Only Perception: 光的黑暗面 -- 碎形的光渦流

2008-02-24

光的黑暗面 -- 碎形的光渦流

The Dark Side of Light
http://www.physorg.com/news122645030.html

February 19, 2008
By Lisa Zyga

在我們日常生活中光看來不怎麼有趣。不過對科學家來說，光的特性是引發好奇心的固定來源。光的本質是粒子與波，光是普適的速度限制，而光與大氣層中的磁場交互作用形成極光，都只是光迷人行為的少數例子

最近，來自於英國 Glasgow 大學以及 Bristol 的研究者發現光另一種不尋常的特性 -- 或著，更精確地說，光當中的黑暗。如同研究者所解釋，自然的光場交織著陰暗的線條，創造出來的光漩流（optical vortices，光漩渦）顯然是光當中的黑點。這個小組將這種現象模型化，並發現黑暗線條展現出具有布朗（Brownian，隨機）特徵的碎形特性。此外，這些光渦流的特徵暗示著普適的特性，那能夠協助連結物理不同的領域。

許多人都已經注意到雷射光斑（laser speckle）的現象，那在同調的、單色的雷射光從粗糙表面反射時發生，賦予表面一個有斑點的外觀。黑色的斑點是由一種高度同調的光波，自粗糙表面不同點反射回來所產生的疊加（superposition）。有時，當觀看者相對於表面移動時，帶有斑點的圖案甚至會閃耀。

在最近一期的 Physical Review Letters 中，UK 研究者描述他們如何發展出一種疊加模型，利用數值模擬與實驗創造出黑暗的光渦流。在他們的實驗中，他們以直徑 10 nm 的氦氖雷射光束照過以毛玻璃製成的屏幕。

以干涉計測量此疊加，科學家能夠產生光渦流的 3D 結構圖。他們發現二種渦流。無邊的渦流線，那佔有 73% 的黑暗渦流。瀰漫整個光束。剩下 27% 的渦流是閉合的環，那在渦流線於夠小的範圍中回到其起點時發生。

當更進一步研究黑暗的線條後，研究者發現它們展現出尺度上的不變性。換言之，不論你將渦流縮得多小看起來都一樣 -- 它們是碎形（fractals）。第一作者 Glasgow 大學的 Kevin O' Holleran 表示，當他與他的同事懷疑渦流線展現出碎形特性時，他們對於發現此碎形屬於布朗性質感到相當驚訝。

"發現光中的渦流線具有布朗特徵令人興奮，" O' Holleran 表示。"布朗結構是固有的隨機，所以我們模型的同調性無法限制渦流線的隨機行為。我們正更進一步探索這些特性更多的細節。更特別地，我們希望調查隨機光場的拓樸學這一面，諸如渦流線有多常打結與連接。"

有趣的是，根據宇宙弦格狀模型（cosmic string lattice model），研究者注意到這些光渦流的特性（渦流線與環的比率與它們的尺度不變性）與宇宙弦十分相似。此模型描述宇宙弦在早期宇宙中的配置 -- 時--空中非常細但密度極高的一維缺陷，能夠作為星系形成的原因。

研究者不認為這種相似性只是種巧合。他們提議這些特性應當普適於所有光場，而他們計畫更進一步調查相似之物。

"最重要之處在於與其他物理領域的連結，" O' Holleran 說。"普適特性較每個系統精確的公式化，在更深的層次上連結了研究的領域。共享根本的特性或限制（例如線條如何嵌入三維空間中）導致普適的闡述出現在各式各樣且顯然是不相連的研究領域。光中的渦流線展現出指數定律（power laws ）暗示著普適的特性，意指這些線條受到比波動方程式更普遍的法則所統轄。"

※ 相關報導：

＊ Fractality of Light's Darkness
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e053902