مرتعش کردن یکی از دو «آینه» نوری، ابری پراکنده از اتم‌های فراسرد را به بسته‌ای فشرده تبدیل می‌کند. (Credit: Jeremy Tanlimco et al)

کاواک نوری از دو آینه تشکیل شده که نور را به‌دام می‌اندازند و اساس کار لیزر، ساعت‌های اتمی و بسیاری از حسگرهای دقیق‌اند. برخی نظریه‌ها پیش‌بینی می‌کنند که اگر فاصله بین دو آینه به اندازه کافی سریع تغییر کند، موج‌های درون کاواک به‌هم فشرده شده و پالس‌های کوتاه و شدید ایجاد می‌شود. با این حال تاکنون این پیش‌بینی به‌طور مستقیم آزمایش نشده است.

دیوید ولد (David Weld) و همکارانش، در دانشگاه کالیفرنیا، سانتاباربارا، با انجام آزمایش‌های جدید و جابه‌جا کردن نقش نور و ماده برای نخستین بار این پیش‌بینی را تأیید کرده‌اند. آنها در کمال شگفتی دریافتند که کاواک به‌گونه‌ای رفتار می‌کند که مشابه فیزیک عجیب فضا-زمان خمیده است.

نتایج پژوهش آنها در مجله فیزیکال ریویو لترز (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/44mq-jfp1) منتشر شده است.

شبیه‌سازی سیاه‌چاله و سفیدچاله

در کاواک معمولی نور بین دو آینه عقب و جلو می رود. از آنجا که این آینه‌ها فقط می‌توانند نوری را محصور کنند که طول موج آن کاملاً متناسب با فاصله میان دو آینه باشد، کاواک می‌تواند بسامدهای بسیار پایداری انتخاب کند. با این حال نظریه نشان می‌دهد که اگر یکی از دو آینه با سرعتی مطابق با سرعت رفت‌وبرگشت نور میان دو آینه مرتعش شود، نور به‌تدریج در یک جهت تخلیه می‌شود تا پالسی کوتاه و متمرکز تشکیل شود.

از لحاظ ریاضی، این جریان یک‌طرفه شبیه رفتار نور در نزدیکی افق رویداد سیاه‌چاله، یا همتای کاملاً فرضی آن «سفیدچاله» است. با این حال برای آزمودن عملی این نظریه به آینه‌ای نیاز است که به طور مکرر تا کسر قابل‌توجهی از سرعت نور در میلیاردیم ثانیه شتاب بگیرد – چیزی که بسیار فراتر از توانایی فناوری‌های کنونی است.

جایگزینی نور با اتم

گروه ولد برای حل این مشکل نور محصور در کاواک را با اتم جایگزین کرد، که کاملاً مانند موج در دماهای فراسرد رفتار می‌کند. پژوهشگران آزمایش را با سرد کردن گازی از اتم‌های لیتیوم تا دمایی نزدیک دمای صفر مطلق آغاز کردند و سپس آن را در شبکه‌ای از نور لیزر به‌دام انداختند. چنین شبکه ای، مانند نور، این «امواج مادی» را وادار کرد تا با سرعت تقریباً ثابتی حرکت کنند؛ سرعتی کمتر از ۱ متر بر ثانیه.

اتم‌ها با استفاده از دو صفحه نور لیزر که مانند دو آینه بی وزن عمل می‌کردند، محصور شدند و یکی از آنها با نرخ حدود ۱۰ بار در ثانیه به جلو و عقب حرکت داده می‌شد. سپس گروه پژوهشی از چگونگی توزیع اتم‌ها طی زمان تصویربرداری کرد و نتایج حاصل را با پیش‌بینی‌های نظری مقایسه کرد.

صفحه نورِ در حال حرکت، در عرض چند چرخه، ابر پراکنده اولیه را به بسته فشرده‌ای از اتم تبدیل کرد که مسیری تکرارشونده را دنبال می‌کنند. همه بسته‌هایی که از مکان‌های مختلف شروع به حرکت کرده بودند، از یک مسیر ناپایدار دور شده و به همان مسیر پایدار همگرا شدند: همان مسیر یک‌طرفه‌ای که پیش‌بینی می‌شد رفتاری مشابه افق رویداد سیاه‌چاله و سفیدچاله داشته باشد.

پژوهشگران توانستند با دو برابر کردن فرکانس حرکت صفحه، دو بسته متمرکز ایجاد کنند که هر کدام مسیر جداگانه‌ای را دنبال می‌کند. آن‌ها با تغییر ناگهانی زمان‌بندی حرکت صفحه نوری، توانستند مسیرهای پایدار و ناپایدار را با هم جابه‌جا کرده و حرکت بسته‌ها را معکوس کنند. همچنین آثار ظریفی مشاهده کردند که فراتر از تصویر آرمانی نورگونه بود، آثاری که منشاء آن از این واقعیت ناشی می‌شود که سرعت اتم، برخلاف سرعت نور، کاملاً ثابت نیست.

اکنون گروه ولد امیدوار است که این اثر به ایجاد روش جدیدی برای فشرده‌سازی و رفع فشردگی سیگنال‌های نوری بیانجامد؛ روش‌هایی که می‌توان به طور بالقوه در مواد جامد نیز استفاده کرد، موادی که می‌توان ویژگی‌های اپتیکی آنها را به‌صورت الکتریکی تنظیم کرد و دیگر به آینه‌های متحرک نیازی نیست. این سامانه همچنین می‌تواند به فیزیکدان‌ها در بررسی دیگر پیش‌بینی‌های بنیادین کمک کند، پیش‌بینی‌هایی مثل این که چه‌طور جفت ذرات نور می‌توانند از فضای خالی میان آینه‌هایی که با سرعت زیاد حرکت می‌کنند، به‌وجود بیایند.

منبع:

Vibrating mirrors of light create analog of a black hole event horizon