КРУЧЕНЫЙ ЛУЧ: Новое свойство света на службе астрономии.
Многие думают, что природа света хорошо изучена. В школе дети изучают призмы и линзы, а студенты носят майки с уравнениями Максвелла. Но до сих пор незамеченным оставалось явление, в котором физики пока не могут разобраться.
Кроме цвета (определяемого длиной электромагнитной волны) и поляризации (ориентации волны) световой луч характеризуется орбитальным моментом импульса (формой волновых фронтов). Оптики обнаружили это свойство около 10 лет назад, но по каким-то причинам сведения о нем остались достоянием узкого круга специалистов. Его едва заметили даже астрономы, которым так важно знать все мыслимые и немыслимые свойства света.
В ноябрьском выпуске Astrophysical Journal Martin Harwit предположил, что орбитальный момент импульса может нести дополнительную информацию о небесных телах, которую не могут дать цвет и поляризация.
В идеальном пучке света, излучаемого лазером или далекой звездой, волновые фронты представляют собой плоскости. В каждом поперечном сечении луча волна имеет одну и ту же фазу: гребни совпадают с гребнями, а впадины - с впадинами. Однако в несколько более сложном пучке фаза зависит от угла поворота относительно оси пучка. Положение '12 часов' может соответствовать гребню волны, а положение '6 часов' - впадине. Если соединить гребни волны, они образуют винтовую линию. Еще сложнее случаи, когда фаза меняется быстрее угла и гребни образуют многозаходную винтовую линию.
Как и поляризованный свет, 'закрученный' луч обладает моментом импульса: в лабораторных экспериментах он заставлял вращаться мелкие бусины. Если рассматривать свет как поток частиц и пренебречь некоторыми квантово-механическими ограничениями, то это будет выглядеть так, будто фотоны несутся по винтовой линии.
Для получения закрученного света физики пропускали луч лазера через геликоидальную линзу и направляли его на специальную дифракционную решетку. Харвит полагает, что свет также может закручиваться естественными образованиями, например, линзоподобными вариациями плотности межзвездного газа или искривлением пространства-времени вблизи вращающихся черных дыр. Внеземные цивилизации могли бы посылать информацию, используя закручивание света вместо других методов кодирования. Как показала в прошлом году группа физиков из Университета Глазго, для точного измерения 'закрученности' света можно использовать набор интерферометров.
Одно из свойств закрученного света может оказаться особенно интересным для астрономов. Как на полюсе Земли сходятся все часовые пояса, так центральная ось светового пучка содержит волны всех фаз. В результате интерференции они взаимно гасятся, создавая полную темноту. В итоге линза фокусирует луч не в точку, а в кольцо. В 2001 г. Grover Swartzlander предложил использовать эту особенность закрученного света для поиска планет за пределами Солнечной системы. Специальная дифракционная решетка, установленная в телескопе, 'размажет' свет звезды в кольцо, оставив в центре настолько темное пятно, что можно будет увидеть в миллионы и миллиарды раз более слабые объекты, находящиеся вблизи светила. Возможно, современникам Ньютона казалось очень интересным, что белый свет можно разложить в радугу цветов. Вполне вероятно, что когда-нибудь привычным станет и закрученный свет. (В мире науки, ? 2, 2004)
------------------------------------------------------------------
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
Закрученный свет можно продемонстрировать с помощью простой лазерной указки:
1. Загрузите с сайта departments. colgate.edu/physics/research/optics/ oamgp/ gp.htm изображение дифракционной решетки. Свет закручивает 'вилка', расположенная в ее центре.
2. С помощью фотокопировального устройства уменьшите изображение до 5 мм и переведите на прозрачную подложку.
3. Пропустите через 'вилку' полученного диапозитива луч лазера и направьте его на стену, расположенную на расстоянии нескольких метров от решетки. Вы увидите ряд круглых световых пятен. Все кружки, кроме среднего, окажутся дырявыми: отверстия в их центре свидетельствуют о том, что свет закручен.
