Το φως εξέπληξε τους επιστήμονες, αποκαλύπτοντας μια νέα ιδιότητά του

Μια διεθνής ομάδα φυσικών ανακάλυψε μια εκπληκτική ιδιότητα του φωτός.

Στο κενό, το φως μπορεί να περιστρέφεται και να συστρέφεται από μόνο του, θυμίζοντας ένα αόρατο τιρμπουσόν. Αυτή η κίνηση δεν προϋποθέτει να περάσει μέσα από ειδικούς γυάλινους φακούς ή κάτοπτρα.

Η απρόσμενη ανακάλυψη αμφισβητεί τις παγιωμένες επιστημονικές απόψεις για τη συμπεριφορά των φωτεινών δεσμών. Ως τώρα, οι επιστήμονες θεωρούσαν πως μια ακτίνα έπρεπε οπωσδήποτε να προσκρούσει σε ειδικά κατασκευασμένα υλικά, τα οποία θα άλλαζαν την πορεία της, για να αποκτήσει περιστροφική κίνηση. Τα ευρήματα, όμως, δείχνουν ότι, αν δοθεί στη δέσμη μια συγκεκριμένη γεωμετρική μορφή από την αρχή, το φως παράγει αυθόρμητα τέτοιες περιστροφές στη διάρκεια του ταξιδιού του.

Η χειρομορφία και η τοπολογία της φωτεινής δέσμης

Για να εξηγήσουμε το φαινόμενο, ας σκεφτούμε μια μπάλα του μπόουλινγκ που κυλά σε έναν εντελώς λείο διάδρομο: χωρίς κάποιο εμπόδιο, κανονικά θα συνέχιζε ευθεία και δεν θα έστριβε. Οι φυσικοί, ωστόσο, διαμόρφωσαν το φως έτσι ώστε η δέσμη να ξεκινά ευθύγραμμα και κατόπιν να αρχίζει ξαφνικά να στρέφεται γύρω από τον εαυτό της, χωρίς εξωτερική παρέμβαση. Η αυθόρμητη αυτή κίνηση σχηματίζει διακριτές περιοχές στο εσωτερικό της δέσμης, όπου το φως περιστρέφεται είτε προς τα δεξιά είτε προς τα αριστερά. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται χειρομορφία.

Η φορά της περιστροφής δεν είναι τυχαία: το φως υπακούει σε έναν αυστηρό μαθηματικό χάρτη, τον οποίο έχουν σχεδιάσει οι επιστήμονες πριν από την εκτόξευσή του. Η αρχική εσωτερική γεωμετρία της δέσμης καθορίζει αν η κίνηση θα γίνει προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά, χαρακτηριστικό που αποκαλείται τοπολογία. Ένα παράδειγμα είναι μια χάρτινη λωρίδα, στριμμένη μία φορά και ενωμένη στις δύο άκρες, ώστε να σχηματίζει κορδέλα του Μέμπιους. Αν τραβήξουμε πάνω της μια γραμμή με μολύβι, η διαδρομή της θα ακολουθήσει τις στροφές της λωρίδας και θα περνά πότε από τη μία πλευρά και πότε από την άλλη, χωρίς να χρειαστεί να αλλάξουμε τη φορά του χεριού μας. Αντίστοιχα, το φως ακολουθεί τις αόρατες γεωμετρικές πτυχές που του έχουν επιβάλει οι επιστήμονες και έτσι αναγκάζεται να στραφεί.

Οι φυσικοί χρησιμοποιούν ψηφιακές συσκευές, γνωστές ως χωρικοί διαμορφωτές φωτός, για να προγραμματίσουν τη δέσμη και να εγγράψουν πληροφορία στο εσωτερικό της. Τα μηχανήματα αυτά περιέχουν εκατομμύρια μικροσκοπικούς υγρούς κρυστάλλους, παρόμοιους με εκείνους στις οθόνες των κινητών τηλεφώνων. Όταν μια απλή ακτίνα λέιζερ πέσει πάνω στην ψηφιακή επιφάνεια, καθένας από τους κρυστάλλους καθυστερεί ή στρέφει ένα απειροελάχιστο τμήμα της δέσμης, ακολουθώντας τις οδηγίες ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Η διαδικασία θυμίζει μεταλλική σφραγίδα που πιέζεται πάνω σε μαλακό κερί και χαράζει ανάγλυφα σχέδια, με κοιλώματα και κορυφές. Τα μοτίβα αυτά αποτελούνται από τις ίδιες τις ιδιότητες του φωτός, ενώ κάθε διαφορετική μαθηματική στροφή συνδέεται με έναν συγκεκριμένο ψηφιακό κώδικα.

Οι εφαρμογές του φωτός στο Ίντερνετ και στα φάρμακα

Η ανακάλυψη δεν είναι απλώς μια θεωρητική άσκηση· πρόκειται για εξέλιξη που θα μεταμορφώσει την τεχνολογία της καθημερινής ζωής.

Οι στροφές που σχηματίζονται στο φως μπορούν να αξιοποιηθούν ως ψηφιακά κουτιά αποθήκευσης πληροφοριών. Έτσι, τα δίκτυα οπτικών ινών θα μπορούν να μεταφέρουν τεράστιους όγκους δεδομένων με ασύλληπτες ταχύτητες, προσφέροντας πολύ ταχύτερο Ίντερνετ. Το μήνυμα που έχει εγγραφεί παραμένει κλειδωμένο στην τοπολογία της δέσμης και δεν αλλοιώνεται, ακόμη κι όταν το φως διασχίζει το απόλυτο κενό του διαστήματος.

Παράλληλα, πολλά χημικά στοιχεία που περιέχονται στα φάρμακα είναι χειρόμορφα: εμφανίζονται σε δύο μορφές, όπως το αριστερό και το δεξί χέρι, αλλά καθεμία έχει εντελώς διαφορετική επίδραση στον άνθρωπο. Το έξυπνο αυτό φως θα βοηθήσει τους επιστήμονες να ξεχωρίζουν τις δύο εκδοχές με απόλυτη ακρίβεια, ανοίγοντας τον δρόμο για ασφαλέστερα φαρμακευτικά σκευάσματα και για ιατρικές αναλύσεις πολύ πιο γρήγορες και ασφαλείς.