Šviesos sūkuriai arba kaip gali sukti ŠVIESA?

Pernai pasaulį apskriejo žinia iš Švedijos: Nobelio premijos komitetas išrinko, kas gavo 2018 metais svarbiausią fizikos prizą. Lietuvos spaudoje dominavo žinia apie parametrinius šviesos stiprintuvus, nes tai yra Lietuvos flagmano – „Šviesos konversijos“ – duona, o VU Emeritas profesorius Algis Piskarskas yra vienas iš koncepcijos kūrėjų. Akademikas Algis Piskarskas net susitiko su Nobelio premijos laureatu G. Mourou Vilniuje!

Tačiau Lietuvoje beveik neskambėjo kito laureato – Artūro Aškino – vardas, nors Lietuvos lazeristai (kartu su akad. A. Piskarsku, beje!) svariai prisidėjo ir prie šios temos. A. Aškinas premiją gavo už šviesos sūkurių atradimą ir tyrimus. Neskamba dar varpeliai? Nieko keisto neskaitote? Agi pagalvokite! Kas yra sūkurys? O kas yra šviesa? Kaip toks efemerinis daiktas, kaip šviesa gali sukti? Kviečiu pasmalsauti!!

Lėktuvo sparno galiukas generuoja oro sūkurius.

Sūkurius mūsų gyvenimuose esame sutikę visi. Jie būna įvairiausi – nuo paprasto oro sūkurio, kuris gatvėje sujaukė šukuoseną šalia stovėjusiai damai, o mus pasiekia gatvės smėlio banga. Oro sūkuriai, ko gero, yra dažniausiai sutinkami. Taip yra dėl to, kad mes gyvename oro atmosferoje, o Saulės dėka oro masės pastoviai juda ir už kažko bejudėdamos užkliūna.

Ypač įspūdingi oro sūkuriai būna susiję su lėktuvais.

Lengviausiai oro sūkurius pamatyti galime ore paskleidę dūmą arba kitą spalvotų dalelių aerozolį. Ypač įspūdingai atrodo sūkuriai aplink lėktuvą. Jie yra labai svarbūs gerai lėktuvo (ir automobilių irgi) aerodinamikai, praktiškai jie yra neišvengiami aplink lėktuvo sparnus, kadangi virš ir po sparnu yra skirtingo oro slėgio sritys, tad įspūdingi sūkuriai susidaro natūraliai.

Vandens sūkurys.

Kiek rėčiau mes sutinkame kitokius – vandens – sūkurius. Tiksliau, sutinkame kas rytą, kai maišome šaukštu (o gal ir ne šaukštu) puodelyje kavą arba arbatą, bet kadangi dažniausiai šio proceso metu nestebime skysčio elgesio, galime teigti, jog ir nesutinkame. Ko gero dažniausiai vandens sūkurį pamatome vonioje, tualete arba kriauklėje. Fizikos žinovų tarpe yra populiarus mitas, kad vandens sūkurys klozete sukasi į priešingas pusės priešinguose planetos rutuliuose. Egzistuoja paaiškinimas, kad tai sąlygoja Koriolio jėga. Tačiau tai tėra mitas.

Kiek stambesni yra vandens bangų sūkuriai Šiaurės jūroje. Raudonos linijos vaizduoja amplitudę, juodos linijos bangos fazę.

Kiek stambesni yra vandens bangų sūkuriai Šiaurės jūroje, kurie stebimi potvinių ir atoslųgių metu. Pasirodo, Šiaurės jūroje yra taškai, kur tos bangos nėra stebimos. Pradėjus keliauti iš šių taškų link skirtingų krantų pakankamai stambus stebėtojas pastebėtų sūkurį – ties krantais potvynio ir atoslūgio bangos atkeliauja skirtingais momentais.

Įspūdingiausias planetos sūkurys – tropinis ciklonas.

Spėju, įspūdingiausias sūkurys, kuri mes galime aptikti šitoje nuobodžioje planetoje yra tropinis ciklonas. Su šituo „mažyliu“ reikalų turėti nenori tiek valstybės, tiek vyriausybės, o kiekvienas jų „apsilankymas“ yra žmonių mirtys, pražūtis ir griuvėsiai. Šituos reikalus tiesiog dievina Holyvudas, tad gerą baugų cikloną pamatysite kine. Štai tropiniai ciklonai tikrai susidaro Koriolio jėgos dėka ir sukasi prieš ir palei laikrodžio rodyklę priklausomai nuo pusrutulio!

Galaktikos yra labai dideli sūkuriai.

Fizikoje sutinkame įvairius sūkurius netikėtinuose skalėse. Paprasta paieška Google Scholar tarnyboje su raktažodžiu „vortex“ (angl. sūkurys) suranda juos ir kvantinėje, ir klasikinėje fizikoje. Po paraliais, mes patys gyvename Paukščių take, kuris yra vienas milžiniškas kosminis sūkurys – galaktiką.

O kaip ten su žadėtais šviesos sūkuriais, gerb. autoriau? Ar nepamiršote? Jau regiu klausimą iš auditorijos. Nusiraminkite, sklerozės elementų aptinku, kai rytais ieškau kojinių, bet duotu atveju viskas vyksta pagal planą. Čia buvo įžanga sumuštiniui sukramtyt, dabar bus prie kavos.

Optikos moksle šviesos sūkuriai yra fazės sūkuriai. Mūsų kasdienybėje mes įsitikiname, kad „fazė yra reali“ tada, kada prikišame nagus, kur nereiktų ir mus pakrato. Jei mes po to nepakratome kojų, mes visam gyvenimui įsisąmoniname, kas yra fazė. Optikos universitetinėse studijose patirtis yra panaši. Gal tik nesusipratę keliauja atgal į gimtą kaimą.

Pirmame paveiksliuke dvi bangos yra fazėje, antrame tarp bangų yra fazių skirtumas.

Bangas sudaro keteros ir įdubos, tarp jų esantys atstumas žinomas bangos ilgio vardu ir nusako bangos dažnį. Sąvoka „bangos fazė“ įgija prasmę, kai mes lyginame dvi gretimą keliaujančias bangas. Jei vienos bangos ketera (arba įduba) pirmauja, o antros atsilieka, mes sakome, kad bangų fazės yra skirtingos. Vienos bangos fazė didesnė (banga pirmauja) negu antros.

Optinio sūkurio trimatis fazės portretas.

Ką tik pakalbėjome apie laikinius fazės skirtumus (nes fazės bangose tos pačios skirtingais laiko momentais). Tačiau fizikoje fazės gali būti skirtinga skirtingose lazerinio pluoštėlio vietose. Optinis sūkurys yra būtent toks darinys. Kodėl mes jį vadiname sūkuriu? Agi todėl, kad nupiešė trimatį pastovios fazės portretą ir paleidę laiką bėgti, mes pamatytume sraigtą, kuris sukasi!

Optinis sūkurys su krūviu m = -1.

Optiniai sūkuriai optikoje yra įdomūs ir dėl to, kad jie turi krūvį. Skirtingai nei elektros krūvis, kuris gali mus stipriai (arba ne) pakratyti, optinio sūkurio krūvis yra vadinamas topologiniu, todėl nieko nekrato. Sūkurio topologinio krūvio ženklas pasako mums, ar sūkurys suksis palei laikrodžio rodyklę ar prieš. Jei jis teigiamas, sraigtas juda prieš laikrodį, jei neigiamas – prieš. Krūvis yra nedalomas, kvantuotas ir visada lygus sveikam skaičiui. Gali čia protingas ir dėmesingas skaitytojas paklausti: o kaip atrodo didesni topologiniai krūviai? Ir nors, atvirai pasakęs, abejoju, ar tokių atsiras, ir šiap kalbuosi dabar su savimi, kad nelygu ką reiškia man, bet į klausimą atsakysiu.

Kuomet topologinis krūvis yra dvejetas, mes matome du sraigtus, kurie sukasi prieš (teigiami) arba palei (neigiami) laikrodžio rodyklę. Šie sraigtai yra įdėti vienas į kitą ir atsilieka per pusę apsisukimo. Jei nusipaišome sūkurį, kurio krūvis yra trejetas, mes regime net trys sraigtus!

Mokykloje pasakoje apie judėsio kiekį, jo momentą ir tvermės dėsnius. Gal pamenate, kad besisukantis kūnas turi tokį judesio kiekio momentą? Geriausia jį patirti kasdienybėje yra atsisėsti vaikiškose sukamuose supynėse ir paprašyti draugo įsukti jas kokio motociklo rato pagalba. Garantuoju, jei nepakratysite kojų, visam gyvenimui žinosite, kad judesio kiekio momentas – „jėga“ ir visiškai nesvarbu koks ženklas topologinio krūvio tada buvo.

Optinio sūkurio vizualizacija. Čia realiai sukasi interferencinis vaizdas, bet vis tiek gražu.

Paaiškėjo, kad kadangi fazė optinio sūkurio sukasi, tokia lazerio spinduliuotė turi judesio kiekio momentą! Aš esu jau pasakojęs, kokias galimybės atveria faktas, kad šviesa turi paprastą judesio kiekį. Tai reiškia, kad šviesos dalelė – fotonas – sukasi. Jei objektas sukasi, jam turi galioti sukamosios energijos tvermės dėsnis. Kodėl tai svarbu. Tarkime, juodas kūnas sugeria šviesą. Dėl judėsio kiekio kūnas pajudės į priekį. Bet jei fotonas turėjo sukamąjį momentą, juodas kūnas pasisuks!

Optikoje yra sakoma, kad optinių sūkurių fotonai turi orbitinį judesio kiekio momentą, panašiai kaip planetos mūsų Saulės sistemoje. Fotonai optiniame sūkuryje sukasi aplink bendrą lazerio spindulio ašį lyg kokios mažos planetos. Fotonai yra kvantinio pasaulio objektai, todėl jų sukimosi greitis nekinta tolygiai, o kinta šuoliais – kvantais. Fizikai judesio kiekio momentą vadina Planko konstantą ir žymi ħ (pebraukta h). Fotonų judesio kiekis yra nukreiptas jų sklidimo (judėjimo) kryptimi (apie tai vėliau)

Optiniai sūkuriai ne tik suka bet ir pagauna dalelės

Kodėl optiniai sūkuriai tapo tokie svarbūs? Ar vien tik dėl sūkimosi? Žinoma, kad ne! Jie pasižymi kita intriguojančia savybė – jie gali pagauti mažas daleles arba mažus biologinius objektus. Dėl šios priežasties jie dar yra vadinami optiniais pincetais. Ar galite patikėti? Šviesa gali pagauti objektus kaip koks fantastinio kino spindulys!

Jėgų veikiančių optinėje gaudyklėje, sudarytoje iš optinio sūkurio, vizualizacija.

Bet kaip optinis sūkurys pagauna daleles? Reikalas tas, kad šviesos slėgis yra visuomet nukreiptas statmenai pastoviam bangos fazės paviršiui. Toks paviršius fizikų vadinamas bangos frontu. Optinio sūkurio pastovios fazės paviršius yra sraigtas. Kiekviename fazinio sraigto taške dalelę veikia jėga (slėgis) nukreipta statmenai sraigto paviršiui. Tokiu būdu veikiančios jėgos srautas yra lyg suktas kabelis, tvirtai viduje surišantys auką.

Kaip jau trumpai paminėjau, judesio kiekis įprastuose sūkuriuose yra nukreiptas pagal lazerio spindulį – kur sklinda lazerio šviesa, aplink šią kryptį sukasi fotonai. Mechaninė analogija, labiausiai tinkantį čia būtų lėktuvo propeleris. Bet geras klausimas čia būtų, o ar gali mechanikoje judesio kiekio momentas būti nukreiptas statmenai judėjimui?

Dviratyje rato judėsio kiekio momentas yra statmenas dviračio judėjimui,

Atsakymas yra žinomas milijonams dviratininkų – tai dviratis. Dviračio ratas sukasi plokštumoje, kurioje juda dviratis. Besisukančio daikto sukimosi momentas visada nukreiptas statmenai sukimosi plokštumai, todėl ir judėsio kiekio momentas bus statmenas dviračio judėjimo krypčiai.

Fotonų rato įgyvendinimo principinė schema

Kaip galvojate, ar galime mes sukurti ratą iš fotonų? Protingas skaitytojas tars, autoriau, nesame kvaili – jeigu klausi, reiškia atsakymas teigiamas. Žinome mes jau tuos tavo bajerius. Lenkiu galvą prieš dar vieną įdėmų ir supratingą skaitytoją – perkast fiziką šiom dienom lengva, reikia turėti tik platesnę burną.

Laboratorijoje realizuoto fotonų rato elektriniai laukai (x,y,z dedamosios ir bendras laukas).

Autorius sau leidžia čia juokauti nes pats prisidėjo prie eksperimentinio fotonų rato realizavimo. Galiu parodyti net vaizdus iš kinostudijos. Kaip matome, fotonų ratas nėra panašus į ratą. Šio pluoštelio skerspjūvis jeigu ką ir primena, tai „paukštelį“ arba „nosį su šypsena“.

Dar nepapasakojau apie įstabią optinių sūkurių aritmetika ir virsmus optiniame parametriniame stiprintuve, bet apie tai gal kitą kartą. Vistiek sumuštiniai su arbata baigėsi…

Leave a Reply

Brukalų kiekiui sumažinti šis tinklalapis naudoja Akismet. Sužinokite, kaip apdorojami Jūsų komentarų duomenys.