγίξουν το «αδύνατο». Μια νέα μορφή συνθετικής κίνησης, η οποία αναπτύχθηκε στο Πανεπιστήμιο City της Νέας Υόρκης (CUNY), δίνει στους φυσικούς πρόσβαση σε «αδύνατες» ταχύτητες, ταχύτερες από το φως, σε πειραματικό περιβάλλον.
Μέχρι πρότινος, η μόνη επιλογή των ερευνητών για την εξερεύνηση τέτοιων ακραίων φαινομένων της φυσικής ήταν οι προσομοιώσεις, καθώς οι συγκεκριμένες επιδράσεις στον πραγματικό κόσμο δεν μπορούσαν να μελετηθούν σε πρακτικό επίπεδο.
Σε πρόσφατη δημοσίευσή τους στο περιοδικό Nature, επιστήμονες από το Κέντρο Προηγμένων Επιστημονικών Ερευνών (ASRC) του CUNY αποκάλυψαν τη νέα τους τεχνική ενίσχυσης κυμάτων, η οποία προσομοιώνει την κίνηση χωρίς καμία απολύτως φυσική μετακίνηση.
Η μηχανή συνθετικής κίνησης βασίζεται σε ραδιοσυχνότητες, οι οποίες διαμορφώνονται γύρω από μια δακτυλιοειδή δομή για να δημιουργήσουν την ψευδαίσθηση της κίνησης.
Ακραίες μαύρες τρύπες
Η ομάδα του CUNY αντλεί την έμπνευσή της από το έργο του Σερ Ρότζερ Πένροουζ πριν από περισσότερα από πενήντα χρόνια, όταν ο επιστήμονας πρότεινε ένα σενάριο στο οποίο ένα σωματίδιο θα μπορούσε να απορροφήσει ενέργεια από μια μαύρη τρύπα.
Οι μετρήσεις της συμπαράσυρσης του χωροχρονικού πλαισίου (frame-dragging), οι οποίες αφορούν την έλξη που ασκείται στον χωροχρόνο γύρω από το όριο της εξαιρετικά ταχείας περιστροφής μιας μαύρης τρύπας, έχουν βρεθεί στο επίκεντρο της αστροφυσικής τα τελευταία χρόνια.
Ο Πένροουζ ενδιαφερόταν για την περιοχή όπου συμβαίνει αυτή η έλξη, γνωστή ως εργόσφαιρα. Ο ίδιος υποστήριξε ότι ένα σωματίδιο που εισέρχεται στην εργόσφαιρα ενδέχεται να κομματιαστεί στα δύο· το ένα κομμάτι θα έπεφτε μέσα στη μαύρη τρύπα, ενώ το μισό που θα διέφυγε θα περιείχε ακόμη μεγαλύτερη ενέργεια από το αρχικό σωματίδιο.
Ένας άλλος φυσικός, ο Γιάκοβ Ζέλντοβιτς (Yakov Zel’dovich), βασίστηκε στο έργο του Πένροουζ για να περιγράψει μια πιο γενικευμένη εκδοχή αυτού του φαινομένου. Προέβλεψε ότι ένα αντικείμενο που περιστρέφεται επαρκώς γρήγορα θα μπορούσε να μεταφέρει ενέργεια σε ένα κύμα, ενισχύοντάς το.
Μια μηχανή συνθετικής κίνησης
Στην προσπάθειά τους να μελετήσουν πώς ένα περιστρεφόμενο σώμα μπορεί να ενισχύσει ένα κύμα, οι ερευνητές δημιούργησαν μια συσκευή ραδιοσυχνοτήτων που προσομοιώνει την κίνηση περιστροφής.
Το κρίσιμο στοιχείο είναι ότι αυτή η προσομοίωση δεν δεσμεύεται από τους φυσικούς περιορισμούς της κίνησης, επιτρέποντας την επίτευξη απίστευτων ταχυτήτων που ξεπερνούν κάθε μηχανική δυνατότητα παραγωγής και ανοίγοντας νέες πειραματικές προοπτικές.
«Η προσέγγισή μας διευκολύνει μια νέα μέθοδο αλληλεπίδρασης κυμάτων-ύλης, στην οποία κύματα με επιλεγμένες ιδιότητες περιστροφής αντλούν ενέργεια από μια συνθετική, χρονικά τροποποιημένη περιστροφή, παράγοντας μια μορφή επιλεκτικής ενίσχυσης ευρέος φάσματος», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Αντρέα Αλού (Andrea Alù), Διακεκριμένος Καθηγητής, Καθηγητής Φυσικής στην έδρα Einstein του CUNY Graduate Center και ιδρυτικός διευθυντής της Πρωτοβουλίας Φωτονικής του CUNY ASRC.
«Το επιτυχημένο πείραμα μεταφέρει τις ιδέες για την ακραία περιστροφική δυναμική από τη θεωρία στην πράξη και δημιουργεί μια ευέλικτη πειραματική πλατφόρμα για την εξερεύνηση ενός ευρέος φάσματος φαινομένων στη διασταύρωση της αστροφυσικής, της κυματικής φυσικής και της κβαντικής επιστήμης», δήλωσε η επικεφαλής συντάκτρια της μελέτης Χαντισέ Νασαρί (Hadiseh Nasari), μεταδιδακτορική ερευνητική συνεργάτιδα στην Πρωτοβουλία Φωτονικής του CUNY ASRC.
«Το έργο αυτό έχει προεκτάσεις για την πρόοδο τόσο της θεμελιώδους επιστήμης όσο και των επικοινωνιών, της οπτικής και της φωτονικής».
Προσομοίωση της κίνησης
Για τις ανάγκες του έργου, η ομάδα του CUNY κατασκεύασε έναν δακτύλιο από δικτυωμένους ηλεκτρονικούς συντονιστές, των οποίων οι ιδιότητες μεταβάλλονταν γρήγορα σε μια με ακρίβεια χρονισμένη αλληλουχία, παράγοντας ένα μετακινούμενο μοτίβο γύρω από τον δακτύλιο.
Η ίδια η συσκευή παραμένει ακίνητη, ωστόσο το μεταβαλλόμενο μοτίβο ανάγκασε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα να αντιδράσουν σαν η συσκευή να περιστρεφόταν με την ταχύτητα του μοτίβου.
«Κύματα με τα κατάλληλα περιστροφικά χαρακτηριστικά άντλησαν ενέργεια από το σύστημα και ενισχύθηκαν, αναπαράγοντας την ουσιαστική φυσική της διαδικασίας Πένροουζ-Ζέλντοβιτς», δήλωσε ο συνεπικεφαλής της μελέτης Χάντι Μούσα (Hady Moussa), πρώην διδακτορικός φοιτητής στην Πρωτοβουλία Φωτονικής του CUNY ASRC.
«Η προσέγγισή μας βασίζεται σε τεχνητά μεταϋλικά που έχουν σχεδιαστεί για να ελέγχουν τον τρόπο διάδοσης των κυμάτων». Αυτό το έργο για την ανάπτυξη της συνθετικής κίνησης έχει προεκτάσεις που ξεπερνούν κατά πολύ μια μεμονωμένη θεωρία για την ενίσχυση των κυμάτων.
Χάρη στη νέα συσκευή, οι ερευνητές μπορούν πλέον να έχουν πρόσβαση σε προηγουμένως ανέφικτες ταχύτητες περιστροφής στο πεδίο της πειραματικής φυσικής. Πέρα από αυτές τις πειραματικές δυνατότητες, η συγκεκριμένη τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές επικοινωνιών και οπτικής, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών συστημάτων.
Η μελλοντική εργασία θα περιλαμβάνει την προσαρμογή αυτής της επαναστατικής τεχνικής πέρα από το αρχικό πρόβλημα, σε πρακτικές τεχνολογίες για την επεξεργασία πληροφοριών και την εξερεύνηση της πιο ακραίας φυσικής του σύμπαντος.