Czterech fizyków - dwóch Amerykanów, Hiszpan i Polak - odkryło nowy sposób rozchodzenia się światła: w postaci zapętlonej. W taki świetlny kłębek można by łapać atomy albo plazmę. Być może stąd się biorą zagadkowe pioruny kuliste.

Praca zatytułowana „Wiązanie węzłów w polach światła” („Tying Knots in Light Fields”) ukazała się w ostatnim numerze pisma „Physical Review Letters”. Jej autorami są badacze z Uniwersytetu Chicago (USA), Instytutu Matematycznego w Madrycie (Hiszpania) oraz prof. Iwo Białynicki-Birula z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN w Warszawie.

Znaleźli oni dotychczas nieznane rozwiązania równań Jamesa Clerka Maxwella, które opisują rozchodzenie się światła, tj. pola elektromagnetycznego. Maxwell ułożył swoje równania jeszcze w latach 60. XIX wieku, dziś znajdują się w każdym podręczniku fizyki, wszyscy fizycy je znają i potrafią wypisać z pamięci. Ale okazuje się, że wciąż kryją w sobie tajemnice.

Prof. Białynicki-Birula i jego współpracownicy znaleźli całą klasę nowych rozwiązań równań Maxwella, które opisują wszystkie pola zapętlone. Przy tym ich splątany kształt nie zmienia się podczas propagacji światła.

- To są badania teoretyczne, ale mamy nadzieję, że takie węzły pola elektromagnetycznego istnieją w przyrodzie. Trzeba je tylko odpowiednio spreparować - wyjaśnia profesor Iwo Białynicki-Birula. Przyznaje, że na razie nie udało się jeszcze przeprowadzić eksperymentów, w których występowałyby takie „kłębki światła”. - Według jednej z teorii takim „kłębkiem światła” mógłby być… piorun kulisty. Byłby on stabilnym obiektem złożonym m.in. z pola elektromagnetycznego - mówi badacz.

Dodaje, że „linii pola elektrycznego i magnetycznego nie można rozplątać bez ich rozerwania, co może wskazywać na wyjątkową stabilność takiego kłębka światła”.

Pioruny kuliste to jedne z ostatnich z niewyjaśnionych zjawisk naturalnych. Relacje świadków, którzy się z nim zetknęli i przeżyli, brzmią fantastycznie, zupełnie jak relacje o spotkaniu z UFO albo yeti. Przeczytaj o ostatnich próbach stworzenia pioruna kulistego w laboratorium i o różnych teoriach na jego temat.

Linie pola elektromagnetycznego są zwykle liniami prostymi, czasem okręgami. Te opisane w „Physical Review Letters” mają fantazyjne kształty, m.in. trójlistnej koniczynki czy kwiatka z pięcioma płatkami. - Jeśli podążamy za nimi, okazuje się, że tworzą one węzeł - mówi prof. Białynicki-Birula. - Nikt wcześniej nie opisał tego tak systematycznie i tak szczegółowo jak my.

Takie pola mogą znaleźć zastosowanie np. przy tworzeniu pułapek dla atomów. - Aby badać atomy lub wykorzystać ich własności, np. w komputerach kwantowych, trzeba je utrzymać w jednym miejscu - wyjaśnia prof. Iwo Białynicki-Birula. Węzły w polu elektromagnetycznym są jednym z pomysłów na pułapkowanie.

W komentarzu redakcji „Physical Review Letters” napisano także, że dzięki węzłom pola elektromagnetycznego być może udałoby się uwięzić nie tylko atomy, ale też plazmę. A to się może przydać w tokamakach, czyli urządzeniach, w których doprowadza się do reakcji syntezy jądrowej. Takie same reakcje są źródłem energii Słońca. Na Ziemi jeszcze nie udało się tego procesu zrobić tak, żeby bilans energii był dodatni - problem stanowi uwięzienie i utrzymanie przez odpowiednio długi czas plazmy w małej objętości.

- Uwięzienie plazmy odgrywa podstawową rolę w badaniach, które mają doprowadzić do wykorzystania energii jądrowej w taki sposób, jak to się dzieje na Słońcu - mówi prof. Białynicki-Birula.

Węzły są bardzo powszechnymi strukturami w naturze - splątane są cząsteczki białek i DNA, ciekłych kryształów, czy wstęgi plazmy nad powierzchnią Słońca. - Zapętlone światło nie jest tylko teoretyczną możliwością. Fizycy mogliby już teraz wyprodukować laserową wiązkę, która miałaby własności przewidziane przez znalezione przez nas matematyczne rozwiązania. Wystarczy dokonać niezbyt skomplikowanych modyfikacji w istniejących urządzeniach laserowych - twierdzi współautor pracy William Irvine z Uniwersytetu Chicago.

Piotr Cieśliński

Źródło: Wyborcza.biz i PAP - Nauka w Polsce