WŚRÓD TAJEMNIC ŚWIATŁA

　

[credit : RIKEN ]

 

Jeśli prawdą jest , że “wszechświat utkany jest ze światła” jak napisał kiedyś Wiliam Henry Bragg [noblista ] w tytule swej pięknej książki “Światło” , której polskie wydanie z roku 1938 towarzyszyło mi w szkole podstawowej , to badania nad naturą światła nigdy nie będą miały końca i zawsze będą owocowały odkryciem kolejnej tajemnicy tego posłańca z rejonów nad-natury.

 

W dawnym , przed rokiem 2013, polskim liceum ogólnokształcącym , fizyka była powszechnie obowiązującym przedmiotem nauczania i uczniowie w kursie optyki poznawali zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego światła.

 

Kiedy światło załamuje się, przechodząc z jednego ośrodka do drugiego [ np. z powietrza do szkła, lub odwrotnie ] , to zawsze przy przejściu z ośrodka optycznie gęstszego[to znaczy o dużej wartości współczynniku załamania np. szkło, rzędu 1,5-1,7] do ośrodka optycznie rzadszego[ np. powietrze,1 lub woda 1,3], załamuje się “od normalnej” , czyli kąt załamania jest większy od kąta padania [ rys.1 ].

 

 

 Rys.1 [ en.wikipedia.org ]

Przy pewnym kącie padania [ granicznym], kąt załamania wynosić 90⁰ , a kiedy kąt padania jest większy od tego kąta granicznego, to fala nie wchodzi do drugiego ośrodka ,doznaje całkowitego odbicia wewnętrznego i jest uwięziona w ośrodku pierwszym.

 

I jeszcze do niedawna w szkole średniej nauczyciel twierdził [pokazując eksperyment] , że cała energia światła nie wchodzi do drugiego ośrodka.

Tymczasem już w roku 1947 fizyk niemiecki H.F.Goos ze swoją doktorantką H. Hänchen odkryli [1] ,że światło liniowo spolaryzowane przy całkowitym odbiciu wewnętrznym podlega tajemniczemu bocznemu przesunięciu. To znaczy, promień padający i odbity nie mają wspólnego punktu na granicy dwóch fizycznie różnych ośrodków[ Rys.2].

 

 

Efekt ten skupił uwagę licznych fizyków ,wśród których: fizyk francuski Christian Imbert (1937-1998 ),oraz słynny fizyk białoruski Fedor Fedorow ( 1911-1994 ) nie tylko potwierdzili odkrycie Goosa i Hänchen , ale wykazali , iż zjawisko to dotyczy także fal spolaryzowanych kołowo i eliptycznie.

 

W 1955 F.Fedorow pokazał matematycznie [2] , że z pewnych rozwiązań równań J.C.Maxwella wynika , iż przy propagacji fal elektromagnetycznych z jednego ośrodka do drugiego, na granicy rozdzielającej je , zawsze muszą się pojawić w drugim ośrodku, osobliwe fale ExB bardzo szybko gasnące, zanikające[ czyli nie sinusoidalne] i to one są odpowiedzialne za owe zagadkowe boczne przesunięcie promieni padającego i załamanego/odbitego.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.2c.[credit: pages.uoregon.edu]

 

Od tego momentu ,tzw. fale zanikające [ w j.angielskim : “evanescent waves”] są przedmiotem intensywnych badań nano-optyki, a ich rezultaty znajdują już niezwykłe zastosowania techniczne.

 

I właśnie 6 marca bieżacego roku ukazał się krótki komunikat z odkrycia niezwykłych własności fal zanikających (“evanescent waves ) przez międzynarodowy zespół Quantum Research Group, pracujący w japońskim rządowym centrum badawczym RIKEN-Center for Emergent Matter Science (CEMS) pod kierownictwem . Franco Nori [3] ,amerykańskiego fizyka, a obszerna rozprawa prezentująca teorię tych własności, jest dostępna bezpłatnie w arXiv: 1308.0547.

 

 

prof.Franco Nori,The University of Michigan [ www-personal.umich.edu ]
 

Z elektrodynamiki wiadomo [4] ,że swobodnie biegnące ,harmoniczne fale elektromagnetyczne [np.świetlne] płaskie, rozchodzące się w otwartej przestrzeni [z dala od powierzchni ciał ,od granicy dwóch ośrodków] cechuje szereg dynamicznych właściwości.

Fale te niosą min. : energię, pęd i moment pędu wewnętrznego. Energia i pęd pozostają w bardzo tajemniczej koniunkcji ze sobą [ koniunkcji opisywanej wektorem Pointinga – Umowa ] i przemieszczają się wzdłuż kierunku propagacji fali , przy czym – co jest niezwykłe- niezależnie od rodzaju polaryzacji. tej fali .Skrętność [helicity] fali spolaryzowanej nie wpływa na przenoszony przez nią pęd i energię.

 

Rys.4 a. Fala płaska spolaryzowana liniowo[ pl.wikipedia.org ]

 

Rys.4 b. Fala spolaryzowana kołowo prawoskrętnie [pl.wikipedia.org ]

 

Natomiast moment pędu wewnętrznego ,wynikający z obecności w fali świetlnej /elektromagnetycznej ruchu wirowego, jest proporcjonalny do stopnia polaryzacji kołowej [ skrętności] i dostosowany do kierunku propagacji fali[ czyli promienia fali].

Powyższe jest ważne i od dawna sprawdzone empirycznie w odniesieniu do fal świetlnych swobodnych ,w obszarach dalekich od oddziaływania światła z materią , w rodzaju np. odbicia, załamania.

 

Fale zanikające nie spełniają jednak tych własności , ich wielkości dynamiczne zachowują się zupełnie inaczej . I ten fakt jest doniosłym odkryciem grupy badawczej RIKEN pod kierownictwem Franco Nori a z udziałem dwóch bardo aktywnych fizyków ukraińskich.

 

Z rozprawy dostępnej w arXiv :1308.0547 wynika, że fale zanikające :

 

Po pierwsze, nie posiadają pędu zgodnego z kierunkiem propagacji ,a za to mają pęd o kierunku poprzecznym i pęd ten jest proporcjonalny do skrętności fali. Z punktu widzenia klasycznej elektrodynamiki jest to paradoks: fala propaguje się w przestrzeni, nie przenosząc wzdłuż promienia ani energii ani pędu ! Jeśli tak jest to dynamika ruchu falowego ma także inne sensy energii i pędu, od tych z jakimi mamy do czynienia od dawna.

 

 

Rys.5 a-f.  zaczerpnięte z pracy:  K.Y.Blokh,A.Nekshaev,F.Nori [3]

 

Po drugie, moment pędu w fali zanikającej, jest tez poprzeczny do kierunku propagacji jej [ tak jak to ma miejsce w fali elektromagnetycznej w swobodnej przestrzeni] , ale o dziwo! nie jest zależy od skrętności i rodzaju polaryzacji. fali zanikającej. Z punktu widzenia klasycznej elektrodynamiki moment pędu musi być w oczywistej i prostej zależności od skrętności [helicity] fali i rodzaju polaryzacji.

 

Jeśli tak nie jest , to natrafiliśmy na nowe obszary sensu pojęcia moment pędu. Oczywiście, the evanescent waves, to zjawisko w skali nano, ale nie wiemy na pewno, że z racji tego nie odpowiada mu jakaś emergencja w świecie makro. Na przykład w technice falowodów i prowadzenia fal radiowych w kablach ,evanescent waves mogą płatać różne figle, a mogą być takżepraktycznie wykorzystane.

 

Są próby teoretyczne znalezienia, takiego modelu fal zanikających, który byłby równoważny modelowi efektu tunelowania kwantowego, efektu dobrze znanego i opracowanego w mechanice kwantowej. W razie powodzenia ,mielibyśmy kolejny przykład płynnego przejścia od fizyki kwantowej do fizyki klasycznej. I wtedy, blisko stuletni “dogmat” o przepaści logicznej i poznawczej między fizyką kwantową, a fizyką klasyczną postawilibyśmy na półce z bajkami.

Ale ta sprawa wymaga odrębnego tekstu.

[1] F. Goos i H. Hänchen, Ein Neuer und fundamentaler Versuch zur Totalreflexion , Ann. Fiz. (436) 7-8, 1947,str.333-346

[2] Fedorov, F.I. To the theory of total reflection. Doklady Akademii Nauk SSSR105, 1955,str.465–468 [ jest tłumaczenie na angielski w J. Opt. 15, 014002 ,2013).

[3] K.Y.Blokh,A.Nekshaev,F.Nori,Extraordinary momentum and spin in evanescent waves Nature Communications ,Vol. 5, No: 3300,2014, http://phys.org/journals/nature-communications/

[4]R.S.Ingarden,A.Jamiołkowski,Elektrodynamika klasyczna,PWN,Warszawa,1980,str. 25o-275