Natura pełna jest pięknych wzorów, takich jak pozornie złożone kształty płatków śniegu, linii brzegowych, chmur i muszelek.
Ale powiększ, a zobaczysz fraktale, co oznacza ten sam, prosty wzór powtarzający się w coraz mniejszej skali.
Teraz naukowcy odkryli, że prosty obiekt wytworzony przez człowieka, laser, może również tworzyć te zadziwiająco skomplikowane wzory - jak po raz pierwszy przewidywano dwie dekady temu. Podali swoje wyniki 25 stycznia w czasopiśmie Physical Review A.
Laser można traktować jak pudełko złożone z dwóch luster, z lekkimi cząsteczkami lub fotonami, które odbijają się między nimi, powiedział autor badania Andrew Forbes, profesor fizyki na Uniwersytecie Witwatersrand w Johannesburgu , Afryka Południowa. Jednak jedno z luster jest zakrzywione, tak że niektóre fotony odbijają się pod kątem i uciekają, zamiast uderzać w drugie lustro, powiedział Forbes. Widziane przez nas światło laserowe składa się z tych uciekających fotonów.
Naukowcy przewidzieli kilkadziesiąt lat temu, że światło uciekające z lasera może teoretycznie wytworzyć fraktal w odpowiednich warunkach. Ale okazuje się, że tak nie jest.
Zamiast tego „musieliśmy zajrzeć do pudełka” - powiedział Forbes Live Science.
Aby stworzyć fraktal, wykorzystali zakrzywione zwierciadła lasera i sprawili, że wykonali podwójną pracę jako swego rodzaju „teleskop”. W tym przypadku lustra zostały zakrzywione w specjalny sposób, który zniekształcił kształty jak lustro w wesołym miasteczku. „To, co robi teleskop, powoduje, że duże rzeczy stają się małe lub małe rzeczy duże” - powiedział Forbes. Tak więc za każdym razem, gdy światło pada raz, ich system teleskopowy albo go powiększa, albo zmniejsza. W rezultacie w „jednym konkretnym miejscu tworzy tę zabawną, tę naprawdę szaloną strukturę” - „obraz w obrazie w obrazie” - powiedział. Innymi słowy: fraktal.
Naukowcy stworzyli wiele różnych fraktali, bawiąc się krzywizną zwierciadeł, a tym samym zmieniając powiększenie.
Następnie zbudowali system obrazowania, który uchwycił te wewnętrzne fraktale i wyniósł je na ekran. Wzór powtarza się tylko do osiągnięcia długości fali światła, tak jak fraktale powtarzają się w przyrodzie tylko do powiększenia do poziomu atomu, powiedział współautor Johannes Courtial, starszy wykładowca fizyki i astronomii na Uniwersytecie Glasgow w Szkocja (Jednak w matematyce fraktale powtarzają się nieskończenie, jak ma to miejsce w przypadku słynnego zestawu Mandelbrota).
Do tej pory ludzie prawdopodobnie patrzyli na niewłaściwe miejsce w laserze, powiedział Courtial.
„Nie wyglądaliśmy właściwie we właściwej płaszczyźnie, więc nie jest to idealny eksperyment”, powiedział Courtial w Live Science. Teraz, gdy odkryli, że można to zrobić, w kolejnych eksperymentach „możemy zrobić znacznie lepiej”.
Symulacje teoretyczne prowadzone przez Courtial sugerują, że ten wzór może istnieć nie tylko w dwóch wymiarach, ale także w 3D. Oznacza to, że kiedy przecinasz wzór fraktalny prostopadły do płaszczyzny, na której jest włączony, możesz zobaczyć dokładnie ten sam, podobny do siebie wzór. Kiedy pojawiło się to w symulacjach lasera, „wcale się tego nie spodziewałem”, powiedział Courtial. Ale naukowcy wciąż muszą to udowodnić eksperymentalnie.
Sąd stwierdził, że przeprowadził te eksperymenty „całkowicie poza interesem” i że na razie nie ma praktycznych zastosowań.
Ale wiedząc, że światła laserowe mogą tworzyć fraktale, może to prowadzić do pewnego rodzaju mikroskopu lub systemu obrazowania, który mógłby patrzeć na wiele wymiarów, a nie na powierzchnię lub tylko jedną warstwę obiektu, Forbes powiedział Live Science. „Fraktalne światło niesie ze sobą dużą złożoność, dlatego można marzyć, że być może jest to idealny rodzaj wiązki do badania złożonej materii”.
