Британские учёные выведали секреты тьмы в свете

Исследователи из университетов Глазго (University of Glasgow) и Бристоля (University of Bristol) провели численный и натурный эксперименты, раскрывшие новые особенности формирования так называемых оптических вихрей — хаотических (на первый взгляд) областей тьмы в потоке монохроматического света.

Оптические вихри можно наблюдать, к примеру, когда лазерный свет проходит через неидеальную, неоднородную среду или отражается от не идеально гладкой поверхности. Говоря упрощённо: когерентные волны, отражаясь от различных точек такой "грубой" поверхности, накладываются друг на друга, в результате чего появляется множество мелких "крапинок", в которых свет пропадает.

При движении наблюдателя относительно такой поверхности иногда даже возникает обратный эффект, когда чёрные крапинки превращаются в "искорки". Крапинки эти есть фактически "проекция" тонких линий (оптических вихрей), которые проходят через всё световое поле.

Многие лаборатории занимаются изучением свойств этой "тьмы в свете", и вот теперь британские экспериментаторы сумели установить любопытные закономерности в поведении оптических вихрей.

Учёные составили компьютерную модель, рассчитывающую суперпозицию световых волн, а также — провели эксперимент, в котором 10-миллиметровый (в сечении) монохроматический лазерный луч проходил через экран из матового стекла. Используя данные интерферометра и компьютерные расчёты, авторы новой работы составили трёхмерную модель структуры оптических вихрей.

Так было установлено, что эти вихри обладают рекурсивными свойствами броуновского движения. То есть, напоминают по форме траекторию броуновской частицы и в то же время — являются фракталами.

Последнее означает, что вид вихрей не меняется при смене масштаба изображения, то есть линии вихрей в световом поле обладают масштабной инвариантностью.

На этом сюрпризы света не закончились.

Компьютер показал, что линии оптических вихрей делятся на два типа. Первый: бесконечные разомкнутые линии, проходящие через весь луч. Они составляют 73% от общего числа вихрей. Оставшиеся 27% — это замкнутые вихри, петли, занимающие каждая свой маленький объём.

Это соотношение, также как масштабная инвариантность, удивительным образом совпадают с моделями совсем других объектов — космических струн — чрезвычайно тонких, длинных и плотных дефектов в пространстве-времени, которые, как предполагают современные физики, сформировались в ранней Вселенной и, возможно, повлияли на возникновение галактик.

Такое совпадение экспериментаторы считают не случайным, утверждая, что открыли некое универсальное свойство всех оптических полей.

Ведущий автор этой работы, Кевин О'Холлеран (Kevin O’Holleran) из университета Глазго, поясняет, что значение открытия простирается дальше оптики, что оно обращается к другим областям физики.

Возможно, открытое явление имеет более глубокую фундаментальную природу и показывает, что вихревые линии тьмы в свете регулируются более общими законами, нежели просто волновые уравнения.

Исследователи намерены продолжить изучение оптических вихрей, в частности, разобраться детальнее с их топологией, посмотреть, как часто такие вихри образуют узлы или соединяются друг с другом. А пока результаты проведённых опытов изложены в статье британских учёных в журнале Physical Review Letters.