גלימת העלמות של הארי פוטר כאנלוגיה לחור שחור במעבדה

האם גלימת ההעלמות של הרי פוטר יכולה ליצור אנלוגיה לחור שחור במעבדה?

 

לואיס קרול נהג לשלוח בעיות לחברים כדי לראות האם הם יכולים לגלות את הפתרונות. לפעמים הוא היה מגלה שפרופסורים מפורסמים מאוניברסיטת אוקספורד נתנו פתרונות שונים ואף סותרים לבעיות שלו. בקיץ 1870 קרול כתב לחברתו הצעירה מרי ווטסון מכתב ובו החידה הבאה:

 

Dreaming of apples on the wall,

And dreaming often, dear,

I dreamed that, if I counted all,

– How many would appear?

 

והתשובה אם מסירים את “גלימת ההעלמות” בשורה השנייה…. היא:

Of-ten

כלומר עשרה תפוחים.

 

פיזיקת הארי פוטר

 

איך יוצרים אנלוגיה לחור שחור במעבדה? בעזרת מה שקרוי מטה חומרים או גלימות העלמות (טכנולוגית ההסתרה). נשמע הזוי? תשמעו את הסיפור הבא.

מזה זמן מה מדענים עובדים על חומרים שהם מעין גלימות היעלמות נוסח הארי פוטר. המטה-חומרים הם חומרים המסווים עצמים באמצעים אופטיים. “מטה” מלשון מֵעבר לחומרים הרגילים שאנו מכירים מחיי היומיום. ובמקרה שלנו, חומרים שהמבנה הפנימי המורכב שלהם יכול לנווט את האור מסביב לגופים, ובכך להסוותם מעינינו.
המטה-חומרים הם חומרים מהונדסים שמקבלים את תכונותיהם הבלתי רגילות כתוצאה משינוי הנדסי של המבנה הפנימי שלהם ברמה זעירה, ולא מהכימיה שלהם – כפי שזה בטבע. בגלל הדרך שבה מרכיבים חומרים אלה, הם יכולים לערבל גלים – בין אם אלה הם גלי אור, גלי מים או גלי קול באזור העצם שאותו הם מסווים.
כדי להסוות משהו ניתן, למשל, למקם טבעות של מטה-חומר סביב לעצם שאותו אנו רוצים להסוות. לולאות או גלילים זעירים ביותר בתוך הטבעות האלה מסיטים את הגלים שמסביב לעצם, וכך מסווים אותו. ההסטה מונעת גם את ההחזרה וגם את הבליעה של הגלים, הנפגשים שוב פעם בצד השני ויוצרים אשליה כאילו דבר לא היה שם.

כאן


החומר הבלתי נראה הראשון תוכנן על ידי מהנדסים מאוניברסיטת דיוק ומאימפריאל קולג’ בלונדון. המטה-חומר הזה עבד בטווח אזור גלי המיקרוגל של הספקטרום האלקטרומגנטי. החומר המסתיר והמסווה פעל תוך שהוא ניווט את אור המיקרוגל מסביב לעצם, וכך הוא גרם לצופה לחשוב שהעצם למעשה לא היה שם בכלל. אבל החומר המסווה הזה עבד רק לטווח של גלי המיקרוגל.
מאז המדענים עובדים על חיפוש אחר מטה-חומרים ישימים לספקטרום רחב יותר של גלים אלקטרומגנטיים. לפני חודשים בודדים הצליחה קבוצת מדעני ננו-טכנולוגיה מאוניברסיטת ברקלי, בראשות קסיאנג זאנג, ליצור מרבד המסווה את העצם מתחתיו כך שבעצם יהיה בלתי נראה.
עתה זאנג יצא בגילוי חדש. מסתבר שאפילו אלברט אינשטיין היה מתרשם מהרעיון, טוענים בחדשות אוניברסיטת ברקלי. תורת היחסות הכללית שלו, שמתארת כיצד הכבידה סביב גוף בעל מסה גדולה, כמו למשל כוכב, יכולה לעקם את המרחב-זמן, שמשה בהצלחה כדי לנבא תופעות אסטרונומיות. מדובר בתופעות כמו למשל התעקמות קרן האור בסביבות דסקת השמש, הזזות הפריהליון של מסלולו של מרקורי ותופעות כמו עדשות כבידה.

.

Xiang Zhang has been one of the pioneers in the creation of artificial optical materials and their applications to such phenomena as negative refraction, electromagnetic invisibility devices and microscopy with super-resolution. (Photo by Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Public Affairs) 

קסיאנג זאנג

 

יחסות כללית ופיזיקת הארי פוטר

 

עתה המחקר החדש הישר מהמעבדה למטה-חומרים אשר בברקלי מצביע על כך שיתכן וניתן לחקור אפקטים של היחסות הכללית בניסויי מעבדה כאן על כדור הארץ, וכל זאת כמובן אם נשתמש במה שקרוי מטה-חומרים, אותם חומרים מוזרים שמאפשרים להעלים עצמים וקרני אור ולהופכם כאילו הם לא קיימים. נשמע מוכר מתחום החורים השחורים הלא כן?

זאנג מוביל את המחקר לפיו ניתן לחקור את האינטראקציות של האור והחומר עם המרחב-זמן, כפי שמנובא על ידי היחסות הכללית, בעזרת סוג של חומרים אופטיים מלאכותיים חדשים שלהם יכולות בלתי רגילות לעקם את האור ולעקם גם צורות אחרות של קרינה אלקטרומגנטית.

אם נלך על האנלוגיה האופטית-מכנית, ניתן להשתמש במטה-חומרים, ובחומרים האופטיים המתקדמים האחרים שיש כיום, וכל זאת כדי לחקור תופעות שמימיות כמו חורים שחורים, משיכות כבידתיות מוזרות ועדשות כבידה. ניתן ליטול מטה-חומר ובעזרתו לחקות תופעה של חור שחור והאינטראקציה שלו עם האור. המטה-חומר יכול לשלוט, להאט וללכוד אור באופן דומה לתופעות שמימיות כמו החורים השחורים, המשיכות הכבידתיות ועדשות הכבידה. השקילות הזו בין תנועת הכוכבים לעקמומיות המרחב-זמן והתפשטות האור במטה-חומרים אופטיים שהם מהונדסים במעבדה נקראת בשם: אנלוגיה מכנית-אופטית”.

 

מטה-חומר שקרוי Gallium Indium Arsenide Phosphide  GaInAsP ופועל בטווח האינפרא אדום, מחקה את אחת מהתופעות של החורים השחורים באינטראקציות שלו עם הקרינה.

 

השאלה שנשאלת כאן היא: מעבר לאנלוגיה, מה ניתן ללמוד על התופעות השמימיות עצמן? שהרי בסופו של דבר מדובר במודל שקול בלבד ואנחנו לא מבצעים את הניסוי האסטרונומי עצמו, אלא חלופה לניסוי. ולכן ניתן לבוא ולטעון שבניסוי האסטרונומי הדברים היו מתרחשים בכל זאת בצורה אחרת…

אם למשל אנחנו מעוותים ומסובבים את מרחב המטה-חומר האופטי, האור שנע בקווים ישרים יתעקם במרחב המפותל. וזה הרי זהה למה שמתרחש לאור הכוכבים בעודו עובר בפוטנציאל כבידתי במרחב-זמן עקום – התעקמות קרני האור בשדה כבידה. האנלוגיה הזו אולי יכולה לאפשר את השימוש במטה-חומרים האופטיים למחקר של התופעה היחסותית של עדשות כבידה, אומר זאנג.

ושוב, אין זה מעיד על כך שנמצא עדות לתופעה השמימית, אלא רק עדות לתופעה בניסוי אנלוגי בתחום המכני-אופטי.

פרופ’ זאנג מציע קשר בין התחום החדש של חומרים אופטיים חדישים לבין התחום הישן נושן של המכניקה השמימית. בכך הוא פותח הזדמנות חדשה למחקר אסטרונומי של תופעות בתכנון מעבדתי ארצי. וכל זאת תוך שימוש בציוד אופטי שמחקה את התנועות והגופים השמימיים שהם נתונים לשדות כבידתיים מסובכים, ומקצר את זמן הניסוי לסקאלות זמן ארציות ולא לסקאלות זמן אסטרונומיות.

אבל שוב, זאנג מספק אנלוגיה בלבד ותמיד נזדקק לבצע את הניסוי האסטרונומי האמיתי בעזרת גופים מסיביים בתנאים גלובאליים כבידתיים בסופו של דבר… ונחזור כך לשאלה: באיזו מידה ניתן לבצע מיפוי של אחד לאחד להתעקמות (כבידתית) במרחב-זמן למטה-חומר שמעוות את מסלול האור?

זאנג פרסם מאמר (יחד עם שני הפוסט-דוקטורנטים שלו) שמתאר את עבודתו בכתב העת Nature Physics וכותרתו: “חיקוי המכניקה השמימית במטה-חומרים”.

 

המאמר:

 


Nature Physics
Published online: 20 July 2009 | doi:10.1038/nphys1338

Mimicking celestial mechanics in metamaterials

Dentcho A. Genov1,2, Shuang Zhang1 & Xiang Zhang1,3


Abstract

Einstein’s general theory of relativity establishes equality between matter–energy density and the curvature of spacetime. As a result, light and matter follow natural paths in the inherent spacetime and may experience bending and trapping in a specific region of space. So far, the interaction of light and matter with curved spacetime has been predominantly studied theoretically and through astronomical observations. Here, we propose to link the newly emerged field of artificial optical materials to that of celestial mechanics, thus opening the way to investigate light phenomena reminiscent of orbital motion, strange attractors and chaos, in a controlled laboratory environment. The optical–mechanical analogy enables direct studies of critical light/matter behaviour around massive celestial bodies and, on the other hand, points towards the design of novel optical cavities and photon traps for application in microscopic devices and lasers systems.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s