Orice student la fizică știe că lumina se deplasează în linie dreaptă. Dar acum cercetătorii au demonstrat că lumina se poate deplasa și într-o curbă, fără nicio influență externă. Efectul este de fapt o iluzie optică, deși cercetătorii spun că ar putea avea utilizări practice, cum ar fi deplasarea obiectelor cu ajutorul luminii de la distanță.
Este bine cunoscut faptul că lumina se curbează. Atunci când razele de lumină trec din aer în apă, de exemplu, ele iau o curbă bruscă; de aceea un băț scufundat într-un iaz pare să se încline spre suprafață. În spațiu, razele de lumină care trec prin apropierea unor obiecte foarte masive, cum ar fi stelele, se vede că se deplasează în curbe. În fiecare caz, curbarea luminii are o cauză externă: În cazul apei, este vorba de o modificare a unei proprietăți optice numită indice de refracție, iar în cazul stelelor, este vorba de natura deformantă a gravitației.
Cu toate acestea, ca lumina să se curbeze de la sine, este ceva nemaiîntâlnit – aproape nemaiîntâlnit. La sfârșitul anilor 1970, fizicienii Michael Berry, de la Universitatea din Bristol, Marea Britanie, și Nandor Balazs, de la Universitatea de Stat din New York, Stony Brook, au descoperit că așa-numita formă de undă Airy, o undă care descrie modul în care se mișcă particulele cuantice, se poate îndoi uneori cu o cantitate mică. Această lucrare a fost în mare parte ignorată până în 2007, când Demetri Christodoulides și alți fizicieni de la University of Central Florida din Orlando au generat versiuni optice ale undelor Airy prin manipularea luminii laser și au constatat că fascicululul rezultat se curba ușor în timp ce traversa un detector.
Cum a funcționat această autocoborâre? Lumina este un amalgam de unde, iar vârfurile și depresiunile lor pot interfera unele cu altele. De exemplu, un vârf care trece pe lângă un depresor se anulează reciproc pentru a crea întuneric; un vârf care trece pe lângă un alt vârf „interferează constructiv” pentru a crea un punct luminos. Acum, imaginați-vă lumina emisă de o bandă largă – poate un tub fluorescent sau, mai bine zis, un laser a cărui ieșire a fost extinsă. Prin controlul atent al poziției inițiale a vârfurilor de undă – faza undelor – la fiecare pas de-a lungul benzii, este posibil să facem ca lumina care călătorește spre exterior să interfereze constructiv doar în punctele de pe o curbă și să se anuleze peste tot în rest. Funcția Airy, care conține oscilații rapide, dar descrescătoare, s-a dovedit a fi o modalitate ușoară de a defini aceste faze inițiale – cu excepția faptului că lumina rezultată s-ar curba doar până la aproximativ 8°.
Acum, fizicienii Mordechai Segev și colegii de la Technion, Institutul de Tehnologie din Israel, din Haifa, spun că au o rețetă pentru a face ca lumina să se îndoaie singură prin orice unghi, chiar și printr-un cerc complet. Problema cu funcția Airy, spune Segev, este că forma oscilațiilor sale specifică fazele corecte doar la unghiuri mici; la unghiuri mult mai mari de 8°, forma devine o aproximație grosolană. Astfel, grupul său a apelat la ecuațiile lui Maxwell, cvartetul de formule matematice vechi de 150 de ani care descriu propagarea undelor electromagnetice, cum ar fi lumina. După calcule matematice laborioase și presupuneri, cercetătorii au găsit soluții la ecuațiile lui Maxwell care descriu cu precizie fazele inițiale necesare pentru ca lumina să se îndoaie cu adevărat singură, după cum raportează săptămâna aceasta în Physical Review Letters.
„Funcția Airy este o soluție pentru un caz aproximativ”, spune Segev. „Dacă doriți să ajungeți la unghiuri mari, trebuie să aveți forma potrivită. Oamenii credeau că nu există o formă adecvată, că soluția se va destrăma întotdeauna – dar noi am demonstrat că acest lucru este greșit.”
Munca grupului lui Segev ar fi putut rămâne teoretică, dar, prin coincidență, un grup condus de John Dudley de la Universitatea din Franche-Comté din Besançon, Franța, a efectuat propriile experimente asupra luminii care se îndoaie singură. Prin modificarea funcției Airy existente, grupul lui Dudley a reușit să găsească valori inițiale ale fazei inițiale care se potrivesc cu soluția grupului israelian, chiar dacă nu era la curent cu aceasta. Utilizând un dispozitiv numit modulator spațial de lumină pentru a regla în prealabil faza unui fascicul extins de lumină laser, grupul francez a constatat că lumina rezultată se îndoaie singură cu până la 60°, după cum va raporta în cursul acestei luni în Optics Letters.
Lumina care se îndoaie singură ar putea da o întorsătură frumoasă la pensetele optice. Aceste dispozitive, care au fost dezvoltate în anii 1980, folosesc forța creată de lumina laser intensă pentru a ține obiecte microscopice în aer. Segev crede că, prin înlocuirea fasciculelor laser cu lumină care se îndoaie singură, cercetătorii ar putea forța obiectele prinse să se deplaseze de-a lungul unor traiectorii complexe fără să le atingă. Astfel, lumina curbată ar putea îndepărta în mod selectiv celulele de o mostră biologică – o binecuvântare pentru bioingineri.
Fizicianul Pavel Polynkin de la Universitatea din Arizona din Tucson sugerează o altă aplicație: -arderea unei găuri curbate printr-un material, ceea ce ar fi imposibil cu un laser obișnuit. Dar, în ciuda acestor aplicații, el subliniază că lumina în sine nu se curbează de fapt, ci doar pare să o facă, din cauza modului în care se aliniază punctele luminoase de interferență. De fapt, spune el, cea mai mare parte a puterii luminii nu se îndreaptă spre curba luminoasă, ci spre zonele întunecate care au fost anulate. „Nu contest semnificația științifică a lucrării”, adaugă el. „Ea raportează o contribuție importantă. … nicio lege fundamentală a fizicii nu a fost încălcată până acum – și acesta este un lucru bun, în opinia mea.”