Das Modell der Wirbelstruktur in Laser-Speckle. Offene Wirbellinien sind rot, während geschlossene Wirbelschleifen weiß sind. Bildnachweis: O'Holleran et al.

Licht scheint in unserem täglichen Leben nicht sehr interessant zu sein. Für Wissenschaftler sind die Eigenschaften des Lichts jedoch eine ständige Quelle von Intrigen. Die Natur des Lichts als Welle und Teilchen, das Licht als universelle Geschwindigkeitsbegrenzung und die Art und Weise, wie Licht mit Magnetfeldern in der Atmosphäre in Wechselwirkung tritt, um Auroren zu bilden, sind nur einige Beispiele für das faszinierende Verhalten des Lichts.

Kürzlich haben Forscher der University of Glasgow und der University of Bristol in Großbritannien eine weitere ungewöhnliche Eigenschaft des Lichts entdeckt - genauer gesagt die Dunkelheit im Licht. Wie die Forscher erklären, werden natürliche Lichtfelder von dunklen Linien eingefädelt, die optische Wirbel erzeugen, die als schwarze Punkte im Licht erscheinen. Die Gruppe hat dieses Phänomen modelliert und festgestellt, dass die Dunkellinien fraktale Eigenschaften mit Brownschen (zufälligen) Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus legen die Eigenschaften dieser optischen Wirbel universelle Eigenschaften nahe, die dazu beitragen könnten, verschiedene Bereiche der Physik miteinander zu verbinden.

Viele Menschen haben das Phänomen der Laser-Speckle bemerkt, das auftritt, wenn kohärentes monochromatisches Laserlicht von einer rauen Oberfläche reflektiert wird und der Oberfläche ein gesprenkeltes Aussehen verleiht. Die schwarzen Flecken sind Interferenzmuster, die durch Überlagerung von hochkohärenten Lichtwellen erzeugt werden, die von verschiedenen Punkten auf der rauen Oberfläche reflektiert werden. Manchmal kann das gesprenkelte Muster sogar zu funkeln scheinen, wenn sich der Betrachter relativ zur Oberfläche bewegt.

In einer kürzlich erschienenen Ausgabe der Physical Review Letters beschreiben die britischen Forscher, wie sie mithilfe numerischer Simulationen und Experimente ein Modell der Überlagerungen entwickelten, die die dunklen optischen Wirbel erzeugen. In ihren Experimenten erzeugten sie Laser-Speckles mit einem Helium-Neon-Laserstrahl von 10 mm Durchmesser, der durch einen Schirm aus gemahlenem Glas fiel.

Durch Messung der Überlagerungen mit einem Interferometer konnten die Wissenschaftler eine 3D-Karte der Struktur der optischen Wirbel erstellen. Sie fanden zwei Arten von Wirbeln. Unendliche Wirbellinien, die etwa 73% der dunklen Wirbel ausmachen, sickern vollständig durch den Lichtstrahl. Die verbleibenden 27% der Wirbel bilden geschlossene Schleifen, die auftreten, wenn eine Wirbellinie innerhalb eines ausreichend kleinen Bereichs zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehrt.

Bei der weiteren Untersuchung der Dunkellinien stellten die Forscher fest, dass sie eine Skaleninvarianz aufweisen. Mit anderen Worten, die Wirbel sehen gleich aus, egal wie weit Sie herauszoomen - es sind Fraktale. Der Hauptautor Kevin O'Holleran von der Universität Glasgow sagte, dass er und seine Kollegen, obwohl sie vermuteten, dass Wirbellinien fraktale Eigenschaften aufweisen, ziemlich überrascht waren, dass die Fraktalität von einer Brownschen Natur war.

"Es ist aufregend festzustellen, dass die Wirbellinien im Licht Brownsche Eigenschaften haben", sagte O'Holleran gegenüber PhysOrg.com . „Brownsche Strukturen sind von Natur aus zufällig, sodass die Kohärenz unseres Modells das fraktale Verhalten der Wirbellinien in keiner Weise einschränkte. Wir freuen uns darauf, diese Eigenschaften genauer zu untersuchen. Insbesondere hoffen wir, die topologische Seite zufälliger Lichtfelder untersuchen zu können, beispielsweise wie oft Wirbellinien geknotet oder verknüpft werden. “

Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass diese Eigenschaften optischer Wirbel (das Verhältnis von Wirbellinien zu Schleifen und ihre Skaleninvarianz) den Eigenschaften kosmischer Ketten nach dem Modell des kosmischen Kettengitters sehr ähnlich sind. Das Modell beschreibt die Konfiguration kosmischer Ketten im frühen Universum - die sehr dünnen, aber sehr dichten eindimensionalen Defekte in der Raumzeit, die für die Bildung von Galaxien verantwortlich sein könnten.

Die Forscher glauben nicht, dass diese Ähnlichkeit zufällig ist. Sie schlagen vor, dass diese Eigenschaften für alle optischen Felder universell sein könnten, und sie planen, die Analogie weiter zu untersuchen.

"Die größte Bedeutung hat die Verbindung zu anderen Bereichen der Physik", sagte O'Holleran. „Universelle Eigenschaften verbinden Forschungsfelder auf tieferen Ebenen als die genaue Formulierung jedes Systems. Gemeinsame fundamentale Eigenschaften oder Einschränkungen (z. B. wie Linien in den 3D-Raum eingebettet werden können) führen dazu, dass universelle Exponenten in verschiedenen und anscheinend nicht zusammenhängenden Forschungsbereichen auftreten. Die Tatsache, dass Wirbellinien im Licht Potenzgesetze aufweisen, die auf universelle Eigenschaften hindeuten, bedeutet, dass diese Linien allgemeineren Gesetzen unterliegen als Wellengleichungen. “

Weitere Informationen: O'Holleran, Kevin, Dennis, Mark R., Flossmann, Florian und Padgett, Miles J. „Fraktalität der Dunkelheit des Lichts“. Physical Review Letters 100, 053902 (2008).

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