Изображение, которое вы видите чуть выше, очень похоже на спутниковый снимок дельты какой-нибудь крупной реки, когда главное русло начинает разделяться на меньшие русла и протоки, которые, в свою очередь, разделяются на еще меньшие. Нечто подобное может происходить и при распространении волн в определенной среде, такое явление называется “ветвящимся потоком” и оно уже наблюдалось учеными-физиками по отношению к потокам электронов (электрическому току), звуковым волнам и океанским волнам. Теперь же ученым удалось добиться этого явления по отношению к видимому свету, и сделать это оказалось достаточно просто, ведь все, что потребовалось для этого – это лазер и пена, состоящая из мелких мыльных пузырей.
Для возникновения ветвящегося потока требуется среда с определенными свойствами. Ее структура должна быть случайной, элементы, из которой состоит структура среды, должны быть больше длины волны потока. И изменения в структуре среды должны происходить достаточно плавно, без каких-либо резких переходов. Если все эти условия соблюдаются, небольшие изменения и колебания структуры среды могут рассеивать поток, заставляя его разделяться и постоянно “ветвиться”.
Поведение типа ветвящегося потока характерно для волн, имеющих достаточно большую длину, но получение такого явления по отношению к волнам света являлось достаточно сложным делом, пока исследователи из израильского Технологического института Технион и университета Центральной Флориды не придумали использовать пену из мыльных пузырей как среду для распространения света.
Мембрана каждого пузыря состоит из очень тонкого слоя жидкости, зажатого между двумя слоями молекул поверхностно-активного вещества. Толщина всего этого варьируется от пяти нанометров и нескольких нанометров и такие перепады толщины производят известные всем красочные образы на поверхности мыльных пузырей. Но, эти же самые перепады толщины могут выступать в качестве своего рода зеркал, которые заставляют преломляться, разделяться и ветвиться проходящий сквозь них поток света.
Направив луч света лазера, которому была предварительно придана специальная “плоская” форма, сквозь мыльную пену, ученые увидели, что этот луч начал распространяться по траектории ветвящегося потока. Позже, заменив достаточно яркий лазерный свет потоком слабого белого света, ученые наблюдали за тем, как этот поток начал изменять цвет, расщепляясь на более мелкие потоки. В обычных мыльных пузырях воздушный поток вокруг мембраны вызывает постоянные изменения ее толщины, что приводит к тому, что цветовые образы на поверхности постоянно меняют форму и перемещаются. В мыльной пене отсутствуют значимые воздушные потоки, и образы расщепленного света могут сохранять свою стабильность на протяжении нескольких минут.
Отметим, что данное достижение может оказать очень сильное влияние на область так называемой оптофлюидики, области науки, посвященной взаимодействию света с разными жидкостями. И, если дать волю своей фантазии, то можно представить себе некий оптический процессор, который производит вычисления, манипулируя потоками света при помощи создаваемых искусственно перепадов толщины мембран в среде, через которую проходит этот свет.
И в заключение следует упомянуть, что ветвление потока света в трех измерениях – это явление, о возможности которого ученые догадывались уже достаточно давно, но которое ни разу не наблюдалось на практике до последнего времени.