A Mirror Hold Together by Laser
Φανταστείτε ένα διαστημικό τηλεσκόπιο στο μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου που ζυγίζει όσο μερικές φέτες ψωμί. Οι ερευνητές έκαναν ένα βήμα προς αυτόν τον στόχο δημιουργώντας έναν μικρό καθρέφτη από μικροσκοπικά σωματίδια πολυστυρενίου, που συγκρατούνται μεταξύ τους με λέιζερ. Χωρίς περιορισμούς βάρους, τα τηλεσκόπια θα μπορούσαν να είναι πολύ πιο ισχυρά από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.
Όταν πρόκειται για διαστημικά τηλεσκόπια, τα μεγαλύτερα είναι καλύτερα. Τηλεσκόπια όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble χρησιμοποιούν μεγάλους καθρέφτες για να συλλέξουν φως και όσο μεγαλύτερος είναι ο καθρέφτης, τόσο περισσότερο φως μπορούν να συλλέξουν, επιτρέποντάς τους να δουν τους πιο αμυδρούς και πιο μακρινούς γαλαξίες. Αλλά οι μεγάλοι, βαρείς καθρέφτες είναι δαπανηρές για την κατασκευή και την εκτόξευση στο διάστημα. Έτσι, οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν έναν τρόπο για να προχωρήσουν σε μεγάλο βαθμό χωρίς να βαραίνουν.
Το 1970, ο φυσικός Arthur Ashkin των Bell Labs στο Holmdel του New Jersey, συνειδητοποίησε ότι οι ακτίνες λέιζερ μπορούσαν να κρατήσουν μικροσκοπικά σωματίδια στη θέση τους. Από τότε, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει λέιζερ για να παγιδεύουν άτομα, μόρια και άλλα μικρά σωματίδια. Χρησιμοποιώντας αυτά τα λεγόμενα οπτικά τσιμπιδάκια, για παράδειγμα, οι βιολόγοι μπόρεσαν να διερευνήσουν ιούς, κύτταρα, βακτήρια και DNA.
Στη συνέχεια, το 1979, ο αστρονόμος Antoine Labeyrie, τώρα στο Κολλέγιο της Γαλλίας στο Παρίσι, πρότεινε ότι τα λέιζερ θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να παγιδεύουν και να μαζώνουν μια συλλογή σωματιδίων για να σχηματίσουν μια ανακλαστική επιφάνεια, δημιουργώντας έναν εξαιρετικά ελαφρύ καθρέφτη για ένα διαστημικό τηλεσκόπιο. Ένα τηλεσκόπιο 35 μέτρων, για παράδειγμα, θα ζύγιζε μόνο 100 γραμμάρια. Αντίθετα, ο κύριος καθρέφτης του Hubble έχει πλάτος 2,4 μέτρα αλλά ζυγίζει 828 κιλά γραμμάρια. Όχι μόνο το τηλεσκόπιο θα ήταν ελαφρύ, αλλά θα μπορούσε επίσης να διορθωθεί αν χτυπηθεί από ιπτάμενους μετεωρίτες. «Η φυσική τάση των σωματιδίων θα ήταν να επιστρέψουν στην κατάσταση ισορροπίας τους και να αναμορφώσουν τη μεμβράνη», εξηγεί ο φυσικός Tomasz Grzegorczyk της BAE Systems στο Μπέρλινγκτον της Μασαχουσέτης. "Αυτό είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα."
Αναφορά αυτού του μήνα στις Επιστολές φυσικής αναθεώρησης Ο Grzegorczyk και οι συνεργάτες του στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Λωζάνη λένε ότι έχουν χρησιμοποιήσει λέιζερ για να τακτοποιήσουν περίπου 150 σφαιρίδια με διάμετρο 3 μικρά για να δημιουργήσουν μια επίπεδη, ανακλαστική επιφάνεια. Στο πείραμα, οι χάντρες περιέχονται σε ένα γυάλινο κελί γεμάτο νερό. Μια ακτίνα λέιζερ λάμπει κάτω από τις χάντρες, με αποτέλεσμα να ευθυγραμμιστούν σε μια επίπεδη επιφάνεια. Για να δείξουν ότι η επιφάνεια ήταν όντως ένας καθρέφτης, οι ερευνητές τον χρησιμοποίησαν για να αντανακλούν μια εικόνα του αριθμού οκτώ που δημιουργήθηκε από το λάμποντας φως μέσω ενός διαφανούς χάρακα. Υπολόγισαν επίσης ότι μια ανακλαστική επιφάνεια που δημιουργείται με τη διαμόρφωση ενός σμήνος μικροσκοπικών σωματιδίων σε μια παραβολή θα μπορούσε να εστιάσει μια εικόνα όπως ακριβώς κάνει ένας καθρέφτης του τηλεσκοπίου.
Υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει πριν να κατασκευαστεί ένα τέτοιο τηλεσκόπιο, αναγνωρίζει ο Grzegorczyk. «Είναι ένα βήμα προς αυτό, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν τεράστιες προκλήσεις», λέει. Για ένα, ένα πραγματικό τηλεσκόπιο πιθανότατα θα έπρεπε να είναι τουλάχιστον περίπου ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο, κάτι που θα απαιτούσε ισχυρά λέιζερ που δεν υπάρχουν ακόμη. Ίσως η μεγαλύτερη δυσκολία θα ήταν να καταλάβουμε πώς να σταθεροποιήσουμε τα σωματίδια στο κενό του διαστήματος, λέει. Στο πείραμα, το νερό στο οποίο βυθίζονται οι χάντρες βοηθά στην αποτροπή των σωματιδίων από το να κινούνται γύρω και να προκαλέσουν τη διάσπαση του σχηματισμού πλέγματος. Ωστόσο, τα εναπομείναντα εμπόδια είναι κυρίως τεχνολογικά, λέει ο Grzegorczyk, και η τεχνολογία βελτιώνεται συνεχώς.
«Το γεγονός ότι πέτυχαν να φτιάξουν έναν καθρέφτη είναι ένα φανταστικό επίτευγμα», λέει ο φυσικός Gian-Luca Lippi του Μη Γραμμικού Ινστιτούτου της Νίκαιας στη Γαλλία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. Αν και οι θεωρητικές μελέτες είχαν προηγουμένως προτείνει ότι αυτό ήταν δυνατό, σημειώνει, αυτή είναι η πρώτη πειραματική επίδειξη.
Αλλά η φυσικός Jene Golovchenko του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ είναι πιο δύσπιστη. Επειδή το πείραμα βασίζεται στο νερό μέσα σε μια γυάλινη κυψέλη, «παρακάμπτει εντελώς τα πραγματικά σοβαρά ζητήματα που απαιτούν δημιουργικές λύσεις για έναν διαστημικό καθρέφτη», λέει. Ο τρόπος με τον οποίο οι ερευνητές επιβεβαιώνουν ότι ο αριθμός οκτώ αντανακλάται πράγματι από τα σωματίδια φαίνεται λανθασμένος και τα δεδομένα που προκύπτουν δεν είναι αρκετά ποσοτικοποιημένα. Τα αποτελέσματα δεν έχουν μετρηθείσες εντάσεις και συζήτηση για το χωρικό μέγεθος και την ανάλυση των εικόνων. "Το να το θεωρούμε ως σημαντική πρόοδο νομίζω ότι είναι αδικαιολόγητο", λέει ο Golovchenko.
Ο φυσικός Michael Burns, επίσης από το Χάρβαρντ, συμφωνεί ότι δεν είναι σαφές πόσο αποτελεσματικός είναι ο καθρέφτης στην ανάκλαση του φωτός. Αλλά, λέει, «δείχνουν ότι η αρχή είναι σωστή». Το έργο κάνει ένα τηλεσκόπιο λίγο πιο κοντά στην πραγματικότητα, προσθέτει. "Πρέπει να κάνετε βήματα προς αυτή την κατεύθυνση, και αυτό είναι ωραίο."
