Wśród tajemnic światła(6).Promienie Airy'ego

 Jeśli w tym popularnym ujęciu tematu: tajemnice natury światła, opowiedziałem się za stanowiskiem, że swobodny promień świetlny ( lub wiązka światła} nie jest rojem fotonów poruszających się z prędkościami o tym samym kierunku,a jedynie w aktach emisji i absorpcji światła przez substancje/materię dominuje kwantowość, to staje przede mną pytanie: - czy teoretyczny model J.C.Maxwella, promieniowania elektromagnetycznego opisuje i wyjaśnia nowe odkrycia eksperymentalne nieliniowej optyki współczesnej ?

 Technika wytwarzania laserowych wiązek,to wcielenie praktyczne elektrodynamiki kwantowej,lecz całość optyki nieliniowej nie daje podstawy do jednoznacznych odpowiedzi na to pytanie,jedynie rozbudzając chmurę wątpliwości i kłótni.

 Krótkotrwałe impulsy światła, o czasie trwania rzędu 10^(-15)sekundy (lasery femto-sekundowe ),lub  o czasie krótszym,oraz bardzo dużej mocy chwilowej/impulsowej,; oraz punktowej, wykazują - między aktami emisji i absorpcji światła- falową strukturę światła, ale wielce osobliwą ,często trudną do opisu równaniami Maxwella w klasycznej postaci..

  Promienie świetlne nie są pędzącym tłumem fotonów,lecz krótkim ciągiem "paczek", lub "pakietów falowych" (wave packet), a najczęściej odosobnioną,pojedynczą paczką falową.Jednak modele matematyczne tych obiektów proponowane przez fizyków-teoretyków ostatnich lat (poczyniłem o tych modelach, wzmiankę w poprzednim wpisie, nawet z rysunkiem) nie są zgodne z doświadczeniem.

Natomiast użycie tych terminów (paczka falowa,pakiet falowy)w drugiej połowie XIX wieku miało uzasadnienie w odkryciu empirycznym (i opisaniu matematycznym ),struktury wewnętrznej promienia świetlnego,lub wiązki światła, przez brytyjskiego matematyka,fizyka i królewskiego astronoma Sir Georgea Bidella AIry(1801-1892).

Oto paradoksalny meander historii fizyki: kwantowa optyka XX wieku,chcąc obcować z tajemnicami promieni światła (dzięki technice światła laserowego) musi wrócić do wieku XIX -tego,modyfikując jednocześnie swoje pojęcie "paczki falowej"proponowane wego czasu np.przez noblistę Ludwika de Broglie'a.

Ród G.Airy'ego,sięga XIV wieku,jako matematyk został odkryty gdy miał 13 lat,absolwent Cambridge, w wieku 25 lat obejmuje Lucasian Chair of Mathematics, po Newtonie, a przed Dirac-kiem,dwa lata później dyrektor obserwatorium astronomicznego kolejno: w Cambridge, i w Greenwich, czterokrotny prezydent Royal Astronomy Society.

Sir  George Bidell  Airy(wiki.eng)

G.Airy, był tytanem pracy badawczej oraz liderem królewskiej polityki rozwoju nauk ścisłych w Wielkiej Brytanii. Gdyby nie było przed nim Newtona,on byłby"newtonem"fizyki angielskiej.Wniósł poważny wkład do falowej optyki , w kraju gdzie ten model światła był na indeksie(jako francuski). Zbudował kompletną teorię powstawania tęczy,formułując przy okazji matematyczny model obiektów zwanych potocznie promieniami(lub wiązkami) światła.Następne sto lat fizyki,obeszło się z nim okrutnie:prawie wykreślono go z jej kart.

Gwałtowny rozwój fizyki laserowej,czyli fizyki impulsów świetlnych ,bez kontynuacji optyki falowej Airyego jest nie do pomyślenia. W roku 1978 Michael Berry i Nandor Balazs, badając równanie Schroedingera dla cząstki swobodnej, otrzymali rozwiązanie w postaci zbliżonej do znanej funkcji zwanej całką Airy'ego [1], której grafika jest płaską wizualizacją swobodnego pakietu falowego [ paczki falowej]. Berry i Balazs wykazali ,że zmodyfikowana funkcja Airy [ przez obcięcie wykładnicze] reprezentuje swobodną wiązkę światła w postaci ciągu paczek falowych.

A w roku 2007 grupa pod kierunkiem G.A. Siviloglou oraz D.N. Christodoulidesa [2/2a] poinformowała świat ,że zobaczono paczki falowe światła ,których kształt i struktura spełniają funkcję /całkę Airy wykładniczo obciętą.

rys.1 Przestrzenna  struktura  rozkładu  natężenia w  promieniu Airy.źródło:literatura[5]

Dzisiaj, w kilku laboratoriach świata (np. w USA, Japonii, Chinach, Australii, Niemczech, Izraelu) wykazano już eksperymentalnie, że struktura przestrzenna rozkładu natężenia światła w takiej paczce falowej( w przekroju poprzecznym) jest opisywana nie tylko funkcjami specjalnymi Airy, lecz także Bessela, lub Gaussa.

 Takie wiązki/promienie światła nazwano “promieniami Airy” [Airy beams].W przekroju poprzecznym promień Airy’ego wykazuje centralny obszar głównej intensywności/natężenia z przylegającymi do niego mniej intensywnymi obszarami, rozchodzącymi się do nieskończoności. W praktycznych zastosowaniach, promień jest obcięty.Podczas rozchodzenia się, promień nie ulega dyfrakcji na krawędziach otworów i na przeszkodach o rozmiarach porównywalnych z długością fali użytego,monochromatycznego światła,a więc nie rozprasza się.

Co więcej,Airy beams mają zaskakujące własności fizyczne i zachowują się bardzo tajemniczo. Po pierwsze ,światło o silnej strukturze “packet waves” nie rozchodzi się w próżni prostoliniowo! Naturalnym, nie wymuszonym ,swobodnym torem “paczki falowej” jest linia krzywa! Najczęściej parabola. Przeczy to zasadom mechaniki: krzywoliniowy tor obiektu fizycznego wymaga działania, o kierunku tworzącym kąt niezerowy z wektorem prędkości tego obiektu. A tutaj -w zrealizowanych eksperymentach-nie ma żadnego zewnętrznego działania na grupie kilku pakietów falowych.

rys.2. Foto: wikipedia(Air beams obrazy,literatura[5])

Po drugie, zaobserwowano samo-przyspieszenie tych części paczki falowej światła, które nie leżą no osi głównej Airy beam, poprzeczne do kierunku przemieszczania się paczki, jako całości ( środek masy promienia Airy nie przyspiesza). Kołowe pętle świetlne pakietów falowych mieszają ze sobą czasy: przeszły z przyszłym. Co więcej – wykorzystano ten fakt do budowy “kul światła “ swoistych pocisków świetlnych przemieszczających się w próżni.

rys.3   źródło :[5]

Po trzecie, Airy beams mają tajemniczą własność “samo-leczenia” siebie ,po doznanej dekonstrukcji. Jeśli w trakcie ruchu ,paczka ulegnie rozerwaniu na skutek działania otoczenia, to po zniknięciu działania ,paczka światła samorzutnie wraca do swej pierwotnej formy.  

rys.4

Struktura  wewnętrzna promienia  typu   Bessel(źródło:Literatura[5])

Gdybyśmy mieli możliwość rozmowy z Sir George Biddell Airy i zadali mu pytanie:czy w osnowie wszechświata leży ciągłość bytu ,czy przeciwnie : nieciągłość ? To prawdopodobnie usłyszelibyśmy odpowiedź:

osnową bytu jest falowanie, są fale o niezliczonych postaciach, formach i takiej samej mnogości oddziaływań wzajemnych i przemian. Zwykły promień światła przechodzący przez maleńki otwór kołowy w przesłonie, rozwija przed nami tajemnicze struktury falowania bytu, których prawa dopiero zaczęliśmy odkrywać ,nieświadomi tego - dokąd dojdziemy.

rys.5  Trzy  rodzaje "Airy Beams"zależnie od kształtu funkcji opisującej  rozkład  natężenia  w  promieniu/wiązce  Airy.Źródło : Literatura [5]

Skonstruowałem hipotetyczną wypowiedź Sir Georgea Airy-ego tylko dlatego, że jestem niezachwianie przekonany , iż ten badacz był ostatnim z wielkich myślicieli fizyki ośrodka ciągłego. Kiedy umierał , już się rodziła fizyka , która byt oraz istnienie rozbiła [ i rozbija nadal ] na nieskończenie małe odłamki, drobiny, ziarna dając wizję świata wewnętrznie sprzeczną [ cząstki-pola ].

Ale na naszych oczach, Sir George Biddell Airy redivivus. Odradza się fizyka ośrodka ciągłego, nawet mikrofizyka podlega transmutacji Idee Helmholtza, Huygensa, Fresnela, Arago, Airy, i związany z nimi formalizm matematyczny[ równania różniczkowe, całkowe, metody numeryczne] znajdują silne odbicie w nieliniowej fizyce ośrodka ciągłego, gdzie procesy falowe o różnej naturze i formie dominują. Wave packets, solitons, Airy beam, podmywają zmurszały paradygmat Modelu Standardowego.

Dodane  po dwóch  dniach  od  publikacji
Są czytelnicy  salonu24, którzy   nie  lubią  słowa  "tajemnice",zwłaszcza w takim określeniu językowym: "tajemnice przyrody." Tajemnice w przyrodzie pomniejszają człowieka, pana i władcę  przyrody,czynią go  bezsilnym,a przyrodzie nadają  wymiar  metafizyczny.
Tajemnice światła   wstrząsają  życiem duchowym  badaczy tego unikalnego fenomenu  przyrody.Światło ma  nieskończoną mnogość postaci i form istnenia.W każdym innym obszarze  badania  naukowego  światło odsłania przed  badaczem nowe,nieprzeczuwane własności.Przewidywalność zachowania  się   promienia  świetlnego jest  znikoma  z  wyjątkiem  sytuacji ,w  których  jakby  mówiło do nas:"twoje prawa determinują  mnie tylko  wtedy kiedy  na moment przestaję być   światłem."  Światło  w niektórych badaniachi eksperymentach  objawia   własności  świadomości .Czyja to jest  świadomość i co ona nam  zapowiada  ,zwiastuje.
Twarz niektórych  osób jaśnieje,promieniuje światłem.Jaka to postać  światła?Co jest  jej źródłem?Nie kwestionuję fizyczności  światła,lecz nie ograniczam ontologii światła do fizyczności.

Literatura

[1]M.V. Berry, N.L. Balasz, Nonspreading wave packets. „American Journal of Physics” 47(3), 1979, s. 264–267.

[2]G.A. Siviloglou,N.Christodoulides,and all,Airy beams and accelerating waves: An overview of recent advances, arXiv:1904.02933v1 [physics.optics] ,2007

[2a]srócona wersja [2]:“Observation of Accelerating Airy Beams.” Physical Review Letters 99, 213901 (2007).

[3]Bouchal, Z.,Nondiffracting optical beams: physical properties, experiments, and applications, Czech J.Phys., 53, 537-578,2003

[4] 13. F. Courvoisier, P.-A. Lacourt, M. Jacquot, M. K. Bhuyan, L. Furfaro, and J. M. Dudley, “Surface nanoprocessing with nondiffracting femtosecond Bessel beams”, Opt. Lett. 34, 3163-3166, 2009

[5][2]Schematic of a 2D Airy packet. Image Credit: Georgios Siviloglou, et al.