¿Qué pasaría si la luz pudiera viajar en una línea curva?

La luz se dobla .. n el término se conoce como automezcla

¿Cómo funcionó esta auto-flexión? La luz es un revoltijo de olas, y sus picos y valles pueden interferir entre sí. Por ejemplo, un pico que pasa un canal se cancela entre sí para crear oscuridad; un pico que pasa a otro pico “interfiere constructivamente” para crear un punto brillante. Ahora, imagine la luz emitida desde una banda ancha, tal vez un tubo fluorescente o, mejor, un láser cuya salida se ha expandido. Al controlar cuidadosamente la posición inicial de los picos de las olas (la fase de las olas) en cada paso a lo largo de la franja, es posible hacer que la luz que viaja hacia el exterior interfiera constructivamente en solo puntos de una curva y se cancele en cualquier otro lugar. La función Airy, que contiene oscilaciones rápidas pero decrecientes, demostró ser una manera fácil de definir esas fases iniciales, excepto que la luz resultante se doblaría solo hasta aproximadamente 8 °.

Ahora, los físicos Mordechai Segev y sus colegas del Technion, Instituto de Tecnología de Israel, en Haifa, dicen que tienen una receta para hacer que la luz se doble automáticamente en cualquier ángulo, incluso a través de un círculo completo. El problema con la función Airy, dice Segev, es que la forma de sus oscilaciones especifica las fases correctas solo en ángulos pequeños; en ángulos muy superiores a 8 °, la forma se convierte en una aproximación cruda. Entonces, su grupo recurrió a las ecuaciones de Maxwell, el cuarteto de fórmulas matemáticas de 150 años que describe la propagación de ondas electromagnéticas como la luz. Después de laboriosas matemáticas y conjeturas, los investigadores encontraron soluciones a las ecuaciones de Maxwell que describen con precisión las fases iniciales requeridas para una luz verdaderamente autodeslizante, como informaron esta semana en Physical Review Letters.

“La función Airy es una solución para un caso aproximado”, dice Segev. “Si desea que [la flexión] vaya a ángulos grandes, [la solución] debe tener la forma adecuada. La gente pensó que no había una forma adecuada, que la solución siempre se vendría abajo, pero hemos demostrado que eso está mal”. ”

El trabajo del grupo de Segev podría haber seguido siendo teórico, pero por coincidencia, un grupo dirigido por John Dudley en la Universidad de Franche-Comté en Besançon, Francia, ha estado realizando sus propios experimentos con luz de auto-flexión. Al modificar la función Airy existente, el grupo de Dudley logró encontrar valores de fase iniciales que coinciden con la solución del grupo israelí, a pesar de que no lo sabían. Usando un dispositivo llamado modulador de luz espacial para preajustar la fase de un haz de luz láser expandido, el grupo francés descubrió que la luz resultante se doblaba hasta 60 °, como informará más adelante este mes en Optics Letters.

La luz auto-doblable podría darle un toque especial a las pinzas ópticas. Estos dispositivos, que se desarrollaron en la década de 1980, utilizan la fuerza creada por la intensa luz láser para retener objetos microscópicos en el aire. Segev cree que al reemplazar los rayos láser con luz auto-curvable, los investigadores podrían forzar a los objetos atrapados a viajar a lo largo de caminos complejos sin tocarlos. Al hacerlo, la luz curva podría alejar selectivamente las células de una muestra biológica, una bendición para los bioingenieros.

El físico Pavel Polynkin de la Universidad de Arizona en Tucson sugiere otra aplicación: quemar un agujero curvo a través de un material, lo que sería imposible con un láser normal. Pero a pesar de tales aplicaciones, señala que la luz en sí no se curva realmente, solo parece, debido a la forma en que se alinean los puntos brillantes de interferencia. De hecho, dice, la mayor parte del poder de la luz no va hacia la curva brillante, sino hacia las áreas oscuras que han sido canceladas. “No estoy cuestionando la importancia científica del artículo”, agrega. “Informa una contribución importante … [Pero] hasta ahora no se han violado leyes fundamentales de física, y eso es algo bueno, en mi opinión”.

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz se verá afectada de la misma manera que la gravedad afecta a la materia. Esto se debe a que bajo esta teoría, deberíamos pensar en la gravedad no en términos de fuerzas similares a los vectores, sino como consecuencia de la “forma” del universo.

Desde el punto de vista de Newton, la gravedad era una fuerza dirigida linealmente con la cual todos los objetos con masa tiraban de todos los demás objetos con masa. Su análisis mostró que la fuerza de la fuerza era proporcional al producto de las dos masas que se atraían entre sí, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Así, una manzana y la tierra se tirarían la una hacia la otra, y la manzana “cae” del árbol. Dado que la luz (ya sea percibida como un rayo o un fotón) no tiene masa, la ecuación de Newton predice que no será atraída por la gravedad hacia nada, sin importar cuán masiva sea.

Para construir un marco teórico que fuera consistente para todos los observadores y que no dependiera de un marco de referencia fijo independiente, Einstein tuvo que descartar esta percepción de cómo funciona la gravedad e idear una nueva comprensión. Según esta teoría, todos los objetos con masa alteran la curvatura del espacio-tiempo, el tejido de 4 dimensiones del universo. Los objetos que se mueven a través del espacio-tiempo simplemente siguen las curvas que se han creado.

Dado que los cerebros humanos no son buenos para representar cosas en 4 dimensiones, generalmente recurrimos a una analogía en 3 dimensiones. Imagine el espacio-tiempo como una lámina de goma, estirada cuando no hay materia presente. Si colocamos un objeto masivo como una estrella en este “espacio”, empuja hacia abajo dentro de la lámina de goma creando un hoyuelo o hoyo en la goma. un asteroide que volaba junto a la estrella no viajaría en línea recta a medida que rodaba a lo largo de la sábana, se curvaría a medida que avanzaba por la pendiente, saliendo en una nueva dirección. Si un objeto estuviera yendo a la velocidad correcta, podría atascarse en el hoyuelo y viajar alrededor de la estrella en una órbita como una bola alrededor de una ruleta. Hasta ahora, las predicciones de esta teoría son las mismas que las de Newton, pero ahora viene una gran diferencia: si la luz viajara a lo largo de esta lámina de goma del espacio-tiempo, también seguiría la curva, ya que la curvatura del espacio ya está creada por la estrella. De hecho, si el pozo es lo suficientemente profundo y las paredes muy empinadas, la luz podría caer dentro del pozo y nunca escapar. (lo que llamamos un agujero negro) Newton no notó esta curvatura de la luz porque se necesitan objetos muy masivos para obtener algo tan rápido como la luz para curvarse lo suficiente como para que puedas notarlo. Esta es la misma razón por la que todavía aprendemos y usamos la ecuación de Newton: funciona bien la mayor parte del tiempo. Pero los experimentos han demostrado que, de hecho, Newton estaba equivocado y que la luz ES atraída hacia el objeto con masa, como predijo la teoría de Einstein.

Algunos otros enfoques,

Según la gravedad newtoniana, la luz no se ve afectada por la gravedad, ya que la luz no tiene masa. La ley de Einstein E = mc^2 , sugiere inmediatamente que la luz se ve afectada por la gravedad. Este es realmente el caso y se ha observado experimentalmente a través de lentes gravitacionales y otros efectos.

La propagación clásica de la luz en la relatividad general (GR) viene dada por las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell y la identidad de Bianci.

dF = 0

y

d * F = 0

Donde d es la derivada exterior, F es la intensidad de campo en forma 2 y * es el operador de dualidad de Hodge.

La forma más fácil de describir los rayos de luz y los conos de luz es a través de la óptica geométrica. En esta aproximación, el campo electromagnético se escribe como una amplitud que varía lentamente y una fase que varía rápidamente.

Usando esta aproximación en las ecuaciones de Maxwell, vemos que la luz viaja a lo largo de geodésicas nulas ( ds = 0 ). Además, el vector de onda y la polarización se transportan en paralelo a lo largo de estos rayos geodésicos nulos. La amplitud varía a medida que el haz se enfoca o diverge. La relación de dispersión es k^2 = 0 . (k es el vector de onda).

Esto significa que los conos de luz se identifican con conos nulos en el espacio-tiempo y la relación de dispersión k^2 = 0 . En pocas palabras, los conos de luz son los mismos que los conos nulos y ambos describen la estructura causal del espacio-tiempo.

El método es “simplemente” para resolver la ecuación geodésica nula que le dará los caminos que recorrerá la luz.

Hasta ahora, lo que he dicho es general y, por supuesto, en la práctica puede ser muy difícil de calcular. El ejemplo obvio a considerar es el espacio-tiempo de Schwartzschild. Cualquier libro sobre GR cubrirá esto, ya que este espacio-tiempo es casi el único observado experimentalmente (aparte de las soluciones cosmológicas).

Resolver la ecuación geodésica nula para este fondo da un ángulo de desviación de 4m / R donde m es la masa de la estrella y R es el radio de la estrella. Esto fue observado por Eddington en 1919 y se utilizó como prueba de que GR tiene razón.

La luz parece seguir líneas curvas todo el tiempo: la gravedad afecta todo, incluida la luz, pero debido a que la luz está yendo tan rápido, en realidad no vemos la curvatura a menos que lo que lo está causando esté muy lejos, la gravedad es realmente fuerte y La luz es bastante brillante.

Sin embargo, la cosa es que también puedes pensarlo de otra manera. Una consecuencia de la relatividad general es que la luz sigue líneas rectas todo el tiempo, y es el espacio mismo el que se dobla.

Sin embargo, la mayoría de las veces, debido a que cualquier curvatura de un haz de luz es extremadamente pequeña en comparación con casi cualquier otra cosa, simplemente nos olvidamos de todo eso y decimos que la luz va en línea recta.

Y en * esas * circunstancias, realmente tiene que ser una línea recta en la que está entrando. ¿En qué ley de la física vas a apoyarte para que vaya en una curva? Las ondas de luz caen directamente de las ecuaciones de Maxwell, eso es algo bastante fundamental. Si tuviera que meterse con estos, entonces cosas como las brújulas y los motores eléctricos dejarían de funcionar, y mucho menos las computadoras.

Lo más fácil podría ser, de nuevo, usar las ecuaciones que dicen que la luz va en línea recta, pero modificarlas ligeramente en cierta región del espacio: efectivamente, tire un ancla en un lado del rayo de luz, despacio hacia abajo y darle la vuelta un poco.

La razón por la que digo esto es porque así es como modelas la refracción.

Entonces el objeto del que emana la luz aparecería en una posición diferente de donde realmente está. Esta fue la prueba de la relatividad general en la que la gravedad del sol doblaba el espacio-tiempo y una estrella ubicada detrás del sol durante un eclipse era visible cuando su luz se doblaba alrededor del sol.

Cuando la luz viaja cerca de un objeto masivo, como una estrella, viaja en un camino curvo. Esto se ha observado muchas veces con nuestro sol durante el eclipse total, y sigue siendo una de las verificaciones tempranas más importantes de la relatividad general. La interpretación más correcta es decir que la luz viaja en línea recta en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones y que un objeto masivo deforma el espacio cerca de él.

Bueno, la trayectoria de la luz puede doblarse cerca de fuentes gravitacionales fuertes. Entonces, esto realmente sucede todo el tiempo, ha sido probado y observado.

No se puede asignar cosa con mucha precisión al mensaje. Estoy enviando le rescatará a las madres iPhone. Todo el plan de estudios físico sería el cambio.

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