بیش از ۵۰ سال پیش، فیزیکدانی به نام سر راجر پنروز (Sir Roger Penrose) روش شگفت‌انگیزی را پیشنهاد کرد که بر اساس آن می‌توان از یک سیاه‌چاله در حال چرخش سریع، انرژی استخراج کرد. در سناریوی نظری او، یک ذره وارد «ارگوسفر» (ergosphere – منطقه متمایل به چرخش) سیاه‌چاله می‌شود؛ منطقه‌ای که در آن چرخش سیاه‌چاله، بافت فضای اطراف را نیز همراه با خود می‌کشد. این ذره سپس می‌تواند به دو تکه تقسیم شود؛ یک تکه به داخل سیاه‌چاله سقوط می‌کند، در حالی که تکه دیگر با انرژی بیشتری نسبت به ذره اولیه، فرار می‌کند.
بعدها فیزیکدانی به نام یاکوف زلدوویچ (Yakov Zel’dovich) این ایده کلی را به امواج تعمیم داد. او پیش‌بینی کرد که وقتی یک موج با جسمی که به اندازه کافی سریع می‌چرخد تعامل داشته باشد، می‌تواند از آن چرخش انرژی جذب کرده و قوی‌تر از قبل ظاهر شود.
شبیه‌سازی چرخش فوق‌العاده سریع بدون قطعات متحرک
محققان مرکز تحقیقات علوم پیشرفته در مرکز فارغ‌التحصیلان CUNY (CUNY ASRC) اکنون روش جدیدی را برای ایجاد این نوع تقویت امواج به نمایش گذاشته‌اند. نتایج کار آن‌ها در ژورنال نیچر (Nature) منتشر شده است.
پژوهشگران به جای چرخاندن فیزیکی یک جسم با سرعت فوق‌العاده بالا، یک دستگاه فرکانس رادیویی (radio frequency device) توسعه دادند که ویژگی‌های آن در فضا و زمان به گونه‌ای تغییر می‌کند که چرخش را شبیه‌سازی (تقلید) می‌کند. این سیستم مهندسی‌شده، یک چرخش ساختگی فوق‌سریع ایجاد می‌کند که به دانشمندان اجازه می‌دهد سرعت‌های چرخشی بسیار فراتر از محدودیت‌های ماشین‌آلات مکانیکی را شبیه‌سازی کنند.
این رویکرد به غلبه بر یک مانع بزرگ کمک می‌کند؛ مانعی که سال‌هاست محققان را از بررسی تجربی رفتار امواجی که با چرخش‌های بسیار سریع تعامل دارند، باز داشته است.
آندره‌آ آلو (Andrea Alù)، محقق اصلی این پژوهش و استاد برجسته فیزیک در مرکز فارغ‌التحصیلان CUNY می‌گوید:
رویکرد ما روش جدیدی از تعامل موج و ماده (wave–matter interaction) را تسهیل می‌کند که در آن امواجی با ویژگی‌های چرخشی انتخاب‌شده، انرژی را از یک چرخش ساختگیِ مهندسی‌شده در زمان استخراج می‌کنند و نوعی تقویت انتخابی پهن‌باند (broadband selective amplification) را به وجود می‌آورند.
حدیثه ناصری، نویسنده اصلی مقاله و پژوهشگر پسادکتری در این مرکز می‌گوید:
این آزمایش موفقیت‌آمیز، ایده‌های مربوط به دینامیک چرخشی شدید را از تئوری به عمل منتقل می‌کند و یک پلتفرم آزمایشی همه‌کاره برای کاوش در طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها در تقاطع اخترفیزیک، فیزیک موج و علم کوانتوم ایجاد می‌کند. این کار پیامدهایی برای پیشرفت در علوم پایه و همچنین در ارتباطات، اپتیک و فوتونیک دارد.
تبدیل یک دستگاه ثابت به شیء در حال چرخش
محققان روی یک سوال کلیدی تمرکز کردند: آیا امواج الکترومغناطیسی فرستاده‌شده به درون یک دستگاه ثابت، می‌توانند به گونه‌ای رفتار کنند که گویی با چیزی در حال چرخش با سرعت فوق‌سریع تعامل دارند؟ و مهم‌تر از آن، آیا این امواج می‌توانند از آن حرکت ساختگی انرژی استخراج کنند؟
برای آزمایش این مفهوم، تیم تحقیق یک شبکه حلقه‌ای‌شکل از تشدیدکننده‌های الکترونیکی (electronic resonators) ساختند. ویژگی‌های این تشدیدکننده‌ها با یک توالی زمانی بسیار دقیق و به سرعت تغییر می‌کرد و الگویی را ایجاد می‌کرد که دور حلقه حرکت می‌کرد.
هیچ‌چیز در این دستگاه به صورت فیزیکی نمی‌چرخید؛ با این حال، این الگوی حرکتی باعث می‌شد امواج الکترومغناطیسی سیستم را به گونه‌ای تجربه کنند که انگار با سرعتی سرسام‌آور در حال چرخش است.
هادی موسی، یکی دیگر از نویسندگان اصلی این پژوهش می‌گوید:
امواجی که ویژگی‌های چرخشی مناسبی داشتند، انرژی را از سیستم استخراج کرده و تقویت شدند و بدین ترتیب فیزیک بنیادی فرآیند پنروز-زلدوویچ را بازسازی کردند. رویکرد ما به متامواد مهندسی‌شده (metamaterials) متکی است که برای کنترل نحوه انتشار امواج طراحی شده‌اند.
متامواد (فراخام‌ها) ساختارهایی با طراحی ویژه هستند که می‌توانند امواج را به روش‌هایی هدایت و کنترل کنند که مواد معمولی قادر به انجام آن نیستند. در این آزمایش، آن‌ها به محققان اجازه دادند تا رفتار اساسی پیش‌بینی‌شده توسط پنروز و زلدوویچ را بدون نیاز به یک سیاه‌چاله واقعی یا یک جسم در حال چرخش مکانیکی، بازسازی کنند.
آزمایشگاهی جدید برای فیزیک شرایط شدید
چرخش ساختگی می‌تواند حرکتی ظاهری را که سریع‌تر از سرعت نور است شبیه‌سازی کند، بدون اینکه نیاز باشد ماده یا اطلاعات به صورت فیزیکی با آن سرعت حرکت کنند. این امر به دانشمندان یک روش کنترل‌شده برای کاوش در شرایط شدید و حدی (extreme regimes) می‌دهد که در غیر این صورت بازسازی آن‌ها در آزمایشگاه دشوار یا غیرممکن بود.
این دستاورد یک پلتفرم تجربی جدید برای بررسی پدیده‌های مرتبط با اخترفیزیک، رفتار امواج و علم کوانتوم ایجاد می‌کند. همچنین می‌تواند به کاربردهای بالقوه‌ای در ارتباطات بی‌سیم، اپتیک کلاسیک و اپتیک کوانتومی منجر شود.
تحقیقات آینده باید مشخص کنند که چگونه می‌توان این یافته‌ها را در فناوری‌های کاربردی ادغام کرد. همین اصول را می‌توان به سیستم‌های فوتونیکی و کوانتومی نیز تعمیم داد و پتانسیل ایجاد روش‌های جدید برای کنترل نور، پردازش اطلاعات و مطالعه پدیده‌های موجیِ الهام‌گرفته از مفرط‌ترین و شدیدترین محیط‌های جهان را فراهم کرد.
منبع: Scitechdaily
