النسبية العامة الكهرومغناطيسية: السفر مع المواد الخارقة إلى الفضاء

في الآونة الأخيرة، كان العلماء يعملون على مواد تشبه عباءات الاختفاء بأسلوب هاري بوتر. المواد الخارقة هي مواد تخفي الأشياء بالوسائل البصرية. "ميتا" هو استعارة للمواد المعتادة التي نعرفها من الحياة اليومية. وفي حالتنا، المواد التي يمكن لبنيتها الداخلية المعقدة توجيه الضوء حول الأجسام، وبالتالي حجبها عن أعيننا

المواد الخارقة هي مواد هندسية تحصل على خصائصها غير العادية نتيجة للتغير الهندسي في بنيتها الداخلية على مستوى صغير، وليس من كيميائيتها - كما هو الحال في الطبيعة. وبسبب الطريقة التي تتكون بها هذه المواد، فإنها يمكن أن تتداخل مع الموجات - سواء كانت موجات ضوئية أو موجات مائية أو موجات صوتية في منطقة العظم التي تحجبها.

لإخفاء شيء ما، على سبيل المثال، يمكن وضع حلقات من المواد الاصطناعية حول الكائن الذي نريد إخفاءه. تعمل الحلقات أو الأسطوانات الصغيرة داخل هذه الحلقات على عكس الموجات حول العظم، وبالتالي إخفاءها. ويمنع الانحراف عودة وامتصاص الموجات التي تلتقي مرة أخرى على الجانب الآخر وتخلق وهمًا كما لو لم يكن هناك شيء.

أثناء التعامل مع المواد الخارقة، أدرك الباحثون بسرعة أن هذا المجال يمكن أن يسلط الضوء على أسس الفيزياء نفسها. تصف نظرية النسبية العامة لأينشتاين كيف يمكن للجاذبية حول جسم كبير الكتلة، مثل النجم، أن تشوه الزمكان. وهي ظواهر مثل انحناء شعاع الضوء حول قرص الشمس، وتحولات الحضيض الشمسي في مدار عطارد، وظواهر مثل عدسات الجاذبية.

بدأ العلماء بالتوافد واقترحوا أنه يمكن دراسة تأثيرات النسبية العامة في التجارب المعملية هنا على الأرض، وكل هذا بالطبع إذا استخدمنا المواد الخارقة، تلك المواد الغريبة التي تجعل من الممكن جعل الأشياء والأشعة الضوئية تختفي وتقلبها كما هي. إذا لم تكن موجودة. في البداية قمنا ببناء نماذج للثقوب السوداء. لقد أدرك الفيزيائيون أن تفاعلات الضوء والمادة مع الزمكان، كما تنبأت بها النسبية العامة، يمكن دراستها بمساعدة فئة جديدة من المواد البصرية الاصطناعية، التي تتمتع بقدرات غير عادية على ثني الضوء وكذلك ثني أشكال أخرى من الموجات الكهرومغناطيسية. إشعاع. ويسمى هذا التكافؤ بين انحناء الزمكان وانتشار الضوء في المواد البصرية التي يتم هندستها في المختبر: "القياس الميكانيكي البصري". وكان الرائد في هذا المجال شيانغ تشانغ من جامعة بيركلي.

وبعد الثقوب السوداء جاء دور الثقوب الدودية. إذا كان من الممكن بناء تشبيه ميكانيكي بصري للثقوب السوداء، فلماذا لا نبني مثل هذا النموذج للثقوب الدودية؟ يسمح نموذج الثقب الدودي المصنوع من مادة خارقة بانتشار الموجات الكهرومغناطيسية بين نقطتين بعيدتين. هذا بينما تظل معظم منطقة توسعهم - القناة - غير مرئية ومخفية بعباءة عذارى المادة الخارقة. عند التردد غير المحجوب، حيث تكون المادة الخارقة غير نشطة، يكون الهيكل الناتج عبارة عن أسطوانة صلبة ذات حواف متوهجة. لكن عند الترددات حيث تم تصميم المادة الخارقة وتعمل كعباءة الفتاة، تحصل على تأثير تغيير طوبولوجيا الفضاء إلى ثقب دودي. وهكذا، قام الباحثون ببناء تكوين من المواد الخارقة التي تجعل الموجات تتصرف كما لو كانت في قناة غير مرئية متصلة بالفضاء الإقليدي. وأي جسم داخل هذه القناة لا يمكن رؤيته إلا عن طريق الموجات الداخلة من أحد أطرافها. في حين أن الموجات الكهرومغناطيسية التي تنتشر من جسم داخل الثقب الدودي لا يمكنها الخروج إلا من خلال الحواف - لأنها غير مرئية لمراقب خارجي. ثنائي القطب المغناطيسي، الذي يقع بالقرب من أحد طرفي الثقب الدودي الكهرومغناطيسي، سيظهر للمراقب الخارجي على أنه احتكار مغناطيسي.

يمكن أن يكون للثقب الدودي الكهرومغناطيسي استخدامات هندسية، على سبيل المثال القنوات الضوئية غير المرئية، ومن الممكن قياس المجالات الكهرومغناطيسية دون إزعاجها، وهي القنوات التي لا يصدر عنها إشعاع إلا من طرفها. وبالمضي قدمًا في القياس البصري الميكانيكي، يمكن استخدام المواد الخارقة لدراسة ظواهر كونية إضافية.

يحب إيجور سموليانينوف، من قسم الهندسة الكيميائية والكهربائية بجامعة ميريلاند في كوليدج بارك، اللعب بالمواد الخارقة. منذ أقل من عام، قام بتوسيع القياس الميكانيكي البصري إلى أقصى حدوده. ونشر مقالاً اقترح فيه "نموذج لعبة" للأكوان المتعددة. خذ الفضاء البصري، كما يقول سموليانينوف، وقم بتصميمه بحيث يلعب دور مشهد الأكوان المتعددة متعددة الأبعاد، التي لها مناطق ذات طوبولوجيا مختلفة وأبعاد فعالة مختلفة. ويضيف أن وجهة النظر من المواد الخارقة والبصريات غير الخطية للمواد الخارقة ستؤدي إلى نموذج اللعبة. ويواصل ليبين أنه يمكن استخدام المواد الخارقة لإنشاء أكوان متعددة، حيث تتمتع الأكوان المختلفة بخصائص مختلفة. في الواقع يجب أن يكون قادرًا على خلق أكوان تعمل فيها قوانين فيزيائية مختلفة. لماذا يعد كل هذا جيدًا بما يتجاوز إنشاء نموذج كوني أرضي لنظريات علماء الكون؟ لأنه من وجهة نظر هندسية، يعد النموذج بمثابة تطوير متدرب لمجال المكونات البصرية الجديدة "في الكون الكهرومغناطيسي"، حيث تتصرف الفوتونات كما لو كانت ضخمة أو عديمة الكتلة أو مشحونة - كل هذا يعتمد على طوبولوجيا الفضاء وقوانين فيزياء الفضاء. ومن هنا يمكن تطوير مكونات بصرية تستفيد من هذا النوع من السلوك، على أساس القياس الميكانيكي البصري.

ولم يكن سموليانينوف صامتا على حذره، فقد اقترح قبل ثلاثة أشهر أن خصائص المواد الخارقة يمكن أن تحاكي تأثيرات فقاعة الفضاء الفائق التي اكتشفها ألكوبيير، والتي ظهرت أيضا في سلسلة الخيال العلمي "ستار تريك".

ما هي فقاعة الفضاء؟ الفقاعة الفائقة أو الفقاعة الفائقة هي فقاعة كروية بيضاوية الشكل تفصل بين منطقة داخلية تكون مسطحة تقريبًا. تتحرك الفقاعة بالنسبة إلى الزمكان المسطح حولها بسرعة معينة. يتحرك عن طريق التوسع المحلي للزمكان في الخلف وانكماش معاكس في الأمام. يزيد التمدد المسافة من نقطة البداية بينما يقلل الانكماش المسافة إلى الوجهة. تم اقتراح فكرة الفقاعة الفضائية العملاقة لأول مرة في عام 1994 من قبل ميغيل ألكوبيير الذي كان يعمل آنذاك في جامعة ويلز.

لنفترض أن هناك سفينة فضاء تقف ساكنة داخل الفقاعة، نسبة إلى الزمكان الموجود في جوارها مباشرة. المركبة الفضائية لا تشعر بأي تسارع. ففي النهاية، ليس من الممكن التحرك بسرعة الضوء أو أسرع من الضوء من وجهة نظر محلية. أي أن سفينة الفضاء لا يمكنها التحرك بسرعة الضوء أو أسرع منها. لكن الفقاعة يمكنها أن تجعل الزمكان يتحرك بشكل أسرع بالنسبة لمراقب خارج الفقاعة. أي أن الفقاعة تتحرك من خلال التفاعل مع هندسة الزمكان. الفكرة هي أنه على الرغم من أنه لا يوجد شيء يمكن أن يتحرك بشكل أسرع من الضوء في الزمكان، إلا أن الزمكان نفسه لا يحد من السرعة التي يمكن بها تمدده أو تمدد أجزاء منه.

في عام 1895، تخيل أينشتاين الشاب البالغ من العمر 16 عامًا موجة تنتشر بسرعة الضوء. وسأل: ماذا سيحدث لو طاردت الموجة ولو بسرعة الضوء؟ هل سأتمكن من الحصول عليه؟ وبحسب قوانين نيوتن سينجح أينشتاين في الحصول على موجة الضوء. سوف يتحرك معها مثل راكب الأمواج الذي يركب الموجة. وستكون النتيجة موجة متجمدة تتأرجح لأعلى ولأسفل ولا تتأرجح للأمام. ولكن بالفعل في سن السادسة عشرة، أدرك أينشتاين بشكل حدسي أن مثل هذه الظاهرة لم يتم ملاحظتها أبدًا، وكان يعتقد أنه لن يتم ملاحظتها أبدًا. وهكذا بدا له هذا الفكر متناقضًا. رأى أينشتاين أنه أثناء ملاحقة موجة الضوء، يجب عليه قياس سرعة موجة الضوء نفسها التي يقاسها مراقب في حالة سكون. ولذلك فإن أينشتاين لن يركب الموجة، بل ستتحرك الموجة بالنسبة إلى أينشتاين بسرعة الضوء. وهذا الفكر هو الجرثومة الأولى للنظرية النسبية الخاصة.

وهنا نرى قسم الفضاء الفائق يسمح لأينشتاين بالحصول على موجة الضوء بسعر مادة غريبة بالطبع. مطلوب مادة غريبة أو طاقة سلبية لتنشيط الفقاعة. ولذلك، يبدو أن الفضاء الفائق يخالف النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين. لكن النسبية الخاصة تقول أنه لا يمكن مطاردة شعاع الضوء، عندما تتم مطاردة كل من آينشتاين وشعاع الضوء في الزمكان المسطح. ولكن عندما يتم تشويه الزمكان، يمكن الحصول على شعاع الضوء عن طريق اتباع طريق مختصر. ستصل المركبة الفضائية إلى وجهتها بشكل أسرع من شعاع الضوء. إن تقصير الزمكان في الأمام وتوسع الزمكان في الخلف يخلقان طريقة التقصير. وكما ذكرنا فإن السعر باهظ جدًا. والثمن هو أن المادة الغريبة ستكون موجودة كحلول لمعادلات أينشتاين للمجال في النسبية العامة.

ما هي ظروف الطاقة التي تنتهك المادة؟ ترتبط الشروط بحجم فقاعة التجويف الفائق وسمك جدران الفقاعة. إذا تم توفير الغرابة من خلال الطبيعة الكمومية للمجال، والتي توفر "التفاوتات الكمومية"، فإن انتهاكات ظروف الطاقة ستقتصر على مناطق حجم بلانك. وبالتالي فإن سمك الفقاعة سيكون نتيجة لحجم بلانك.
تسمح نظرية الكم بوجود المادة الغريبة أو الطاقة السلبية، لكنها تضع قيودًا شديدة على حجم الطاقة السلبية وطول المدة المسموح لها بالوجود. وهذا يعني أن بنية مثل مساحة الفقاعة الفائقة يجب أن تقتصر على حجم دون مجهري. وإذا كانت ذات حجم عياني، فيجب إيجاد آلية للحد من الكميات الهائلة من الطاقة السلبية إلى شرائح رفيعة قدر الإمكان، أي إلى حجم صغير جدًا.

تحتاج الجدران الرقيقة جدًا إلى كميات هائلة من المواد الغريبة. ولدعم فقاعة في الفضاء تسافر بسرعة 10 أضعاف سرعة الضوء، فإنها تحتاج إلى جدران لا يزيد سمكها عن 10-23 مترًا. يبلغ طول الفقاعة الكبيرة بما يكفي لاحتواء مركبة فضائية 200 متر، وتتطلب طاقة سلبية إجمالية تعادل 10 مليارات مرة كتلة الكون المرئي. غير عملي على الإطلاق. ولذا تحتاج الجدران الرقيقة جدًا إلى كميات هائلة من المواد الغريبة.
من الممكن تحسين بناء الفضاء الفائق عن طريق تقليل مساحة سطح الفقاعة بنفس الحجم. سيصبح إجمالي الطاقة السلبية اللازمة لدعم رجل الفضاء صغيرًا جدًا. ولكن يجب أن نأخذ في الاعتبار أنه لا بد من إضافة الطاقة الإيجابية خارج الفقاعة - وهو حل ربما يكون واقعيا للمستقبل البعيد جدا، ولا يزال بعيدا عن التحقق.
سوف ننتقل إلى المواد metamaterials. هل هم قادرون على أن يكونوا نموذجًا مختبريًا يلعب دور فقاعة الفضاء الفائق؟ يقول سموليانينوف أنه في حالة المواد الخارقة فإن انتهاك ظروف الطاقة لا يمثل مشكلة. لذلك من الممكن بناء وتحقيق فقاعة فضائية في المختبر. نحن بحاجة إلى العثور على هندسة المواد الخارقة التي يمكن أن توفر النموذج المناسب، وهذا سيساعدنا على فهم الفيزياء وراء الفقاعة الفضائية العملاقة. يقترح سموليانينوف بناء نموذج لفقاعة الفضاء الفائق من مواد خارقة مغناطيسية كهربائية مبنية من طبقات من الرنانات الحلقية المنقسمة التي تنفرد بها المواد الخارقة. وفقا لحسابات سموليانينوف، مع هذا التشبيه الميكانيكي البصري لفقاعة الفضاء الفائق، يمكن الوصول إلى سرعات تصل إلى ربع سرعة الضوء. متى سيأتي الفيزيائي الذي سينفذ فكرة سموليانينوف في المختبر، ويبتكر، ويهندس، ويضيف بضعة عناصر أخرى إلى مواد سموليانينوف الخارقة، وربما يبرهن (في المختبر بالطبع) على السفر بسرعة أكبر من الضوء؟

• المقال العلمي
• تقرير على موقع الاكتشاف
• مناقشة في منتدى ناسا