Enhver fysikstuderende ved, at lys bevæger sig i en lige linje. Men nu har forskere vist, at lys også kan bevæge sig i en kurve uden nogen ydre påvirkning. Effekten er faktisk en optisk illusion, selv om forskerne siger, at den kan have praktiske anvendelser som f.eks. at flytte objekter med lys på afstand.
Det er velkendt, at lys bøjer sig. Når lysstråler f.eks. passerer fra luft til vand, tager de en skarp drejning; det er derfor, at en pind dyppet i en dam ser ud til at hælde mod overfladen. Ude i rummet kan man se, at lysstråler, der passerer nær meget massive objekter som f.eks. stjerner, bevæger sig i kurver. I hvert tilfælde har lysets bøjning en ydre årsag: For vand er det en ændring i en optisk egenskab kaldet brydningsindekset, og for stjerner er det tyngdekraftens forvrængning.
At lyset bøjer af sig selv er imidlertid uhørt – næsten uhørt. I slutningen af 1970’erne opdagede fysikerne Michael Berry fra University of Bristol i Det Forenede Kongerige og Nandor Balazs fra State University of New York, Stony Brook, at en såkaldt Airy-bølgeform, en bølge, der beskriver, hvordan kvantepartikler bevæger sig, nogle gange kan bøje sig med en lille mængde. Dette arbejde blev stort set ignoreret indtil 2007, hvor Demetri Christodoulides og andre fysikere ved University of Central Florida i Orlando genererede optiske versioner af Airy-bølger ved at manipulere laserlys og fandt ud af, at den resulterende stråle bøjede sig en smule, da den passerede en detektor.
Hvordan virkede denne selvbøjning? Lys er et virvar af bølger, og deres bølgetoppe og bølgedybder kan interferere med hinanden. F.eks. ophæver en top, der passerer et lavpunkt, hinanden og skaber mørke; en top, der passerer en anden top, “interfererer konstruktivt” og skaber et lyst punkt. Forestil dig nu lys, der udsendes fra en bred strimmel – måske et lysstofrør eller, endnu bedre, en laser, hvis output er blevet udvidet. Ved omhyggeligt at kontrollere bølgetoppernes udgangsposition – bølgernes fase – på hvert trin langs striben er det muligt at få det lys, der bevæger sig udad, til at interferere konstruktivt kun på punkterne på en kurve og udligne sig alle andre steder. Airy-funktionen, som indeholder hurtige men aftagende svingninger, viste sig at være en nem måde at definere disse indledende faser på – bortset fra at det resulterende lys kun ville bøje op til ca. 8°.
Nu siger fysikerne Mordechai Segev og kolleger fra Technion, Israel Institute of Technology, i Haifa, at de har en opskrift på, hvordan man kan få lyset til at bøje sig selv gennem enhver vinkel, selv gennem en hel cirkel. Problemet med Airy-funktionen, siger Segev, er, at formen af dens svingninger kun angiver de rigtige faser ved små vinkler; ved vinkler meget større end 8° bliver formen en grov tilnærmelse. Så hans gruppe vendte sig mod Maxwells ligninger, den 150 år gamle kvartet af matematiske formler, der beskriver udbredelsen af elektromagnetiske bølger som f.eks. lys. Efter møjsommelig matematik og gætterier fandt forskerne løsninger på Maxwells ligninger, der præcist beskriver de indledende faser, der kræves for virkelig selvbøjende lys, som de rapporterer i denne uge i Physical Review Letters.
“Airy-funktionen er en løsning for et tilnærmelsesvist tilfælde”, siger Segev. “Hvis du ønsker at gå til store vinkler, skal du have den rette form. Folk troede, at der ikke var nogen korrekt form, at løsningen altid ville falde fra hinanden – men vi har vist, at det er forkert.”
Arbejdet i Segevs gruppe kunne være forblevet teoretisk, men tilfældigvis har en gruppe under ledelse af John Dudley ved universitetet i Franche-Comté i Besançon i Frankrig udført sine egne eksperimenter med selvbøjende lys. Ved at ændre den eksisterende Airy-funktion lykkedes det Dudleys gruppe at finde indledende faseværdier, der passer til den israelske gruppes løsning, selv om de ikke var klar over det. Ved hjælp af en anordning kaldet en rumlig lysmodulator til at forudjustere fasen af en udvidet laserlysstråle fandt den franske gruppe, at det resulterende lys selvbøjede sig med op til 60°, hvilket den vil rapportere senere på måneden i Optics Letters.
Selvbøjende lys kan give en nydelig drejning til optiske pincetter. Disse anordninger, som blev udviklet i 1980’erne, bruger den kraft, der skabes af intenst laserlys, til at holde mikroskopiske objekter i luften. Segev mener, at forskerne ved at erstatte laserstrålerne med selvbøjende lys kan tvinge de indespærrede objekter til at bevæge sig langs komplekse baner uden at røre dem. På den måde kan det bøjede lys selektivt flytte celler væk fra en biologisk prøve – en velsignelse for bioingeniører.
Fysiker Pavel Polynkin fra University of Arizona i Tucson foreslår en anden anvendelse: – at brænde et buet hul gennem et materiale, hvilket ville være umuligt med en almindelig laser. Men på trods af sådanne anvendelser påpeger han, at selve lyset faktisk ikke bøjer sig, det ser kun ud til at gøre det på grund af den måde, hvorpå de interferenslysende pletter er linet op. Faktisk, siger han, går det meste af lysets effekt ikke mod den lyse kurve, men mod de svage områder, der er blevet annulleret. “Jeg bestrider ikke den videnskabelige betydning af artiklen”, tilføjer han. “Den rapporterer et vigtigt bidrag. … Der er ikke blevet brudt nogen grundlæggende fysiklove indtil videre – og det er en god ting, efter min mening.”