By reflecting a laser beam from a specially designed hologram (shown here as the colored circle), physicists created knots of dark filaments (represented by the colored knot). Credit: Mark Dennis.
科學家利用一個電腦控制的全像圖和理論物理學，把一束光轉變成像椒鹽卷餅的形狀。
Physicists have twisted dark filaments into knots by using a laser beam and a computer-controlled hologram. The results have implications for the future laser devices. Credit: Mark Dennis.
這種扭曲的工藝不僅導致一些非常美麗的圖案的產生，這一結果對未來的雷射裝置研製也會產生重大影響。
科學家成功給光打結：將光束變卷餅狀
引自科學網
據“生活科學”報導，光跟鞋帶和電線一樣，也可以扭曲、打結。現在科學家利用一個電腦控制的全像圖(hologram)和理論物理學，把一束光轉變成像椒鹽卷餅的形狀。
研究人員表示，這種扭曲的工藝不僅導致一些非常美麗的圖案的產生，而且對未來的雷射裝置研製也會產生重大影響。
英格蘭布里斯托爾大學的首席研究人員馬克•鄧尼斯說：“在太空中穿行的光束就像在河流中流淌的水。”雖然雷射指揮棒等物體發出的光都是沿直線運行，但是它也能呈螺旋方式運行。這種旋轉的光被稱作光旋渦(optical vortices)。光沿著螺旋路線運行，最終達到奇點，也就是沒有了光。
鄧尼斯說：“我們周圍的光充滿了這種黑線，只是我們看不到它們。我們的工作就是彎曲這些黑色結構，使光束打結。”研究人員知道，可以通過全像圖製成光學旋渦。全像圖對光的流向起到引導作用。通過利用所謂的纖維紐結理論(fibered knot theory)，鄧尼斯和同事們製成了全像圖，並通過反射作用，讓常規雷射光束遠離它。纖維紐結理論是在日常打結的啟發下，出現的一種抽象數學分支。
鄧尼斯說：“全像圖就像一根引入光的纖維，跟教堂裏的彩色玻璃窗非常相似。經過一面彩色玻璃窗後，光會出現窗戶的彩色圖案。”不過它們之間也存在差異，鄧尼斯說：“彩色玻璃窗控制顏色，全像圖控制光波的狀態。”因此全像圖上的每個點，就像窗玻璃上的每一個小格子，改變部分光束上的光波週期裏的每一個點。他們製成的全像圖可以改變光的狀態，讓它沿著黑色結點運行。
接下來，該科研組通過雷射場嚴密監視照相機，以便拍到光打結的圖片。他們的研究成果發表在1月17日的《自然—物理學》（Nature Physics）雜誌上。它是有關這方面的第一項有力證據。雖然所謂的結點理論對類似於黑色結點的數學問題進行了研究，但是這項最新研究通過遵循光傳播規律的數學函數，製成這些結點。另外，跟製成的與其他結點紐結在一起的黑色結點不一樣，鄧尼斯和他的同事們在光束裏生成單一黑色結點。
鄧尼斯說：“對我們來說，它顯示了物理學家是如何適應現有純數學的(例如結點理論)，並在自然現象裏發現它的。它還顯示了我們可以利用全像圖控制雷射流和雷射傳播。這種控制手段有可能會被應用在未來的雷射裝置上。”鄧尼斯表示，對那些想制出自己的結點的人，擁有全像圖和一束雷射就能夢想成真。
LIVESCIENCE原文報導
Twisted Physics: Scientists Create Light Knots
By Jeanna Bryner, LiveScience Managing Editor
posted: 17 January 2010 01:01 pm ET
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