Ученые выяснили особенности поведения света в искривленном пространстве

Исследуя влияние сил гравитации на распространение света, ученые обычно изучают эти явления в астрономических масштабах, используя огромные космические расстояния и огромные массы астрономических объектов, таких, как галактики и скопления галактик. Однако исследователи из университета Фридриха Шиллера (Friedrich Schiller University) и университета Фридриха-Александра Эрлангена-Нюрнберга (Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg, FAU), Германия, показали, что для этого есть несколько иной путь. В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, они описывают способ изучения явлений астрономического масштаба в лаборатории при помощи одного из свойств некоторых материалов - поверхностного преломления света.

Согласно Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, силы гравитации могут быть описаны через вызываемые ими искривления четырехмерного пространственно-временного континуума. В таком искривленном гравитацией пространстве свет, следуя по кратчайшему пути между двумя точками, движется не по прямой линии с точки зрения стороннего наблюдателя.

Группа, возглавляемая доктором и профессором Улфом Пешелем (Prof. Dr. Ulf Peschel) из университета Фридриха Шиллера, использовала некоторые уловки для изучения особенностей распространения света в условиях, которые были описаны чуть выше. Вместо попытки искривления всех четырех измерений пространственно-временного континуума ученые упростили задачу до двух пространственных измерений и изучили распространение света вдоль кривых поверхностей.

Однако, в таких экспериментах можно использовать далеко не любые кривые поверхности. "К примеру, достаточно просто развернуть цилиндр или конус, получив двухмерную развертку его поверхности. Но совершенно невозможно получить такую же развертку сферы, не разрывая развертку на части или не искажая ее до некоторой степени" - рассказывает Винсент Шулзэис (Vincent Schultheis), ведущий исследователь, - "Примером такой развертки являются карты мира, поверхность Земли на которых всегда искажена соответствующим образом. Кривизна сферической поверхности является постоянной величиной и она влияет на геометрию и физику распространения света вдоль такой поверхности".

Ученые исследовали особенности распространения света вдоль сферической или еще более сложной поверхности. Они сфокусировали луч света на одном из участков поверхности объекта, изготовленного из особого материала, что заставило свет распространяться вдоль его поверхности. Следуя за кривизной поверхности, свет вел себя таким же образом, как и распространяясь в пределах искривленного пространства.

В ходе экспериментов ученые подтвердили то, что изменяя кривизну поверхности объекта, можно управлять распространением света и наоборот, измеряя пути распространения света, можно выяснить глубину искривления пространства. Когда подобные принципы применяются относительно к астрономии, это означает, что свет от далеких звезд, помимо всего прочего, доносит до нас ценную информацию о пространстве, через которое он двигался.

Во время экспериментов ученые изучили понятие интерферометрии интенсивности (intensity interferometry), определенное физиками Робертом Хэнбери Брауном (Robert Hanbury Brown) и Ричардом Твиссом (Richard Twiss), которое определяется для определения размеров звезд, сопоставимых с Солнцем. В этой технологии используются два телескопа, находящиеся на известном большом расстоянии друг от друга, которые сфокусированы на исследуемой звезде. Колебания интенсивности света на изображении, получаемом путем совмещения изображений от двух телескопов, которые возникают в результате взаимодействия света, излученного с различных точек поверхности звезды, позволяют ученым определить размер этой звезды.

Но, поскольку лучи света, распространяющиеся в реальном космосе, имеют тенденцию отклоняться или искажаться, эти искажения оказывают влияние на результаты работы метода интерферометрии интенсивности. Исследователи показали, что крайне важно знать геометрию космического пространства для того, чтобы иметь возможность правильно интерпретировать информацию, переносимую светом от далеких звезд. И метод интерферометрии интенсивности является достаточно подходящим методом для того, чтобы с достаточной точностью определить места искривления пространства во Вселенной.

Пока еще неизвестно, могут ли дать результаты, полученные немецкими учеными, дать в руки людей инструмент для лучшего понимания "работы Вселенной". "Главная цель наших исследований заключалась в том, чтобы привести результаты некоторых наблюдений в соответствие с Общей теорией относительности Эйнштейна" - рассказывает профессор Пешель, - "И для этого мы использовали возможности абсолютно не связанной с астрономией области - материаловедения. Используя определенные материалы, мы можем создавать поверхности любой степени сложности и порядка, используя которые можно определить формы областей искривления пространства в космосе. Кроме этого, используя такие кривые поверхности, можно организовать новые технологии управления светом, которые станут основой оптических схем и компонентов будущих оптических или фотонных компьютеров".