Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитацию можно описать как кривизну четырехмерного пространства-времени. В этом искривленном пространстве небесные тела и свет движутся по геодезическим, кратчайшим путям между двумя точками, которые часто выглядят совсем не прямыми, если смотреть снаружи.
Команда исследователей во главе с профессором д-ром Ульфом Пешелем из Йенского университета Фридриха Шиллера использовала специальный трюк для изучения распространения света в таких искривленных пространствах в лаборатории. Вместо того, чтобы изменить все четыре измерения пространства-времени, они свели проблему к двум измерениям и изучили распространение света по искривленным поверхностям. Однако не все изогнутые поверхности одинаковы. «Например, в то время как вы можете легко развернуть цилиндр или конус в плоский лист бумаги, невозможно положить поверхность сферы на стол, не порвав или хотя бы искривив ее», — говорит Винсент Шультей ?, докторант FAU и ведущий автор исследования. «Хорошо известный пример этого — карты мира, которые всегда показывают поверхность в искаженном виде.
Кривизна поверхности сферы — это внутреннее свойство, которое нельзя изменить, и оно влияет на геометрию и физику внутри этой двумерной поверхности ».В своем эксперименте исследователи изучили влияние этой внутренней кривизны пространства на распространение света. Для этого они захватывали свет на небольшой площади, близкой к поверхности специально созданного объекта, и заставляли его следовать за курсом поверхности.
По мере распространения свет вел себя так же, как и при отражении огромными массами. Изменяя кривизну поверхности, можно контролировать распространение света.
И наоборот, также можно узнать о кривизне самой поверхности, анализируя распространение света. При переходе к астрономическим наблюдениям это означает, что свет, который достигает нас от далеких звезд, несет ценную информацию о пространстве, через которое он прошел.В своей работе исследователи изучали интерферометрию интенсивности, впервые предложенную английскими физиками Робертом Хэнбери Брауном и Ричардом Твиссом, которая используется для определения размера звезд, близких к Солнцу.
В этом методе измерения два телескопа устанавливаются на некотором расстоянии друг от друга и фокусируются на исследуемой звезде. Затем сравниваются флуктуации интенсивности света, измеренные двумя телескопами.
Колебания интенсивности являются результатом интерференции света, излучаемого отдельно от поверхности звезды — видимого как узор из световых точек на полученных изображениях — и позволяют сделать выводы о размере наблюдаемого объекта.Поскольку световые пути в искривленном пространстве имеют тенденцию сходиться или расходиться гораздо чаще, чем в плоском пространстве, размер точек изменяется в зависимости от кривизны.
Исследователи смогли показать, что знание кривизны имеет решающее значение для интерпретации результатов и что эксперименты с использованием интерферометрии подходят для более точного измерения общей кривизны Вселенной.Приведут ли результаты их исследований к лучшему пониманию Вселенной, еще написано в звездах. «Основная цель нашего исследования — передать результаты, основанные на общей теории относительности, в науку о материалах путем тщательного моделирования поверхностей объектов», — говорит профессор Пешель. Хотя на первый взгляд эти две области кажутся не связанными друг с другом, между ними есть некоторые важные связи. «С производственной точки зрения, плоские конструкции зачастую намного легче реализовать.
Однако у изогнутых поверхностей есть потенциал, который еще не был использован и может быть использован, например, для управления световыми путями в оптических системах. Создание локальных вариаций кривизны поверхности часто может иметь тот же эффект, что и изменение самого объемного материала.
Это может позволить сократить количество необходимых этапов и материалов, используемых при производстве интегральных оптических схем или микрооптических компонентов ».Исследование было проведено в кластере передового опыта FAU «Разработка перспективных материалов» (EAM), где исследователи из самых разных областей работают над разработкой новых материалов.