وبلاگ

هر زمان که نور با ماده تعامل می کند، به نظر می رسد که نور کند می شود. این یک مشاهده جدید نیست و مکانیک موج استاندارد می تواند بیشتر این پدیده های روزمره را توصیف کند.

به عنوان مثال، هنگامی که نور به یک رابط برخورد می کند، معادله موج استاندارد در هر دو طرف برآورده می شود. برای حل تحلیلی چنین مشکلی، ابتدا می‌توان دریافت که موج در هر دو طرف رابط چگونه است و سپس از شرایط مرزی الکترومغناطیسی برای اتصال دو طرف به یکدیگر استفاده می‌کند. این راه حل جزئی پیوسته نامیده می شود.

با این حال، در مرز نور فرود باید شتاب را تجربه کند. تاکنون این موضوع گزارش نشده است.

اساساً، من یک راه بسیار دقیق برای استخراج معادله موج استاندارد در ابعاد 1+1 پیدا کردم. تنها فرضی که لازم داشتم ثابت بودن سرعت موج بود. سپس فکر کردم: اگر همیشه دائمی نباشد چه؟ این سؤال واقعاً خوبی بود.” ماتیاس کویورووا از دانشگاه فنلاند شرقی

با فرض اینکه سرعت موج می تواند با زمان تغییر کند، محققان توانستند چیزی را بنویسند که آن را معادله موج شتاب دهنده می نامند. در حالی که نوشتن معادله ساده بود، حل آن موضوع دیگری بود.

«این تصمیم بی معنی به نظر می رسید. کویورووا می‌گوید: «سپس متوجه شدم که رفتاری شبیه اثرات نسبیتی دارد.»

برای خبرنامه روزانه دوز ثبت نام کنید و بهترین اخبار علمی را از سراسر وب دریافت کنید که هر روز صبح مستقیماً به صندوق ورودی شما تحویل داده می شود؟ به آسانی صبح یکشنبه است.

همکاری با گروه اپتیک نظری و فوتونیکبه رهبری Ph.D مارکو اورنیگوتی محققان دانشگاه تامپره سرانجام به پیشرفتی دست یافتند. برای به دست آوردن راه‌حل‌هایی که مطابق انتظار رفتار می‌کردند، آنها به سرعت مرجع ثابت نیاز داشتند – سرعت نور در خلاء. به گفته کویورووا، همه چیز بعد از فهمیدن این موضوع معنا پیدا کرد. آنچه پس از آن دنبال شد، کاوشی در مورد پیامدهای گسترده و شگفت‌آور فرمالیسم بود.

در یک پیشرفت، محققان نشان دادند که یک جهت مشخص از زمان از نظر امواج شتاب دهنده وجود دارد. به اصطلاح “پیکان زمان”. این به این دلیل است که معادله موج شتاب دهنده تنها راه حل هایی را می دهد که زمان به جلو می رود، اما هرگز به عقب نمی رود.

کویورووا می‌گوید: «معمولاً جهت زمان از ترمودینامیک ناشی می‌شود، جایی که افزایش آنتروپی نشان می‌دهد زمان در کدام جهت حرکت می‌کند.

با این حال، اگر جریان زمان معکوس شود، آنتروپی شروع به کاهش می کند تا زمانی که سیستم به پایین ترین حالت آنتروپی خود برسد. سپس آنتروپی می تواند دوباره افزایش یابد.

این تفاوت بین فلش‌های «ماکروسکوپی» و «میکروسکوپی» زمان است: در حالی که آنتروپی به طور واضح جهت زمان را برای سیستم‌های بزرگ تعیین می‌کند، هیچ چیز جهت زمان را برای ذرات جداگانه تعیین نمی‌کند.

کویورووا می‌گوید: «با این حال، ما انتظار داریم که ذرات منفرد طوری رفتار کنند که گویی جهت زمانی ثابتی دارند!»

از آنجایی که معادله موج شتاب دهنده را می توان از ملاحظات هندسی استخراج کرد، این معادله کلی است و تمام رفتار موج در جهان را به حساب می آورد. این به نوبه خود بدان معنی است که جهت ثابت زمان نیز یک ویژگی نسبتاً کلی طبیعت است.

یکی دیگر از ویژگی های فریم ورک این است که می توان از آن برای مدل سازی تحلیلی امواجی که در همه جا پیوسته هستند، حتی در بین واسط ها استفاده کرد. این به نوبه خود پیامدهای مهمی برای حفظ انرژی و تکانه دارد.

«یک بحث بسیار معروف در فیزیک وجود دارد به نام جدال آبراهام و مینکوفسکی. بحث این است که وقتی نور وارد یک محیط می شود تکانه آن چه می شود؟ اورنیگوتی توضیح می دهد که مینکوفسکی گفت که حرکت در حال افزایش است، در حالی که آبراهام اصرار داشت که در حال کاهش است.

لازم به ذکر است که شواهد تجربی برای حمایت از هر دو طرف وجود دارد.

«آنچه ما نشان دادیم این است که از منظر موج، هیچ اتفاقی برای حرکت آن نمی‌افتد. به عبارت دیگر، حرکت موج حفظ می شود.» کویورووا ادامه می دهد.

آنچه اجازه می دهد تکانه حفظ شود، اثرات نسبیتی است. اورنیگوتی می‌گوید: «ما دریافتیم که می‌توانیم یک «زمان مناسب» را به موج اختصاص دهیم که کاملاً مشابه زمان مناسب در نسبیت عام است.

از آنجایی که موج زمانی متفاوت از زمان آزمایشگاهی را تجربه می کند، محققان دریافتند که امواج شتاب دهنده نیز اتساع زمانی و انقباض طول را تجربه می کنند. کویورووا خاطرنشان می کند که انقباض طول است که به نظر می رسد تکانه موج در یک محیط مادی حفظ نشده است.

رویکرد جدید در اکثر مسائل معادل فرمول استاندارد است، اما یک توسعه مهم دارد: مواد متغیر با زمان. در یک رسانه متغیر با زمان، نور در خواص مواد دچار تغییرات ناگهانی و یکنواخت می شود. امواج درون چنین موادی راه حل معادله موج استاندارد نیستند.

اینجاست که معادله موج شتاب دهنده مطرح می شود. این به محققان اجازه می دهد تا موقعیت هایی را که قبلاً فقط به صورت عددی در دسترس بودند، به صورت تحلیلی مدل کنند.

چنین موقعیت هایی شامل یک ماده فرضی عجیب و غریب به نام کریستال زمان فوتونیک بی نظم است. مطالعات نظری اخیر نشان داده است که موجی که در داخل ماده مذکور منتشر می شود، به طور تصاعدی کند می شود در حالی که به طور تصاعدی انرژی آن را افزایش می دهد.

فرمالیسم ما نشان می دهد که تغییر مشاهده شده در انرژی پالس ناشی از فضازمان منحنی است که توسط پالس تجربه می شود. اورنیگوتی می گوید در چنین مواردی، حفظ انرژی به صورت محلی مختل می شود.

این تحقیق پیامدهای گسترده‌ای دارد، از اثرات نوری روزمره گرفته تا آزمایش‌های آزمایشگاهی نسبیت عام، و همچنین بینشی در مورد اینکه چرا زمان جهت ترجیحی دارد، ارائه می‌کند. تحقیق با عنوان رسانه های متغیر با زمان، نسبیت و پیکان زمان در 19 اکتبر 2023 در مجله منتشر شد اپتیک.

تصویر: ماتیاس کویورووا، دانشگاه فنلاند شرقی.

اگر محتوایی را که ایجاد می‌کنیم دوست دارید و می‌خواهید از ما حمایت کنید، لطفاً یک حامی حامی شوید! با پیوستن به انجمن ما، به مزایای انحصاری مانند دسترسی زودهنگام به آخرین محتوای ما، به‌روزرسانی‌های پشت صحنه، و امکان ارسال سؤالات و پیشنهاد موضوعاتی برای پوشش ما دسترسی خواهید داشت. حمایت شما به ما امکان می دهد به تولید محتوای باکیفیت ادامه دهیم و به مخاطبان بیشتری دسترسی پیدا کنیم.

امروز در Patreon به ما بپیوندید و بیایید با هم کار کنیم تا محتوای شگفت انگیزتری ایجاد کنیم! https://www.patreon.com/ScientificInquirer