Израильские физики придумали простую и действенную методику отображения ветвящихся потоков световых волн на мембране мыльных пузырей.
Ветвящиеся потоки света нарисовали лазером на мыльных пузырях

Представьте себе дельту реки — то место, где главный канал разделяется на более мелкие ручейки и притоки. Нечто подобное происходит в волнах, когда они распространяются через некую среду: путь волны расщепляется, распадаясь на более мелкие каналы, похожие на ветви дерева. Это явление называется «ветвящимся потоком», и его можно наблюдать везде: в потоке электронов (электрическом токе), океанских волнах и даже волнах звуковых. Недавно физикам впервые повезло наблюдать этот процесс в видимом спектре света. B все, что для этого потребовалось — это лазер и мыльный пузырь.

В зависимости от структуры среды, с волнами, проходящими сквозь нее, могут происходить разные вещи; они могут ослабевать, рассеиваться, изгибаться, распространяться или продолжать движение без изменений. Для ветвления потока требуется несколько условий. Структура самой среды должна быть случайной, а пространственные изменения в ней должны быть больше, чем длина волны потока. Кроме того, изменения должны происходить плавно.

Узор мыльной мембраны изменяется в зависимости от толщины Patsyk et al., Nature, 2020 Узор мыльной мембраны изменяется в зависимости от толщины

Если все эти условия соблюдены, небольшие возмущения и флуктуации в структуре могут рассеивать поток, вызывая его расщепление.

Раньше провернуть нечто подобное со световыми волнами было весьма проблематично. Однако недавно команда физиков из Технион-Израильского технологического института в Израиле и Университета Центральной Флориды решила использовать в качестве среды… мыльный пузырь!

Обычно воздушный поток вокруг мыльной мембраны заставляет ее рисунок перемещаться, но если мембрану изолирована от потоков воздуха, то и узор на ней может оставаться стабильным в течение нескольких минут. Поэтому команда также проверила свой лазер на стабильных и подвижных мыльных мембранах.

Полезных применений у этого необычного исследования масса. Использование пузыря в качестве среды позволит визуализировать процесс для удобства оптической физики. Экспериментальная установка также может быть использована, к примеру, для исследования влияния оптических сил на разветвленный поток.

Исследователи отмечают, что утолщение пленки может привести к разветвленному течению в трех измерениях — явление, существование которого до сих пор является лишь красивой теорией. Если эксперимент подтвердит его, то наработки можно будет использовать для изучения и других физических явлений, включая некоторые аспекты общей теории относительности.

«Тонкие мыльные пленки могут быть сформированы в разные конфигурации изогнутых поверхностей для изучения разветвленного потока в искривленном пространстве», — пишут исследователи в своей статье.