Alla fysikstudenter vet att ljuset färdas i en rak linje. Men nu har forskare visat att ljuset också kan färdas i en kurva, utan någon yttre påverkan. Effekten är egentligen en optisk illusion, även om forskarna säger att den skulle kunna ha praktiska användningsområden, t.ex. att flytta föremål med ljus på långt håll.
Det är välkänt att ljus böjs. När ljusstrålar passerar från luft till vatten, till exempel, tar de en skarp sväng; det är därför en pinne doppad i en damm verkar luta mot ytan. Ute i rymden ser man att ljusstrålar som passerar i närheten av mycket massiva objekt som t.ex. stjärnor färdas i kurvor. I varje fall har ljusets böjning en yttre orsak: För vatten är det en förändring av en optisk egenskap som kallas brytningsindex, och för stjärnor är det gravitationens förvrängande karaktär.
Att ljuset böjs av sig självt är dock ohörbart – nästan. I slutet av 1970-talet upptäckte fysikerna Michael Berry vid University of Bristol i Storbritannien och Nandor Balazs vid State University of New York, Stony Brook, att en så kallad Airy-vågform, en våg som beskriver hur kvantpartiklar rör sig, ibland kan böja sig en liten bit. Detta arbete ignorerades i stort sett tills 2007, då Demetri Christodoulides och andra fysiker vid University of Central Florida i Orlando genererade optiska versioner av Airy-vågor genom att manipulera laserljus och upptäckte att den resulterande strålen böjdes något när den passerade en detektor.
Hur fungerade denna självböjning? Ljus är ett virrvarr av vågor, och deras toppar och dalar kan interferera med varandra. Till exempel upphäver en topp som passerar en dal varandra och skapar mörker; en topp som passerar en annan topp ”interfererar konstruktivt” och skapar en ljuspunkt. Föreställ dig nu ljus som sänds ut från en bred remsa – kanske ett lysrör eller, ännu bättre, en laser vars utgång har utökats. Genom att noggrant kontrollera vågtopparnas utgångsläge – vågornas fas – vid varje steg längs remsan är det möjligt att få ljuset som färdas utåt att interferera konstruktivt endast vid punkter på en kurva och utplåna sig överallt annars. Airy-funktionen, som innehåller snabba men avtagande svängningar, visade sig vara ett enkelt sätt att definiera dessa inledande faser – förutom att det resulterande ljuset bara skulle böjas upp till ungefär 8°.
Nu säger fysikerna Mordechai Segev och hans kollegor vid Technion, Israel Institute of Technology, i Haifa att de har ett recept för att få ljuset att böja sig självt genom vilken vinkel som helst, till och med genom en hel cirkel. Problemet med Airy-funktionen, säger Segev, är att formen på dess svängningar anger de rätta faserna endast vid små vinklar; vid vinklar som är mycket större än 8° blir formen en grov approximation. Så hans grupp vände sig till Maxwells ekvationer, den 150 år gamla kvartetten av matematiska formler som beskriver utbredningen av elektromagnetiska vågor som t.ex. ljus. Efter mödosam matematik och gissningar hittade forskarna lösningar till Maxwells ekvationer som exakt beskriver de inledande faser som krävs för verkligt självböjande ljus, vilket de rapporterar denna vecka i Physical Review Letters.
”Airy-funktionen är en lösning för ett ungefärligt fall”, säger Segev. ”Om man vill gå till stora vinklar måste man ha rätt form. Folk trodde att det inte fanns någon korrekt form, att lösningen alltid skulle falla sönder – men vi har visat att det är fel.”
Arbetet i Segevs grupp kan ha förblivit teoretiskt, men av en slump har en grupp ledd av John Dudley vid universitetet i Franche-Comté i Besançon, Frankrike, utfört sina egna experiment om självböjande ljus. Genom att modifiera den befintliga Airy-funktionen lyckades Dudleys grupp hitta värden för initialfasen som stämmer överens med den israeliska gruppens lösning, trots att de inte kände till den. Genom att använda en anordning som kallas spatial ljusmodulator för att i förväg justera fasen hos en expanderad laserstråle fann den franska gruppen att det resulterande ljuset böjde sig självt med upp till 60°, vilket kommer att rapporteras senare denna månad i Optics Letters.
Självböjande ljus kan ge en snygg twist på optiska pincetter. Dessa anordningar, som utvecklades på 1980-talet, använder den kraft som skapas av intensivt laserljus för att hålla mikroskopiska objekt i luften. Segev tror att genom att ersätta laserstrålarna med självböjande ljus skulle forskarna kunna tvinga fasthållna föremål att färdas längs komplexa banor utan att röra vid dem. På så sätt skulle det böjda ljuset selektivt kunna flytta celler bort från ett biologiskt prov – en välsignelse för bioingenjörer.
Fysikern Pavel Polynkin vid Arizonas universitet i Tucson föreslår en annan tillämpning: att bränna ett böjt hål genom ett material, vilket skulle vara omöjligt med en vanlig laser. Men trots sådana tillämpningar påpekar han att ljuset i sig självt faktiskt inte kröker sig, det ser bara ut att göra det, på grund av det sätt på vilket de ljusa interferenspunkterna är uppradade. I själva verket, säger han, går det mesta av ljusets kraft inte mot den ljusa kurvan, utan mot de svaga områden som har upphävts. ”Jag ifrågasätter inte den vetenskapliga betydelsen av artikeln”, tillägger han. ”Den rapporterar ett viktigt bidrag. … Inga grundläggande fysikaliska lagar har hittills brutits – och det är bra, enligt min mening.”