Ένα φαινόμενο Doppler για μακρινούς πλανήτες

Ένα ασθενοφόρο περνάει και ξαφνικά η σειρήνα του πέφτει στο βήμα. Όλοι γνωρίζουμε το φαινόμενο Doppler, ακόμα κι αν δεν το γνωρίζουμε με το όνομά του. Τώρα, οι επιστήμονες έχουν βρει μια εναλλακτική εκδοχή του φαινομένου, όταν ο ήχος ή το φως διασκορπίζονται από ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να επιτρέψει στους αστρονόμους να μετρήσουν την περιστροφή ενός μακρινού πλανήτη ή ακόμα και να βελτιώσουν την απόδοση των ανεμογεννητριών.

Δείτε πώς λειτουργεί το φαινόμενο Doppler:Όταν ένα θορυβώδες αντικείμενο κινείται προς το μέρος σας, τα ηχητικά του κύματα συσσωρεύονται, παράγοντας υψηλότερη συχνότητα ή τόνο. Αντίθετα, μόλις το αντικείμενο απομακρύνεται από εσάς, τα ηχητικά κύματα εκτείνονται και ο τόνος χαμηλώνει. Όσο πιο γρήγορο είναι το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη είναι η αλλαγή του τόνου.

Το φαινόμενο Doppler εμφανίζεται τόσο για το φως όσο και για τον ήχο. Για παράδειγμα, οι αστρονόμοι καθορίζουν συστηματικά πόσο γρήγορα απομακρύνονται τα αστέρια και οι γαλαξίες μετρώντας την έκταση στην οποία το φως τους «τεντώνεται» στο χαμηλότερης συχνότητας, κόκκινο τμήμα του φάσματος. Ερυθρές μετατοπίσεις όπως αυτή χρησιμοποιήθηκαν περίφημα τη δεκαετία του 1920 για να συμπεράνουμε ότι τα περισσότερα αστέρια και γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς και ότι το σύμπαν πρέπει να διαστέλλεται.

Οι μετατοπίσεις του κόκκινου στο φως και η πτώση των σειρήνων που περνούν είναι και τα δύο παραδείγματα γραμμικού φαινομένου Doppler. Τις τελευταίες δεκαετίες, ωστόσο, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το φαινόμενο Doppler υπάρχει και για αντικείμενα που περιστρέφονται. Το 1981, ο χημικός Bruce Garetz στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης έδειξε ότι εάν ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο εκπέμπει κυκλικά πολωμένο φως, η συχνότητα αυτού του φωτός μετατοπίζεται. Στη συνέχεια, το 1997, οι φυσικοί Iwo Bialynicki–Birula στο Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής στη Βαρσοβία και η Zofia Bialynicka–Birula στο Ινστιτούτο Φυσικής, επίσης στη Βαρσοβία, κατέληξαν σε μια παραλλαγή του περιστροφικού φαινομένου Doppler, εκμεταλλευόμενη το λεγόμενο τροχιακό γωνιακό ορμή (OAM) φωτός.

Όταν το φως έχει OAM, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά του πεδία περιστρέφονται έτσι ώστε να δίνουν στη φάση του μια συστροφή σαν τιρμπουσόν καθώς το φως διαδίδεται στο διάστημα. Οι Iwo και Zofia Bialynicki–Birula έδειξαν ότι ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο που εκπέμπει φως θα διαποτίσει αυτό το φως με OAM. Ως αποτέλεσμα, μια μέτρηση του OAM θα ​​επέτρεπε σε κάποιον να συμπεράνει την περιστροφή του αντικειμένου. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο σήμερα στο Science Ωστόσο, ο φυσικός Miles Padgett και ο Martin Lavery στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης στο Ηνωμένο Βασίλειο και συνάδελφοι από το Πανεπιστήμιο του Strathclyde, επίσης στη Γλασκώβη, έχουν προχωρήσει ένα βήμα παραπέρα:αποδεικνύοντας ότι το φως λαμβάνει μια μετατόπιση Doppler στο OAM απλώς διασκορπίζοντας ένα περιστρεφόμενο αντικείμενο.

Οι ερευνητές έκαναν την ανακάλυψή τους ρίχνοντας ένα λέιζερ σε έναν ταχέως περιστρεφόμενο πλαστικό ρότορα. Συνέλεξαν το διάσπαρτο φως σε έναν ανιχνευτή, ο οποίος το φιλτράρει σε δύο σήματα θετικού (περιστρεφόμενου δεξιόστροφα) και αρνητικού (αριστερόστροφα περιστρεφόμενου) OAM. Αν και ο ρότορας δεν άλλαξε το συνολικό OAM του φωτός, μετατόπισε το θετικό του OAM υψηλότερη σε συχνότητα και το αρνητικό OAM του χαμηλότερο σε συχνότητα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτόν τον διαχωρισμό συχνότητας για να προσδιορίσουν την ταχύτητα περιστροφής του ρότορα.

Τα περισσότερα αντικείμενα δεν εκπέμπουν φως. το σκορπίζουν προς τα μάτια μας από άλλες πηγές, όπως λαμπτήρες ή τον ήλιο. Για το λόγο αυτό, ο Padgett προτείνει ότι η μετατόπιση Doppler του σκεδαζόμενου φωτός - η οποία θα πρέπει επίσης να δημιουργηθεί σε ηχητικά κύματα - θα μπορούσε να βρει χρήσιμες εφαρμογές. Για παράδειγμα, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να το χρησιμοποιήσουν για να προσδιορίσουν την περιστροφή μακρινών πλανητών, λέει. Πίσω στη Γη, προσθέτει, τα λέιζερ θα μπορούσαν να σταλούν μέσω αιολικών πάρκων για να καθορίσουν την περιστροφή των ρευμάτων αέρα. "Αν είστε ανεμόμυλος, θα θέλατε να γνωρίζετε εκ των προτέρων τον θυελλώδη άνεμο, ώστε να μπορείτε να δένετε τις λεπίδες σας."

Ο μηχανικός Άλαν Γουίλνερ στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες επικροτεί το γεγονός ότι γίνονται ακόμα «θεμελιώδεις» ανακαλύψεις για τα κύματα — ιδιαίτερα με το OAM του φωτός, το οποίο ανακαλύφθηκε μόλις πριν από περίπου 20 χρόνια. "[Padgett] έχει πυροδοτήσει αυτόν τον ενθουσιασμό σε όλη την επιστημονική κοινότητα σχετικά με αυτήν την πρόσφατα κατανοητή ιδιότητα του φωτός", λέει.