Фотонные "ударные волны" от световых пятен, двигающихся быстрее скорости света, могут использоваться для изучения объектов в глубинах Вселенной

Если взять достаточно мощную лазерную указку и "перечеркнуть" ею Луну столь быстро, насколько это возможно, то пятно света указки будет двигаться по поверхности Луны со скоростью, превышающей скорость света. Такое явление возможно из-за того, что собственно световое пятно не обладает массой, благодаря чему не нарушается ни одно из положений Специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. И недавно, Роберт Немирофф (Robert Nemiroff), профессор физики из Мичиганского технологического университета (Michigan Technological University) предложил способ практического использования такого физического курьеза для изучения космических объектов и явлений, происходящих в необозримых глубинах Вселенной.

Когда пятно света, движущееся со скоростью, приблизительно равной скорости света, проходит по неровной поверхности, оно, то ускоряясь, то замедляясь, многократно проходит через условный "световой барьер", создавая фотонные ударные волны, в которых заключена информация о трехмерной форме рассеивающего свет объекта. Физика возникновения фотонных ударных волн весьма похожа на физику возникновения звуковой ударной волны при преодолении каким-либо телом звукового барьера.

Но, фотонные ударные волны могут возникать при прохождении пятна света по поверхности Луны, по поверхности астероидов, и на далеких космических объектах, таких как газопылевые облака, освещаемые лучами света быстро вращающихся пульсаров. "Если мы научимся улавливать следы этих фотонных ударных волн и расшифровывать переносимую ими информацию, мы сможем узнать много нового об объектах нашего интереса" - рассказывает профессор Немирофф.

Для того, чтобы использовать на практике эффект фотонной ударной волны для изучения формы астероида, к примеру, требуется произвести сканирование лучом лазера этого космического тела со скоростью в несколько тысяч проходов луча в секунду. Скорость перемещения луча лазера должна быть выбрана такой, чтобы световое пятно двигалось по поверхности тела со скоростью света. Тогда на каждом проходе луча по неровностям поверхности будут возникать слабые фотонные ударные волны, несущие информацию о форме астероида. Эти фотонные волны должны быть зарегистрированы высокоскоростными камерами телескопов, а информация, содержащаяся в этих волнах, может быть извлечена при помощи последующей обработки данных на компьютере.

Но, фотонные ударные волны могут иметь и естественное происхождение. Такие эффекты наблюдаются в районе туманности NGC 2261 (Hubble's Variable Nebula), находящейся в созвездии Единорога (Monoceros constellation). В этой туманности тени, отбрасываемые облаками пыли и газа от света яркой звезды R Mon, перемещаются настолько быстро, что создают постоянные фотонные ударные волны, длительность которых исчисляется днями, неделями и месяцами, и которые удалось увидеть камерами космического телескопа Hubble.

"Фотонные ударные волны возникают повсеместно вокруг нас. Но они слишком слабы и слишком коротки для того, чтобы их можно было заметить" - рассказывает профессор Немирофф, - "В космосе длительность таких волн может быть достаточной для того, чтобы можно было не только их увидеть, но и измерить их некоторые параметры. К сожалению, раньше никто не задумывался об использовании такого явления, хотя сейчас нам ничего не мешает поставить его на службу науке".

http://www.dailytechinfo.org/news/6637-fotonnye-udarnye-volny-ot-svetovyh-pyaten...

Ученым удалось "сплести" из света ленту Мебиуса

Международная группа ученых, в состав которой вошли ученые из Канады, Европы и США, произвела ряд экспериментов, в ходе которых им удалось "сплести" разные виды лент Мебиуса из лучей света. Это, в свою очередь, послужило подтверждением теории о том, что электромагнитные поля и волны могут принимать такие специфические формы. Ленту Мебиуса создать очень просто, возьмите бумажную полоску, закрутите ее на половину полного оборота и склейте ее концы. В результате получается уникальный трехмерный объект, имеющий только одну сторону. Миллионы школьников по всему земному шару делают ленты Мебиуса каждый год, но такие экзотические объекты в природе являются очень большой редкостью.

"Свет, закрученный в виде ленты Мебиуса, является одним из немногих примеров структуры Мебиуса естественного происхождения, существующих в окружающем нас мире" - рассказывает Роберт В. Бойд (Robert W. Boyd), профессор оптики и физики из университета Рочестера.

Известно, что свет является электромагнитными волнами, состоящими из электрического и магнитного поля, колеблющихся в перпендикулярных направлениях. Направление, в котором происходят колебания электрического поля света, называется его поляризацией. Все источники света естественного происхождения и большинство источников искусственного происхождения излучают неполяризованный свет, в котором поляризация каждого фотона является случайной величиной. Но, стоит такому свету отразиться о какой-либо поверхности, к примеру, стекла или воды, он становится поляризованным в определенном направлении, параллельном плоскости отражающей поверхности.

В своих экспериментах ученые использовали свет, характеристики которого очень далеки от характеристик света от обычных источников. Это был сильно фокусированный луч лазера, свет которого имел только одно определенное значение поляризации и определенную картину распределения интенсивности в луче. Такой свет называется сильно структурированным светом, его электрическое поле колеблется сразу во всех трех измерениях, а не строго перпендикулярно направлению распространения, как это происходит в луче света обычного лазера.



Для создания сильно структурированного луча лазерного света ученые использовали череду различных оптических устройств. Самым главным компонентом этой системы была так называемая q-пластина, высокоэффективная "программируемая" линза на жидких кристаллах, разработанная итальянскими учеными Лоренцо Маррукси (Lorenzo Marrucci) и Эбрахимом Карими (Ebrahim Karimi).

Полученный структурированный луч света освещал золотую наночастицу, размер которой был меньше длины волны света, что привело к появлению весьма необычных эффектов. И одним из таких эффектов стала лента Мебиуса, "сотканная" из поляризации отраженного наночастицей света. Изменяя структуру луча света при помощи q-пластины и положение наночастицы относительно луча света ученым удалось добиться появления более сложных лент Мебиуса, закрученных не на пол-оборота, а на 3/2 и 5/2 оборота, которые являются более сложными пространственными фигурами.

И в заключение следует отметить, что, несмотря на то, что в ленту Мебиуса удалось "завязать" не сам свет, луч лазера, а поляризацию света лазера, отраженного от микроскопической частицы особым образом, данное достижение важно не только с точки зрения понимания фундаментальных свойств света, его можно будет использовать и на практике для производства сложных структур на микро- и наноуровне.

http://www.dailytechinfo.org/news/6697-uchenym-udalos-splesti-iz-sveta-lentu-meb...