科学新知:物理学家想把光束打个结

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【大纪元9月15日讯】(大纪元记者黄一山编译报导)光是直线行进的,这个大家都知道。日前有些理论指出例外的事证;根据广义相对论,在强大的重力场下,时空会被扭曲,此时光线也会被扭曲。有一个实际现象的观测是:在日蚀发生期间,研究员观察到背景恒星光被太阳轻微扭曲了,这个观测实验证实了光是会转弯的。另一个是著名的黑洞理论,黑洞附近的光线会因为重力场关系,而被扭曲吸入并消失在黑洞之中。而本文提出另一个假设,藉由电磁场的效应,也可以产生弯曲的光线,继而把光束打个结。

美国纽约大学的威廉.尔文(William Irvine)与加州大学圣塔芭芭拉分校的迪克.鲍密斯特(Dirk Bouwmeester)在《自然物理》(Nature Physics),发表了一份对结状曲光束(Knotted light beams)的研究。他们研究结状曲光束的物理性质,发现可以利用环状极化雷射光束(Circularly polarized laser beams)来产生结状曲光束。这个错综复杂的扭结结构不同于任何现有光束的形式。

科学家解释说,这个结构是根据“霍普夫纤维丛”(Hopf fibration,亦称Hopf bundle或Hopf map)理论,海因兹.霍普夫(Heinz Hopf)在1931年的研究,以数学方式探讨在四维空间中多个圆环的三球面(3-sphere),理论上可以用很多圆圈将所有空间填满,称为“霍普夫纤维丛”。

另外的理论基础是麦克斯威尔(Maxwell’s equation)方程式,科学家根据这个方程式,推导得出的另类解答可以解释这个可能性。根据麦克斯威尔方程式,所有电力线和磁场线形成的圆圈,都是相互连结的,而这些电磁线的圆圈可以用来组成环状圆纹曲面的类甜甜圈形状。在这种情况下,每一个圆圈会绕过圆纹曲面一次,而且圆圈之间不会互相跨越与互相交错。规模较小的圆纹曲面会被大的圆纹曲面包覆其中,就如同俄罗斯娃娃一样。科学家认为这种结构同样可以应用在光线上,此时大量曲形的光束即充满了这个结构。

科学家计划用圆形极化光(Circularly polarized light)的单脉冲光束,并紧实地集中光束来创造出各种形状的曲光束。此外,用全像摄影技术和空间光调制器可以控制曲光的形状。这些技术已经成功用于产生Airy beam,一种不随着长距离传送而扩散的人造光束。

科学家预期曲光可以应用在几个领域。这些包括电浆制约(Plasma confinement)、原子粒子捕集、操纵冷原子整体与在非线性介质中产生光孤子状的溶液(soliton-like solutions)。其中最引人注目的是电浆制约的应用,这项技术可有效用于核融合(Nuclear fusion)以产生安全、干净而便宜的替代能源,尤以现阶段环保与油价问题高涨的今天,格外引起关注。(http://www.dajiyuan.com)

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