Każdy student fizyki wie, że światło porusza się po linii prostej. Jednak teraz naukowcy wykazali, że światło może również poruszać się po krzywej, bez żadnego zewnętrznego wpływu. Efekt ten jest w rzeczywistości złudzeniem optycznym, choć naukowcy twierdzą, że może mieć praktyczne zastosowania, takie jak przesuwanie obiektów za pomocą światła z daleka.
Dobrze wiadomo, że światło się wygina. Kiedy promienie świetlne przechodzą z powietrza do wody, na przykład, biorą ostry zakręt; to dlatego kij zanurzony w stawie wydaje się przechylać w kierunku powierzchni. W przestrzeni kosmicznej promienie świetlne przechodzące w pobliżu bardzo masywnych obiektów, takich jak gwiazdy, są zakrzywiane. W każdym przypadku ugięcie światła ma zewnętrzną przyczynę: W przypadku wody jest to zmiana właściwości optycznej zwanej współczynnikiem załamania, a w przypadku gwiazd jest to wypaczająca natura grawitacji.
Dla światła, aby zginać przez siebie, jednak, jest niespotykane – prawie. Pod koniec lat 70. fizycy Michael Berry z University of Bristol w Wielkiej Brytanii i Nandor Balazs z State University of New York, Stony Brook, odkryli, że tak zwana fala Airy’ego, fala opisująca ruch cząstek kwantowych, może czasami zginać się o niewielką wartość. Praca ta była w dużej mierze ignorowana aż do 2007 roku, kiedy to Demetri Christodoulides i inni fizycy z University of Central Florida w Orlando wygenerowali optyczną wersję fal Airy’ego poprzez manipulowanie światłem laserowym i odkryli, że powstała w ten sposób wiązka lekko się zakrzywia podczas przechodzenia przez detektor.
Jak zadziałało to samozaginanie? Światło jest zlepkiem fal, a ich szczyty i muldy mogą się wzajemnie zakłócać. Na przykład, szczyt przechodzący przez koryto znosi się wzajemnie, tworząc ciemność; szczyt przechodzący przez inny szczyt „interferuje konstruktywnie”, tworząc jasny punkt. Wyobraźmy sobie teraz światło emitowane z szerokiego paska – może to być świetlówka lub, jeszcze lepiej, laser, którego moc wyjściowa została rozszerzona. Starannie kontrolując początkowe położenie szczytów fal – fazę fal – na każdym kroku wzdłuż paska, można sprawić, że światło podróżujące na zewnątrz będzie interferować konstruktywnie tylko w punktach na krzywej i zanikać wszędzie indziej. Funkcja Airy’ego, która zawiera szybkie, ale malejące oscylacje, okazała się łatwym sposobem na określenie tych początkowych faz – z tym wyjątkiem, że wynikowe światło zginałoby się tylko do około 8°.
Teraz fizycy Mordechai Segev i współpracownicy z Technion, Izraelskiego Instytutu Technologii, w Hajfie twierdzą, że mają receptę na samozaginanie się światła pod dowolnym kątem, nawet przez pełne koło. Problem z funkcją Airy’ego, mówi Segev, polega na tym, że kształt jej oscylacji określa właściwe fazy tylko przy małych kątach; przy kątach znacznie większych niż 8°, kształt staje się tylko przybliżeniem. Jego grupa zwróciła się więc do równań Maxwella, 150-letniego kwartetu wzorów matematycznych opisujących rozchodzenie się fal elektromagnetycznych, takich jak światło. Po żmudnej matematyce i zgadywaniu, naukowcy znaleźli rozwiązania równań Maxwella, które dokładnie opisują początkowe fazy wymagane dla prawdziwie samozginającego się światła, jak donoszą w tym tygodniu w Physical Review Letters.
„Funkcja Airy’ego jest rozwiązaniem dla przybliżonego przypadku”, mówi Segev. „Jeśli chcesz przejść do dużych kątów, musisz mieć odpowiedni kształt. Ludzie myśleli, że nie ma właściwego kształtu, że rozwiązanie zawsze się rozpadnie – ale pokazaliśmy, że to jest błędne.”
Praca grupy Segeva mogła pozostać teoretyczna, ale przez przypadek grupa kierowana przez Johna Dudleya na Uniwersytecie Franche-Comté w Besançon, we Francji, przeprowadzała własne eksperymenty nad samozginającym się światłem. Modyfikując istniejącą funkcję Airy’ego, grupa Dudleya zdołała znaleźć początkowe wartości fazy, które pasują do rozwiązania izraelskiej grupy, mimo że ta nie była tego świadoma. Używając urządzenia zwanego przestrzennym modulatorem światła do wstępnej regulacji fazy rozszerzonej wiązki światła laserowego, francuska grupa odkryła, że powstałe światło samoczynnie wygina się nawet o 60°, o czym poinformuje jeszcze w tym miesiącu w Optics Letters.
Samozaginające się światło może stanowić zgrabną odmianę pęsety optycznej. Urządzenia te, które zostały opracowane w latach 80-tych, wykorzystują siłę wytwarzaną przez intensywne światło laserowe do utrzymywania mikroskopijnych obiektów w powietrzu. Segev uważa, że zastępując wiązki laserowe samozginającym się światłem, badacze mogliby zmusić uwięzione obiekty do poruszania się po skomplikowanych ścieżkach bez dotykania ich. W ten sposób zakrzywione światło mogłoby selektywnie odsuwać komórki od próbki biologicznej – dobrodziejstwo dla bioinżynierów.
Fizyk Pavel Polynkin z University of Arizona w Tucson sugeruje inne zastosowanie: -wypalenie zakrzywionej dziury w materiale, co byłoby niemożliwe przy użyciu zwykłego lasera. Jednak pomimo takich zastosowań, zauważa on, że światło w rzeczywistości nie jest zakrzywione, a jedynie wydaje się być zakrzywione, ze względu na sposób, w jaki interferencyjne jasne punkty ustawiają się w linii. W rzeczywistości, mówi on, większość mocy światła nie idzie w kierunku jasnej krzywej, ale w przyciemnione obszary, które zostały zniwelowane. „Nie podważam naukowego znaczenia tej pracy,” dodaje. „Jest to ważny wkład. … żadne fundamentalne prawa fizyki nie zostały jak dotąd złamane – i to jest moim zdaniem dobra rzecz”.