Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2012 № 11

Но вот еще какие удивительные свойства света удалось недавно продемонстрировать зарубежным исследователям.

В конце 70-х годов позапрошлого столетия физики Майкл Берри из Бристольского университета (Великобритания) и Нандор Балаш из Университета Стони Брук (США) открыли, что луч света даже в однородной среде, например в воздухе, может быть кривым. В 2007 году исследователям из Университета Центральной Флориды в Орландо (США) впервые удалось получить лучи Эйри на практике при помощи лазера.

Теоретики объясняют, что изгибаются лучи Эйри потому, что содержат комбинации волн, где одна, ведущая, несет большую часть интенсивности общего луча. Другие, более слабые, колебания отстают от предыдущей на половину длины волны. При этом волны двух видов так влияют друг на друга, что ведущая искривляется в одну сторону, а хвостовые, гасящие друг друга, — в противоположную.

При этом, как оказалось, видимая часть луча Эйри почти не рассеивается при удалении от своего источника, превосходя в этом отношении даже лазерный луч.

А недавно Мордехай Сегев и его коллеги из Израильского технологического института в Хайфе нашли способ изгибать луч света под любым углом, вплоть до 360°. То есть, говоря попросту, вязать световые петли и узлы.

По словам Сегева, прежде этого не удавалось сделать из-за ограниченности самой функции Эйри, которая позволяла рассчитывать колебания волн с высокой точностью лишь для небольших углов. Но когда исследователи обратились к уравнениям Максвелла, которые описывают распространение электромагнитных волн (в том числе света), выяснилось, что существуют и такие решения, которые точно описывают подбор фаз излучаемых световых волн, необходимый, чтобы добиться получения изгибающегося пучка света.

Теоретические изыскания израильтян подтвердила на практике другая группа ученых, возглавляемая Джоном Дадли из Университета Франш-Конте (Везансон, Франция). Ученые провели эксперименты, основываясь на модификации изначальной функции Эйри. Используя пространственный модулятор света, исследователи искривили луч под углами до 60°.

Для чего пригодятся «кривые» лазерные лучи? Одно из возможных применений — усовершенствование оптического пинцета, способного без механического соприкосновения передвигать объекты по сложным траекториям.

Другое возможное применение — выжигать лазером изогнутые отверстия. Более того, лучи Эйри могут проникать даже сквозь непрозрачные препятствия, если его шлейф проходит в стороне.

Кстати, о непрозрачных препятствиях. Группа ученых из Массачусетского технологического института сконструировала видеокамеру, которая способна дать изображения объектов, скрытые от прямого обзора. При этом новая камера делает это не с помощью технологий рентгеновского видения, а благодаря своей способности заглянуть за угол.

При этом в работе новой камеры не используется ни квантовая физика, ни черная магия. Андрее Вельтен, руководитель данного проекта, рассказывает: «Нам удалось только правильно совместить известные технологии видеотехники, лазеров и компьютерной обработки…»

Видеокамера снабжена лазерными источниками света, которые освещают всю сцену импульсами, длительностью по 50 фемтосекунд. Эти импульсы отражаются от объектов во всех направлениях. Отраженный лазерный свет падает на скрытый объект и отражается от него, проецируя образ на предметах в окружающем пространстве. Эти слабые отраженные образы скрытого объекта фиксирует высокоскоростная камера и передает на обработку в компьютер, который собирает их вместе и строит почти точную трехмерную копию скрытого объекта. Благодаря высокой производительности центрального процессора компьютера все это занимает весьма мало времени — на обработку одного кадра уходит всего 15 миллионных долей секунды. При этом, правда, погрешность построения трехмерной модели составляет около 2–3 мм, поэтому на синтезированном изображении отсутствуют мелкие детали. Но в любом случае, общая форма скрытого объекта передается довольно точно.

Установка, позволяющая «заглянуть за угол»

«Да будет свет!» — говорим мы, щелкая электрическим выключателем. Но можно ли обойтись без источника света? Команде шведских ученых из Технологического университета Чалмерса удалось решить эту задачку, создав некоторое количество фотонов света из ничего, из абсолютной пустоты.

С физической точки зрения создание фотонов является достаточно легким делом, но всегда присутствует нечто, атом, элементарная частица, которые испускают эти фотоны света. Получение фотонов, которые одновременно обладают свойствами частиц и электромагнитных волн, из абсолютной пустоты попахивало бы черной магией, если бы в природе не существовало довольно странных принципов квантовой механики.

Квантовая теория говорит, что абсолютная пустота не является таковой на самом деле. Независимо от того, насколько пустым кажется область пространства стороннему наблюдателю, пустота, или вакуум, представляет собой кипящую «пену» из «виртуальных» частиц, которые постоянно появляются и исчезают. Время существования этих частиц в обычном пространстве-времени настолько мало, что их не удается зарегистрировать никакими научными приборами и измерительными методами.

Лазерные лучи можно будет использовать для манипуляции с клетками непосредственно в тканях или других сложных средах.

Шведским ученым удалось реализовать методику, с помощью которой были захвачены «виртуальные» частицы, и затем преобразовать их в крошечные частицы света — фотоны. Таким образом, им удалось получить что-то вроде бы из ничего.

Технология этого научного «фокуса» такова. Ученые заставили невероятно быстро двигаться миниатюрное «зеркало»; скорость его перемещения составляла одну четверть от скорости света. Причем это было не реальное, материальное, зеркало. Его роль выполняло электромагнитное поле, генерируемое сверхпроводящей обмоткой высокочастотного электромагнита и колеблющееся с частотой миллиарды циклов в секунду.

Когда «виртуальные» фотоны сталкивались с поверхностью двигающегося «зеркала», у них не оставалось времени для того, чтобы исчезнуть. Энергия этих фотонов поглощалась «зеркалом», которое излучало избыток энергии в виде обычных реальных фотонов.