Ein Tischtest der allgemeinen Relativitätstheorie?

Sogar Albert Einstein könnte beeindruckt gewesen sein. Seine allgemeine Relativitätstheorie, die beschreibt, wie die Schwerkraft eines massiven Objekts wie eines Sterns Raum und Zeit krümmen kann, wurde verwendet, um kleine Verschiebungen in der Umlaufbahn von Merkur, Gravitationslinsen durch Galaxien und Schwarze Löcher und die vorherzusagen Existenz von Gravitationswellen. Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass es bald möglich sein könnte, die Auswirkungen der allgemeinen Relativitätstheorie in Laborexperimenten auf dem Tisch zu untersuchen.

Xiang Zhang, ein Fakultätswissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums und Professor an der University of California in Berkeley, leitete eine Studie, die die Wechselwirkungen von Licht und Materie mit der Raumzeit zeigt, wie dies durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt wird unter Verwendung der neuen Generation künstlicher optischer Materialien untersucht werden, die außergewöhnliche Fähigkeiten zum Biegen von Licht und anderen Formen elektromagnetischer Strahlung aufweisen.

„Wir schlagen eine Verbindung zwischen dem neu entstandenen Gebiet der künstlichen optischen Materialien und dem der Himmelsmechanik vor und eröffnen so eine neue Möglichkeit, astronomische Phänomene in einem Labor auf dem Tisch zu untersuchen“, sagt Zhang. "Wir haben eine neue Klasse speziell entwickelter optischer Medien eingeführt, die die periodischen, quasi-periodischen und chaotischen Bewegungen nachahmen können, die in Himmelsobjekten beobachtet werden, die komplexen Gravitationsfeldern ausgesetzt waren."

Zhang, Hauptforscher bei der Abteilung für Materialwissenschaften im Berkeley Lab und Direktor des Nano-Science and Engineering Center der UC Berkeley, war einer der Pioniere bei der Entwicklung künstlicher optischer Materialien. Letztes Jahr machten er und seine Forschungsgruppe Schlagzeilen, als sie einzigartige Metamaterialien – Verbundwerkstoffe aus Metallen und Dielektrika – herstellten, die das Licht nach hinten biegen konnten, eine Eigenschaft, die als negative Brechung bekannt ist und in der Natur beispiellos ist. In jüngerer Zeit haben er und seine Gruppe einen „Teppichmantel“ aus nanostrukturiertem Silizium hergestellt, der das Vorhandensein von darunter liegenden Objekten vor der optischen Erkennung verdeckt. Diese Bemühungen deuteten nicht nur darauf hin, dass echte Unsichtbarkeitsmaterialien in Reichweite sind, sagte Zhang, sondern stellten auch einen wichtigen Schritt in Richtung Transformationsoptik dar, die „die Tür zur Manipulation des Lichts nach Belieben öffnen“ würde.

Jetzt haben er und seine Forschungsgruppe gezeigt, dass eine neue Klasse von Metamaterialien, die als "Photonenfallen mit kontinuierlichem Index" oder CIPTs bezeichnet werden, als breitbandige und strahlungsfreie "perfekte" optische Hohlräume dienen können. CIPTs können Licht auf ähnliche Weise wie Himmelsphänomene wie Schwarze Löcher und Gravitationslinsen steuern, verlangsamen und einfangen. Diese Äquivalenz zwischen der Bewegung der Sterne in gekrümmter Raumzeit und der Ausbreitung des Lichts in optischen Metamaterialien, die in einem Labor hergestellt wurden, wird als "optisch-mechanische Analogie" bezeichnet.

Laut Zhang können solche speziell entwickelten Metamaterialien wertvolle Werkzeuge sein, um die Bewegung massereicher Himmelskörper in Gravitationspotentialen unter einer kontrollierten Laborumgebung zu untersuchen. Die Beobachtung solcher Himmelsphänomene durch Astronomen ist aufgrund der langen Zeitskalen der Wechselwirkungen auf astronomischer Ebene oft unpraktisch.

„Wenn wir unseren optischen Metamaterialraum in neue Koordinaten verwandeln, wird das Licht, das sich im realen Raum in geraden Linien bewegt, im verdrehten Raum unserer Transformationsoptik gekrümmt“, sagt Zhang. „Dies ist sehr ähnlich zu dem, was mit Sternenlicht passiert, wenn es sich durch ein Gravitationspotential bewegt und eine gekrümmte Raumzeit erfährt. Dieses Analogon zwischen klassischem Elektromagnetismus und allgemeiner Relativitätstheorie könnte es uns ermöglichen, optische Metamaterialien zu verwenden, um Relativitätsphänomene wie Gravitationslinsen zu untersuchen. “

In ihren Demonstrationsstudien verwendete das Team eine Verbundstruktur aus Luft und dem Halbleiter Gallium Indium Arsenid Phosphide (GaInAsP). Dieses Material lieferte einen Betrieb im infraroten Spektralbereich und wies einen hohen Brechungsindex bei geringer Absorption auf.

Zhang und seine Mitautoren zitieren in ihrer Arbeit als besonders interessante Perspektive für die Anwendung künstlicher optischer Materialien auf die optisch-mechanische Analogie die Untersuchung des als Chaos bekannten Phänomens. Das Einsetzen des Chaos in dynamischen Systemen ist eines der faszinierendsten Probleme in der Wissenschaft und wird in so unterschiedlichen Bereichen wie molekularer Bewegung, Populationsdynamik und Optik beobachtet. Insbesondere kann ein Planet um einen Stern eine chaotische Bewegung erfahren, wenn eine Störung wie ein anderer großer Planet vorliegt. Aufgrund der großen räumlichen Abstände zwischen den Himmelskörpern und der langen Zeiträume, in denen ihre Dynamik untersucht wurde, war die direkte Beobachtung der chaotischen Planetenbewegung eine Herausforderung. Die Verwendung der optisch-mechanischen Analogie kann es ermöglichen, solche Studien bei Bedarf in einem Laborlabor durchzuführen.

"Im Gegensatz zu Astronomen müssen wir nicht 100 Jahre warten, um experimentelle Ergebnisse zu erhalten", sagt Zhang.

Das Papier mit dem Titel „Nachahmung der Himmelsmechanik in Metamaterialien“ ist jetzt online in der Zeitschrift Nature Physics erhältlich.

Quelle: Lawrence Berkeley National Lab

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