Každý student fyziky ví, že světlo se pohybuje po přímce. Nyní však vědci prokázali, že světlo se může pohybovat i po křivce, a to bez jakéhokoli vnějšího vlivu. Tento efekt je vlastně optickým klamem, i když podle vědců by mohl mít praktické využití, například pro pohyb předmětů světlem na dálku.
Je dobře známo, že světlo se ohýbá. Když například světelné paprsky procházejí ze vzduchu do vody, prudce se stáčejí; proto se zdá, že se hůl ponořená do rybníka naklání směrem k hladině. Ve vesmíru se světelné paprsky procházející v blízkosti velmi hmotných objektů, jako jsou hvězdy, pohybují po křivkách. V každém případě má ohýbání světla vnější příčinu: U vody je to změna optické vlastnosti zvané index lomu a u hvězd je to deformace způsobená gravitací.
Aby se však světlo ohýbalo samo od sebe, je neslýchané – téměř neslýchané. Koncem 70. let 20. století objevili fyzikové Michael Berry z Bristolské univerzity ve Velké Británii a Nandor Balazs ze Státní univerzity v New Yorku ve Stony Brook, že takzvaná Airyho vlna, vlna popisující pohyb kvantových částic, se někdy může o malý kousek ohnout. Tato práce byla do značné míry ignorována až do roku 2007, kdy Demetri Christodoulides a další fyzikové z University of Central Florida v Orlandu vytvořili optickou verzi Airyho vlny manipulací s laserovým světlem a zjistili, že výsledný paprsek se při průchodu detektorem mírně zakřivil.
Jak toto samovolné ohýbání fungovalo? Světlo je změť vln a jejich vrcholy a dna se mohou navzájem rušit. Například pík procházející korytem se vzájemně ruší a vytváří tmu; pík procházející jiným píkem „konstruktivně interferuje“ a vytváří jasný bod. Nyní si představte světlo vyzařované ze širokého pásu – třeba ze zářivky nebo lépe z laseru, jehož výstup byl rozšířen. Pečlivým řízením počáteční polohy vlnových vrcholů – fáze vlnění – na každém kroku podél pásu lze docílit toho, že světlo putující ven interferuje konstruktivně pouze v bodech na křivce a všude jinde se ruší. Airyho funkce, která obsahuje rychlé, ale zmenšující se oscilace, se ukázala jako snadný způsob, jak definovat tyto počáteční fáze – až na to, že výsledné světlo se ohýbá jen asi do 8°.
Nyní fyzikové Mordechaj Segev a jeho kolegové z Technionu, Izraelského technologického institutu, v Haifě tvrdí, že mají recept na to, aby se světlo samo ohnulo přes jakýkoli úhel, dokonce i přes celý kruh. Problém s Airyho funkcí, říká Segev, spočívá v tom, že tvar jejích kmitů určuje správné fáze pouze při malých úhlech; při úhlech mnohem větších než 8° se tvar stává hrubou aproximací. Jeho skupina se proto obrátila na Maxwellovy rovnice, 150 let starou čtveřici matematických vzorců, které popisují šíření elektromagnetických vln, jako je světlo. Po náročných matematických výpočtech a dohadech našli vědci řešení Maxwellových rovnic, která přesně popisují počáteční fáze potřebné pro skutečně samovolné ohýbání světla, jak uvádějí tento týden v časopise Physical Review Letters.
„Airyho funkce je řešením pro přibližný případ,“ říká Segev. „Pokud chcete jít do velkých úhlů, musí mít správný tvar. Lidé si mysleli, že žádný správný tvar neexistuje, že se řešení vždy rozpadne – ale my jsme ukázali, že je to špatně.“
Práce Segevovy skupiny mohla zůstat teoretická, ale shodou okolností skupina vedená Johnem Dudleym na Univerzitě Franche-Comté ve francouzském Besançonu provádí vlastní experimenty se samohybným světlem. Úpravou stávající Airyho funkce se Dudleyho skupině podařilo najít počáteční hodnoty fáze, které se shodovaly s řešením izraelské skupiny, i když o něm nevěděla. Pomocí zařízení zvaného prostorový modulátor světla k předběžnému nastavení fáze rozšířeného svazku laserového světla francouzská skupina zjistila, že výsledné světlo se samo ohýbá až o 60°, jak uvede později tento měsíc v časopise Optics Letters.
Samovolně se ohýbající světlo by mohlo být elegantním zpestřením optické pinzety. Tato zařízení, která byla vyvinuta v 80. letech 20. století, využívají sílu vytvořenou intenzivním laserovým světlem k udržení mikroskopických objektů ve vzduchu. Segev se domnívá, že nahrazením laserových paprsků samohybným světlem by vědci mohli přinutit uvězněné objekty, aby se pohybovaly po složitých drahách, aniž by se jich dotkly. Zakřivené světlo by tak mohlo selektivně přemístit buňky z biologického vzorku – což by bylo přínosem pro bioinženýry.
Fyzik Pavel Polynkin z Arizonské univerzity v Tucsonu navrhuje další využití: -vypálení zakřiveného otvoru do materiálu, což by s běžným laserem nebylo možné. Navzdory takovým aplikacím však upozorňuje, že samotné světlo ve skutečnosti není zakřivené, pouze se tak jeví, a to díky způsobu, jakým se interferenční jasné body řadí. Ve skutečnosti podle něj většina světelného výkonu nesměřuje k jasné křivce, ale do tmavých oblastí, které byly zrušeny. „Nezpochybňuji vědecký význam této práce,“ dodává. „Uvádí důležitý příspěvek. … Zatím nebyly porušeny žádné základní fyzikální zákony – a to je podle mého názoru dobře.“