Sferă minusculă curbează lumina ca o gaură neagră

Razele de lumină se îndoaie în jurul unei sfere microscopice la fel cum s-ar întâmpla în jurul unei găuri negre uriașe datorită unui nou dispozitiv de dimensiunea unui cip. Experimentul, detaliat pe 29 septembrie în Fotonica naturiidemonstrează noua capacitate a fizicienilor de a imita și miniaturiza procesele fizice la scară cosmică în laborator.

„Este o mică demonstrație drăguță care poate curba lumina la 360 de grade, la fel cum poate gravitația în jurul unei găuri negre”, spune William Unruh, un fizician teoretician la Universitatea British Columbia din Vancouver.

Teoria generală a relativității a lui Einstein definește gravitația ca fiind curbura spațiului și timpului în jurul obiectelor cu masă: cu cât obiectul este mai masiv, cu atât mai drastic deformează spațiul și timpul. Drept urmare, traiectoria luminii se îndoaie pe măsură ce trece pe lângă obiectele cele mai dense și masive ale universului, inclusiv găurile negre și stele neutronice, nucleele rămășițe ale stelelor moarte. Astronomii au confirmat acest fenomen, numit lentilă gravitațională, observând galaxii care distorsionează lumina care vine din spatele lor.

Oamenii de știință nu pot experimenta cu stele și galaxii masive în laborator, dar devin buni la manipularea luminii. „Progresele opticei din ultimii cinci până la 10 ani ne permit să facem lucruri uimitoare”, spune Dentcho Genov, fizician la Louisiana Tech University din Ruston.

Genov și colegii de la Universitatea Nanjing din China și-au propus să construiască o stea în miniatură pe un cip care ar putea curba lumina folosind optica, mai degrabă decât gravitația. Stelele lor vin sub forma unor sfere minuscule de sticlă, fiecare cu un diametru de 32 de micrometri, încorporate în plastic topit. Cercetătorii au turnat acel amestec pe o așchie de argint și l-au lăsat să se întărească. Rezultatul a fost un strat de plastic de aproximativ micrometri grosime, cu zone mai groase înclinate în jurul sferelor.

Cercetătorii au crezut că lumina s-ar îndoi mai mult pe măsură ce se deplasează prin plastic mai gros. Exact asta s-a întâmplat când cercetătorii au strălucit orizontal prin stratul de plastic. Lumina se mișca în linie dreaptă dacă nu întâlnea nicio sferă. Dar razele de lumină care s-au apropiat de o sferă s-au îndoit. Orice fascicul care venea la aproximativ 10 micrometri de o sferă era biciuit în jurul ei. O parte de lumină părea chiar să fie prinsă și forțată să intre pe orbită.

Comportamentul luminii este în concordanță cu căile pe care lumina le parcurge în jurul unei stele masive, spune Genov. „Este un analog perfect pentru observațiile astronomice.” Dispozitive optice similare ar putea ajuta astrofizicienii să înțeleagă condițiile exotice din jurul găurilor negre și a stelelor neutronice, adaugă el.

Unruh este impresionat de optică, dar nu de potențialul de a clarifica cosmosul. Doar pentru că experimentul imită influența relativității generale nu înseamnă că este o simulare perfectă, spune el.

Fizicianul Ulf Leonhardt de la Institutul de Știință Weizmann din Rehovot, Israel, este de acord, spunând că dispozitivul oferă o modalitate pentru neoamenii de știință de a vizualiza conceptul abstract de spațiu și timp curbat. Ar putea găsi un loc și în industria tehnologiei, spune el, deoarece inginerii de date și oamenii de știință din domeniul energiei doresc să construiască microcipuri capabile să capteze lumina.

Un fascicul de lumină se curbează din ce în ce mai mult pe măsură ce se apropie de o sferă microscopică și în cele din urmă se înfășoară în jurul sferei. Lumina se îndoaie din cauza proprietăților optice ale plasticului prin care trece, dar s-ar comporta similar în vecinătatea stelelor masive și a găurilor negre. CREDIT: C. Sheng et al, Fotonica naturii