När människor, djur och maskiner rör sig över hela världen trycker de alltid mot något, oavsett om det är marken, luften eller vattnet. Fram till nyligen trodde fysiker att detta var en konstant, efter lagen om bevarande momentum. Nu har forskare från Georgia Institute of Technology bevisat motsatsen – när kroppar finns i krökta utrymmen visar det sig att de faktiskt kan röra sig utan att trycka mot något.

Resultaten publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences den 28 juli 2022. I tidningen skapade ett team av forskare ledda av Zeb Rocklin, biträdande professor vid School of Physics vid Georgia Tech, en robot begränsad till en sfärisk yta med oöverträffade nivåer av isolering från sin omgivning, så att dessa krökningsinducerade effekter skulle dominera.

"Vi låter vårt formförändrande objekt röra sig på det enklaste krökta utrymmet, en sfär, för att systematiskt studera rörelsen i krökt utrymme", sa Rocklin. "Vi lärde oss att den förutspådda effekten, som var så kontraintuitiv att den avfärdades av vissa fysiker, verkligen inträffade:när roboten ändrade sin form gick den framåt runt sfären på ett sätt som inte kunde tillskrivas miljöinteraktioner."

Skapa en krökt bana

Forskarna satte sig för att studera hur ett föremål rörde sig inom ett krökt utrymme. För att begränsa föremålet på sfären med minimal interaktion eller utbyte av momentum med miljön i det krökta utrymmet, låter de en uppsättning motorer köra på krökta spår som rörliga massor. De kopplade sedan detta system holistiskt till en roterande axel så att motorerna alltid rör sig på en sfär. Axeln stöddes av luftlager och bussningar för att minimera friktionen, och axelns inriktning justerades med jordens gravitation för att minimera den kvarvarande gravitationskraften.

Därifrån, medan roboten fortsatte att röra sig, utövade tyngdkraften och friktionen små krafter på den. Dessa krafter hybridiserade med krökningseffekterna för att producera en märklig dynamik med egenskaper som varken kunde framkalla på egen hand. Forskningen ger en viktig demonstration av hur krökta utrymmen kan uppnås och hur den i grunden utmanar fysiska lagar och intuition utformade för platta utrymmen. Rocklin hoppas att de experimentella teknikerna som utvecklats kommer att tillåta andra forskare att utforska dessa krökta utrymmen.

Applikationer i rymden och utanför

Även om effekterna är små, när robottekniken blir allt mer exakt, kan förståelsen av denna krökningsinducerade effekt vara av praktisk betydelse, precis som den lilla frekvensförskjutningen som induceras av gravitationen blev avgörande för att tillåta GPS-system att korrekt förmedla sina positioner till satelliter i omloppsbana. I slutändan kan principerna för hur ett utrymmes krökning kan utnyttjas för förflyttning tillåta rymdfarkoster att navigera i det mycket krökta utrymmet runt ett svart hål.

"Denna forskning relaterar också till studien "Impossible Engine", säger Rocklin. "Dess skapare hävdade att den kunde röra sig framåt utan något drivmedel. Den motorn var verkligen omöjlig, men eftersom rumtiden är väldigt svagt krökt, kunde en enhet faktiskt röra sig framåt utan några yttre krafter eller avge ett drivmedel - en ny upptäckt." + Utforska vidare

Ljuskoppling för fritt utrymme med hjälp av böjda mikrospeglar