Science fiction of werkelijkheid?

Een elegante maar zeer complexe vorm van wiskunde ligt ten grondslag aan de vervlochten en geknoopte lichtstructuren die Dirk Bouwmeester, hoogleraar kwantumoptica en kwantuminformatie, samen met zijn collega William Irvine uit Santa Barbara heeft onderzocht. Ze publiceren hierover in Nature physics.  
 
Afbeelding: Artistieke impressie van de lichtstructuur die zich voortplant en zich opent in de vorm van een paraplu. De lijnen geven gesloten elektrische en magnetische veldlijnen aan die alle met elkaar verbonden zijn. De gehele structuur voldoet aan de Maxwellvergelijkingen in de vrije ruimte.

Knopen

In de moderne wetenschap wordt uitgebreid gebruik gemaakt van de eigenschappen van lichtstralen, zoals polarisatie en impulsmoment, bijvoorbeeld om deeltjes te roteren, te transporteren en te koelen. Bouwmeester en Irvine hebben nieuwe vormen van licht onderzocht, die gevisualiseerd kunnen worden in de vorm van cirkels die met elkaar verbonden en vervlochten zijn en knopen kunnen vormen. Een andere bijzondere eigenschap van deze vorm van licht is dat er niet een bepaalde golflengte aan toe te kennen is. 

Nieuwe toepassingen

‘Net zoals de inmiddels vertrouwde laserstralen een onmisbaar gereedschap voor de wetenschap vormen, leidt deze speciale vorm van licht misschien tot nieuwe wetenschappelijke toepassingen, bijvoorbeeld bij het manipuleren van koude atomen’, zegt Bouwmeester. ‘Het zou zelfs mogelijk kunnen zijn dat de verknoopte lichtvelden een bijdragen leveren aan het opsluiten van plasma dat nodig is voor kernfusiereactoren, maar dat is op dit moment nog erg speculatief. Plasma bestaat uit geïoniseerde deeltjes die een voorkeur hebben om zich langs magnetische veldlijnen te bewegen. Als magnetische veldlijnen cirkels vormen die elkaar omsluiten zou ook het plasma deze compacte structuur kunnen aannemen.’

Complexiteit

Het feit dat de vervlochten en geknoopte lichtstructuren pas recent zijn onderzocht, is te wijten aan de complexiteit van de benodigde wiskunde. Bouwmeester: ‘Nu we eindelijk een goed begrip van de dynamiek van de lichtknopen hebben, kunnen we gaan proberen deze speciale vorm van licht te creëren. Het is overigens nog lang niet zeker dat dat daadwerkelijk zal lukken, omdat we er bij de afleiding vanuit gaan dat er geen elektrische ladingen of stromen aanwezig zijn. Aan de andere kant worden de algemeen bekende vormen van licht ook in de vrije ruimte beschreven en daar geeft het geen problemen dat er toch ergens ladingen en stromen aanwezig zijn.’

Experimenteel onderzoek

De onderzoekers vermoeden echter dat deze nieuwe vormen van licht veel gevoeliger zullen zijn voor de gehele omringende ruimte, want de veldlijnen moeten gesloten lijnen in de ruimte kunnen vormen. Bouwmeester: ‘Kortom het is nu zaak dat er uitdagend experimenteel onderzoek wordt verricht om te kijken of de nieuwe vorm van licht werkelijk kan bestaan of puur science fiction zal blijken te zijn. De huidige resultaten geven verder aanleiding tot nieuw theoretisch onderzoek in de algemene relativiteitstheorie omdat er een direct verband bestaat tussen oplossingen van de Maxwellvergelijkingen en oplossingen van de Einsteinvergelijkingen voor zwakke gravitatievelden.’   
 
(2 september 2008/SH)