科學新知:物理學家想把光束打個結

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【大紀元9月15日訊】(大紀元記者黃一山編譯報導)光是直線行進的,這個大家都知道。日前有些理論指出例外的事證;根據廣義相對論,在強大的重力場下,時空會被扭曲,此時光線也會被扭曲。有一個實際現象的觀測是:在日蝕發生期間,研究員觀察到背景恆星光被太陽輕微扭曲了,這個觀測實驗證實了光是會轉彎的。另一個是著名的黑洞理論,黑洞附近的光線會因為重力場關係,而被扭曲吸入並消失在黑洞之中。而本文提出另一個假設,藉由電磁場的效應,也可以產生彎曲的光線,繼而把光束打個結。

美國紐約大學的威廉.爾文(William Irvine)與加州大學聖塔芭芭拉分校的迪克.鮑密斯特(Dirk Bouwmeester)在《自然物理》(Nature Physics),發表了一份對結狀曲光束(Knotted light beams)的研究。他們研究結狀曲光束的物理性質,發現可以利用環狀極化雷射光束(Circularly polarized laser beams)來產生結狀曲光束。這個錯綜複雜的扭結結構不同於任何現有光束的形式。

科學家解釋說,這個結構是根據「霍普夫纖維叢」(Hopf fibration,亦稱Hopf bundle或Hopf map)理論,海因茲.霍普夫(Heinz Hopf)在1931年的研究,以數學方式探討在四維空間中多個圓環的三球面(3-sphere),理論上可以用很多圓圈將所有空間填滿,稱為「霍普夫纖維叢」。

另外的理論基礎是麥克斯威爾(Maxwell’s equation)方程式,科學家根據這個方程式,推導得出的另類解答可以解釋這個可能性。根據麥克斯威爾方程式,所有電力線和磁場線形成的圓圈,都是相互連結的,而這些電磁線的圓圈可以用來組成環狀圓紋曲面的類甜甜圈形狀。在這種情況下,每一個圓圈會繞過圓紋曲面一次,而且圓圈之間不會互相跨越與互相交錯。規模較小的圓紋曲面會被大的圓紋曲麵包覆其中,就如同俄羅斯娃娃一樣。科學家認為這種結構同樣可以應用在光線上,此時大量曲形的光束即充滿了這個結構。

科學家計劃用圓形極化光(Circularly polarized light)的單脈衝光束,並緊實地集中光束來創造出各種形狀的曲光束。此外,用全像攝影技術和空間光調製器可以控制曲光的形狀。這些技術已經成功用於產生Airy beam,一種不隨著長距離傳送而擴散的人造光束。

科學家預期曲光可以應用在幾個領域。這些包括電漿制約(Plasma confinement)、原子粒子捕集、操縱冷原子整體與在非線性介質中產生光孤子狀的溶液(soliton-like solutions)。其中最引人注目的是電漿制約的應用,這項技術可有效用於核融合(Nuclear fusion)以產生安全、乾淨而便宜的替代能源,尤以現階段環保與油價問題高漲的今天,格外引起關注。(http://www.dajiyuan.com)

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