Природа полна красивых узоров, таких как, казалось бы, сложные формы снежинок, береговых линий, облаков и ракушек.
Но увеличьте масштаб, и вы увидите фракталы, означающие один и тот же, простой шаблон, повторяющийся в меньших и меньших масштабах.
Теперь исследователи обнаружили, что простой созданный человеком объект, лазер, также может создавать эти потрясающе сложные узоры - как это было впервые предсказано два десятилетия назад. Свои результаты они сообщили 25 января в журнале Physical Review A.
По словам автора исследования Эндрю Форбса, профессора физики из Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге, лазер можно рассматривать как коробку, состоящую из двух зеркал с легкими частицами или фотонами, подпрыгивающими между зеркалами. , Южная Африка. Однако одно из зеркал изогнуто так, что некоторые из фотонов отскакивают под углом и убегают, а не ударяются о другое зеркало, сказал Форбс. Лазерное излучение, которое мы видим, состоит из этих ускользающих фотонов.
Ученые предсказывали десятилетия назад, что свет, выходящий из лазера, теоретически может создать фрактал при правильных условиях. Но оказывается, что это не так.
Скорее, «то, что мы должны были сделать, это посмотреть в коробку», сказал Forbes Live Science.
Чтобы создать фрактал, они использовали изогнутые зеркала лазера и заставили их выполнять двойную функцию как своего рода «телескоп». В этом случае зеркала были изогнуты особым образом, что искажало формы, такие как зеркало в виде дома. «То, что делает телескоп, - это либо большие, либо маленькие вещи», - сказал Форбс. Поэтому каждый раз, когда свет проходит один раз, их телескопическая система либо увеличивает его, либо уменьшает его. В результате, «в одном конкретном месте он образует эту забавную, действительно сумасшедшую структуру» - «изображение в изображении в изображении», сказал он. Другими словами: фрактал.
Исследователи создали много разных видов фракталов, играя с кривизной зеркал и, таким образом, изменяя увеличение.
Затем они построили систему визуализации, которая захватила эти внутренние фракталы и вывела их на экран. Паттерн повторяется только до тех пор, пока вы не достигнете длины волны света, точно так же, как фракталы в природе повторяются, пока не приблизятся к уровню атома, сказал соавтор Йоханнес Куртиаль, старший преподаватель кафедры физики и астрономии в Университете Глазго в Шотландия. (Однако в математике фракталы повторяются бесконечно, как в случае со знаменитым множеством Мандельброта.)
До этого момента люди, вероятно, смотрели в лазере не на то место, сказал Курсталь.
«Мы выглядели не совсем в правильной плоскости, поэтому это не идеальный эксперимент», - сказал Куртиаль в интервью Live Science. Теперь, когда они поняли, что это можно сделать, в последующих экспериментах «мы можем сделать намного лучше».
Теоретическое моделирование, проведенное Курсталь, показало, что эта модель может существовать не только в двух измерениях, но и в 3D. Это означает, что при прорезании фрактального паттерна, перпендикулярного плоскости, на которой он находится, вы можете увидеть точно такой же самоподобный паттерн. Когда это обнаружилось при моделировании лазера, «я совсем не ожидал», сказал Курсталь. Но исследователям еще предстоит доказать это экспериментально.
Куртиаль сказал, что они провели эти эксперименты «исключительно из интереса» и что практических применений пока нет.
Но знание того, что лазерные лучи могут создавать фракталы, может привести к созданию микроскопа или системы визуализации, которая могла бы смотреть на несколько измерений, а не на поверхность или только на один слой объекта, сообщил Forbes «Живой науке». «Фрактальный свет несет в себе большую сложность, и поэтому можно мечтать, что, возможно, тогда это идеальный тип луча для исследования сложной материи».
