Завихрените лазерни лъчи могат да пренасят информация с помощта на гравитационни вълни

Скорошно проучване демонстрира възможността за използване на усукани лазерни лъчи за създаване на гравитационни вълни – с помощта на Беселови лъчи. Това постижение може да доведе до създаването на комуникационни системи с по-надеждно и ефективно прехвърляне на данните. То би могло да осигури и нов инструмент за изучаване на сложните астрофизични явления.

Непрестанното изследване на възможностите за комуникация накара учените да се обърнат към астрофизичните явления като гравитационните вълни, за да намерят нови методи за пренос на информация. В тази връзка в едно скорошно проучване се разглежда възможността за използване на завихрящи се лазерни лъчи за генериране на направлявани гравитационни вълни, което отваря нова глава в изследванията в областта на физиката и комуникациите.

В това изследване, ръководено от Университета Гренобъл-Алпи, Франция, се изследват възможностите на Беселовите лъчи във високочестотния режим и се разглеждат последиците от тази технология за ефективното предаване на сигурни съобщения. Работата е публикувана в платформата за предпечатни публикации arXiv и очаква партньорска проверка.

Съвършено нова област за изследвания

Гравитационните вълни, явление, предсказано от общата теория на относителността на Айнщайн, са вълни в пространство-времето, породени от ускореното движение на масивни обекти, като например черни дупки. Те са обект на интензивни изследвания, целящи да разгадаят някои от тайните на нашата Вселена.

В този контекст изследването, ръководено от Килиан Мартино и колегите му, се характеризира с новост на подхода. Изследователите изучават способността на завихрената светлина, форма на светлината, която притежава орбитален ъглов момент, да генерира гравитационни вълни във високочестотен режим. По-конкретно, тяхното изследване разглежда Беселовите лъчи – решения на уравненията на Максуел, описващи електромагнитните вълни.

Беселовите лъчи

Името на Беселовите лъчи идва от математика Фридрих Бесел заради връзката им с функциите на Бесел, които са решения на диференциалното уравнение на Бесел.

За разлика от обикновените Гаусови лъчи, които се разсейват с увеличаване на разстоянието, Беселовите лъчи имат забележителното свойство да се променят след стълкновение с препятствие, което ги прави недифрактивни. Това свойство означава, че Беселовите лъчи могат да запазят формата си на големи разстояния, без да се разсейват, което е особено полезно за различни приложения, като микроскопията, манипулирането на частици и, както беше споменато, генерирането на гравитационни вълни.

Беселовите лъчи могат да бъдат създадени с помощта на специални оптични елементи – аксикони, които преобразуват Гаусовите лъчи в Беселови лъчи. Уникалните свойства на Беселовите лъчи, като например способността им да се разпространяват без дифракция и да се възстановяват от препятствия, ги правят изключително ценни във физиката и приложната оптика, позволявайки нови подходи и експерименти в изследването на светлината и електромагнитните вълни.

Завихрената светлина и гравитационните вълни

Усуканите (завихрените) лазерни лъчи са нова технология, която използва светлинни лъчи с орбитален ъглов момент, който позволява на фотоните да се движат по спираловидна траектория. Тази уникална характеристика дава възможност на завихрените лазери да пренасят значително количество енергия, което ги прави особено интересни за генериране на гравитационни вълни.

Могат да се модулират специфични свойства на генерираните гравитационни вълни, като честота, вид на поляризацията и посока на излъчване. Изследователите могат да регулират параметрите на лазерния импулс, като например неговата продължителност и интензивност, както и оптичната верига, за да контролират прецизно тези свойства. Това означава, че теоретично учените могат да създават гравитационни вълни с подходящи характеристики за конкретни приложения.

Последствията за науката

Възможността за манипулиране на гравитационните вълни в малки мащаби открива широк спектър от възможности в различни области на научните изследвания. В областта на фундаменталната физика тя може да позволи да се проверят и потвърдят теориите за природата на пространство-времето и гравитацията.

В областта на комуникациите уникалните свойства на гравитационните вълни, като например способността им да преминават през материята, без да се променят, могат да направят възможно създаването на изключително безопасни и ефективни комуникационни системи. Предаваната чрез гравитационни вълни информация би била устойчива на смущения и подслушване, което би осигурило ненадминато ниво на сигурност при предаването на информация.

Освен това гравитационните вълни, като космически пратеници, могат да предоставят ценна информация за небесни обекти и астрофизични явления, която не е достъпна чрез традиционните методи за наблюдение – създаването на радари работещи с гравитационни вълни. По този начин учените могат косвено да проучват все още неизследвани космически явления.