На рисунке изображен хитрый кран, который, как утверждает разработчик, экономит расход воды. Эта водяная картинка очень похожа на световой закрученный луч, о котором речь пойдет ниже. Ниже будет про закрученный свет — не про кран.
Закрученный свет известен людям очень давно. Ниже представлен древний наскальный выдолбыш, на котором изображены различные фазовые распределения закрученного луча.
Но если без шуток (тут обман кончается и начинается правда), то, пожалуй, историю вопроса мы опустим — кому она, рухлядь, надо?! — скажем только, что, кто хотел, тот действительно всё это знал давным давно. Ну вот, например, статья с приветом из 1940 года. Или вот — эксперименты Ричарда Беса (R.A. Beth) из 1936 г. Это когда лазеров еще не было, если что.
Интрига такая: знали давно, а душу из этих закрученных световых пучков взялись вытряхивать только сейчас.
Итак к сути. Закрученный свет — это луч света (обычно говорят «пучок»), который «летит винтом». Такой луч называется OAM beam. На рисунке ниже нарисованы фазовые поверхности этих хитрых лучей.
Чтобы эти непонятные красивые рисунки стали роднее, можно не вникать, что такое «фаза», а просто представить себе, как из этих загнутых листочков перпендикулярно вылетают световые фотончики (пусть они будут например воображаемыми песчинками) — тогда понятно как такие песчинки будут давить на листочек бумаги — песчинки будут хотеть его закручивать (но у песчинок скорее всего ничего не выйдет, потому что лист бумаги слишком здоровый для них, слабеньких).
Собственно этим и пользуются люди, когда хотят повернуть какую-нибудь мелюзгу под микроскопом — светят закрученным светом и мелюзга поворачивается. Вот так примерно (взято тут):
Тут частички по спирали двигаются, но можно как оказалось изловчиться и заставить крутиться волчком всего лишь одну частичку.
От струек воды «струйки» фотонов отличаются тем, что водяные струйки могут заворачиваться и прилипать друг к другу, а фотоны друг друга не сильно чувствуют и хотят лететь прямо сквозь друг друга, примерно как на рисунке — вдоль палочек:
И вот мы уже имеем грубую физическую модель светового закрученного пучка «на палочках и веревочках». Из этой модели наглядно видно одну проблему — пучок неплохо так расширяется (сильно лучше, чем ровный обычный лазерный свет). Например захочет кто-нибудь посветить таким пучком на Луну и не сможет — не дострельнет, распылится луч. На три километра только светануть получается (по ссылке в предыдущем предложении так написано). Большие космические расстояния для такого пучка — это немного проблема, поэтому если кто-то успешно решает её, то всем другим становится интересно и все другие уважают такого решателя. Ну да ладно.
Если к каждой палочке из верхнего рисунка привязать по лазерной указке, то получится как-то так:
Понятно, что каждый лучик можно заставить мигать отдельно и такой пучок лучей будет передавать больше информации, чем один луч — мигалок же больше.
И еще прелесть — если затолкать такой пучок света в оптоволокно, то он не сильно-то и расширится — как миленький по оптоволокну полетит. Немного похоже на какое-нибудь винтовое течение в трубе:
Вот примерно так и повышают скорость передачи информации в оптоволокне: толкают туда столько лучей, сколько влезет. А ведь это полезно и сейчас, когда оптоволокно уже проложено под океанами, и еще станет полезным, когда кубиты «в каждый дом войдут».
Возможно (в силу таланта наших журналистов, которые всё на свете преподносят как великое откровение) кому-то кажется, что закрученный свет — это что-то исключительное, что это какое-то последнее достижение науки — свежак!, что свет закрутить могут только очень древние колдуны лазерного ордена… да и то только когда маны — 200. Именно в этом свете мы упомянем спеклы — яркие зернышки в лазерном пятне на экране, которые постоянно мельтешат.
Все, кто брал в руки лазерную указку и рассматривал пятнышко на стенке, все видели эти зернышки и мучились вопросом: «Почему?! Ведь яйцеголовые вроде бы говорят, что лазерный свет — это ровный свет, так откуда тогда пятна в этом хорошем ровном свете?» Ребята, лазер — это сильно ровный свет. И если на его пути появляется пылинка (допустим, в воздухе), то свет сразу её чувствует, загибается, интерферирует и, главное для нас, закручивается (как струя воды, если палец подставить)… в общем спеклы — это тоже закрученный свет.
Закрутить свет — это просто. Свет сам закручивается, даже когда его никто не просит. Потому что неоднородностей и всякого мусора в воздухе полно. И закручивается, паразит, как попало, а не как нам надо (мы никакого закрученного пучка специально не делали). Однако люди и тут придумали, куда эти спеклы приспособить — по спеклам анализируют качество поверхности, состояние нашей атмосферы, орбиты двойных звезд или, например, ищут экзопланеты (сложновато людям в простой телескоп рассмотреть далекую планету-пылинку на фоне её звезды-прожектора).
Еще можно, ни о чем таком не подозревая, случайно закрутить свет, если свернуть в бухточку оптоволокно (можно просто согнуть как попало), по которому этот свет шел раньше ровно и незакрученно. «Большая наука» потом получается у таких горе-экспериментаторов. Свет в оптоволокне это… это… ну это примерно как экспериментатор на горках (можно и шею сломать):
И конечно свет можно закрутить специально, со знанием дела. Надо только на пути его что-нибудь поставить специальное: пластинку какую-нибудь хитро-прозрачную, решетку неровную или поверхность с плазмонами. Ну там своя кухня.
Напоследок для сохранения тонуса прослушаем внезапное сообщение: "бывает вращающийся пучок света с нулевым орбитальным угловым моментом" (ага, вращается, но не крутится, хе-хе) — такой вот «печальный» факт.
Спасибо за внимание
Если статья Вам показалась легковесной, то всё правильно — автор не сгущал туман тяжелыми наукообразными терминами и, одновременно, старался беречь Вас от страшной реальности с матаном и прочей нудятиной, используя лишь пальцевое объяснение (в ущерб строгости и длинноте). Проблем, задач и сложностей в деле закрученного света полно, но это другая история.
Кому интересно еще про закрученный свет, тому ссылка:
A. M. Yao and M. J. Padgett, “Orbital angular momentum:origins, behavior and applications,” Adv. Opt. Photon. 3,161–204 (2011).
И, конечно, можно еще ключевые слова (метки) погуглить.
Комментарии (67)
start_lost
27.10.2016 23:14-1А где такой кран посмотреть?
Marsikus
28.10.2016 01:18+1Это концепт от студента лондонского колледжа искусств.
Хотя видел новость о похожем продукте, полученном методом 3D-печати металлом, и стоящем тонну денег.DimmiSfai
28.10.2016 09:27А в этой новости не говорится как они заставили струи воды изгибаться уже в полете?
P.S. Я в физике не осень силен, но мне кажется будет течь во все стороны а не спускаться по спирали…
Capineiro
28.10.2016 10:05В концепте крутится образующая спираль турбинка внутри крана, так что сама вода падает вертикально.
FransuaMaryDelone
28.10.2016 10:10-3да нормально вода закручивается по спирали
Nepherhotep
28.10.2016 11:22+3Дык это же стробоскопический эффект, в реальности струю колбасит во все стороны, если глазами смотреть.
Chamie
28.10.2016 12:12Если глазами смотреть, то она будет выглядеть как быстро вращающаяся спираль.
Nepherhotep
28.10.2016 12:26Ага, только красивых статичных струй, как на фотке, мы не увидим, скорее будет месиво воды, как от аэратора )
exsstas
27.10.2016 23:49+3Как и комментаторы выше, я тоже краном заинтересовался больше, чем светом. Я догуглил до первоисточника — это студенческий концепт, который выиграл что-то там в 2014 году, дело не дошло даже до прототипа. Так что ещё вопрос, можно ли такой кран сконструировать.
konst90
28.10.2016 09:44Так что ещё вопрос, можно ли такой кран сконструировать.
Нельзя. Капля воды, как только вылетает из крана, движется в общем случае по параболе (частный случай — отвесное падение) с поправкой на сопротивление воздуха. И траектория обязана лежать в плоскости. А он рисует спираль — но силу, которая заставит каплю из плоскости выйти, представить не получается.
TxN
28.10.2016 10:03+1Можно, вопрос только в стабильности этой струи. отдельные «капли» все так же падают прямо вниз, но каждая новая «капля» начинает падать в новой точке. Можно попробовать сделать то же самое, вращая по кругу кончик садового шланга. Правда, есть сомнения, что в жизни все будет выглядеть и работать также аккуратно. Струи будут разбиваться на отдельные капли, засоряться, тубринка будет подклинивать или вращаться с неправильной скоростью, и так далее. Иначе китайцы бы давно продавали подобные штуки за $10 на каком-нибудь али. (А может и продают, не проверял)
vivlav
28.10.2016 10:20А что если вода испускается из крана двумя движущимися в противоположные стороны кольцами с дырками, тогда в каждой точке вода просто падает вниз. (конечно тогда вид спирали не будет постоянным, а будет падать). Понимаю, что поверхностное натяжение будет разрывать нити и оформлять отдельные утолщенные струи, но может если струйки будут толще можно хоть немного увеличить такую устойчивость?
old_gamer
28.10.2016 12:50Ну почему? Если сопло будет вращаться, может, и реально. Капли будут падать в плоскости, просто «сетка» из капель не будет статична. Хотя я все равно не понимаю, как такие маленькие струи не разбиваются на капли…
konst90
28.10.2016 13:08Надо делать сопло вращающимся, но при этом скорость капли в горизонтальной плоскости должна быть нулевая… Слишком сложно.
А толщина струи будет падать, если скорость растёт, а плотность неизменна. И на капли разобьется всё равно.
MatiasGray
29.10.2016 20:56-1Хмм, а кажется не сложно а очень даже легко. Нужно сделать сопло не отвесным, а закрученным по спирали против своего вращения.
Пример идеи из жизни — автомобиль едет со скоростью пули, и если выстрелить назад, то пуля упадёт отвесно вниз после выстрела. (Разрушители легенд проводили этот опыт)
GinIkino
28.10.2016 12:50А если использовать вращающуюся внутреннюю заглушку с диагональными дырками для вывода воды вниз, которая будет крутиться и закручивать с собой выходящую воду. Что-то наподобие некоторых фонтанов или разбрызгивателей для полива.
Pshir
28.10.2016 01:02+18старался беречь Вас от страшной реальности с матаном и прочей нудятиной, используя лишь пальцевое объяснение
Гораздо лучше матан, чем такое объяснение. Непонятно вообще ничего.FransuaMaryDelone
28.10.2016 10:40igruh
28.10.2016 08:04+4Я просто помер от аналогий и эвфемизмов и не понял, статья про поляризацию? Если да, то готов пойти к фрезерному станку и запилить приз за самое безумное, нефизичное и непонятное толкование.
brzsmg
28.10.2016 08:39В том то и суть, что это не поляризация. Попробую описать через мяч:
Оказывается свет можно закрутить. Как мяч. Если мы ловим закрученный мяч, то наши руки гасят не только его импульс, но и вращательный момент.
Если свободно подвешенное тело будет поглощать такой свет, то оно реально начнет крутиться вокруг оси, совпадающей с направлением луча. Таким образом, этот световой луч передает телу не только энергию и импульс, но и вращательный момент импульса.igruh
28.10.2016 08:52Термин озвучьте, пожалуйста. Очень интересно, какая закрученность есть у света в вакууме кроме поляризации.
brzsmg
28.10.2016 09:10У света может быть одновременно и закрученность и поляризация.
Поляризацию уже используют (например в IMAX).
Вот теперь и закрученность хотят приручить, что бы еще больше выгоды из света получать (например увеличить количество передаваемых данных через оптику).
FransuaMaryDelone
03.11.2016 23:45Рассказываю. Автор текста не предполагает наличия у читателя представления о поляризации — читать можно любому ребенку. Людей относительно темы статьи автор изначально делил на 4 группы:
— человек не учил «элдин и кванты» (предполагалось, что текст такому человеку покажется забавным и несложным, захочется обсудить кран, но немного подумается и о свете, и о всяких физиках, которые «что-то там такое делают — не сидят без дела»),
— человек учил «элдин и кванты», но дурак (например про поляризацию еще что-то помнит, а про импульс поля уже не помнит; предполагалось, что текст не воспримется, человек начнет юродствовать, хамить, минусить и задавать тупые вопросы, думая, что вопросы умные),
— человек учил «элдин и кванты» и умный, но тема не его (предполагалось, что такому человеку будет интересно),
— человек учил «элдин и кванты» и это его тема (предполагалось, что такие читатели накидают ссылок в комментах, может что-то дополнят сами словами или просто полюбуются на текст).
— про читателей-трололо автор не думал.
brzsmg
28.10.2016 09:17+11Вот хорошая визуализация:
Поверхность в виде штопора на этом рисунке — это поверхность постоянной фазы, т.е. те точки пространства, в которых волна находится в одинаковой фазе колебания. Стрелочки, перпендикулярные этой поверхности и идущие по винтовым линиям, показывают локальное направление движения волны. Для обычной плоской волны поверхности постоянной фазы — это просто плоскости, а перпендикулярные стрелочки везде были бы строго параллельны друг другу. А тут поверхность закручивается, и эти стрелочки как бы «обертывают» ось движения.
Именно это обертывающее движение и придает волне «в целом» некоторое вращение: волна летит вперед и вращается вокруг оси движения. Но получается это не из-за того, что волна крутится как твердое тело, а из-за коллективного эффекта наложения волн. Тем не менее это самое настоящее вращение в пространстве. Такая волна несет момент импульса, и если какое-то тело ее поглотит, то момент импульса передастся ему, и оно начнет вращаться.
Источник
kimich
28.10.2016 12:18+2Может, конечно, я и занудствую дико. Прошу прощения. Формат гиктаймс, имхо, подразумевает все же что-то более наукообразное. Лично мне не хватает более формализованного и четкого описания, хотя я никогда не был сторонником адских формул в среде научпопа. В данной заметке я не смог определить чем же закрученный свет отличается от циркулярной поляризации и отличается ли вообще. Личное пожелание: было бы неплохо, чтобы автор описал нам суть в новой статье более подробно и последовательно, углубившись именно в саму природу, пусть для этого понадобится несколько простых формул. Я уверен, что образования большинства местных жителей будет достаточно. А пока да, заметка кажется весьма легковесной. Тот факт, что кран заинтересовал читателей больше, чем сабж, кажется показательным.
FransuaMaryDelone
29.10.2016 21:22-2Конечно же нет. Я не «опишу вам суть более подробно и последовательно в какой-то там следующей статье». Наслаждайтесь местной копипастой — дрочите местных копипастеров (им же вроде деньги платят, чтоб «местные жители» не свалили с этого нудного местечка). Я же буду писать и то, и так — и что, и как захочу сам, пока карма позволяет. Мне для своих публикаций хватает журналов, рецензируемых учеными и я не особо дорожу возможностью публично выступать тут, перед такими как вы «местными жителями».
flerant
28.10.2016 12:24+4Для тех, кто всё-таки хочет понять, о чём же эта статья, рекомендую серию постов от Игоря Иванова:
http://elementy.ru/lib/432009
http://igorivanov.blogspot.ru/2011/04/oam.html
http://igorivanov.blogspot.ru/2011/05/oam-2.html
http://igorivanov.blogspot.ru/2013/07/vortex-wave-rotation.html
Alexmaru
ок, но где купить этот кран?
malan
и сколько воды он экономить?
dimao79
Думаю, примерно столько же, сколько и обычные смесители с аэратором.
batja84
Это фантазия одного дизайнера, в реальности он не существует. Но премию за дизайн он получил, как я понимаю.
https://www.behance.net/gallery/22614295/Swirl
GennPen
И не может существовать. Дизайнер не умеет в физику, и наверное не знает почему струя воды через определенное расстояние распадается на отдельные капли.
GAZ69
Ламинарное течение
GennPen
Я у дизайнера не увидел в конструкции преобразователя в ламинарное течение, а если добавлять подобный преобразователь, то конструкция уже никак не будет дизайнерской.
4ebriking
Да фигня распадание — нет способа «завернуть» струю воды после того, как она вышла из крана, Нет сил, препятсующих разлетанию в строны (хотя… подсос изнутри струи + пропускание по ней тока возможно то-то и дадут). Типичный «я нарисовал, а как эо сделать пусть инженеры думают»
4ebriking
а, ниже объяснили… сорри, не разобрался.
Впрочем это всё равно стоп-кадр рендера.
Mulin
Ниже строб-эффект при согласовании частоты камеры и частоты вибраций струи. Просто забавный такой эффектик. В реальности — вы все верно написали — " нет способа «завернуть» струю воды после того, как она вышла из крана".
Grox
Я добавлю, что там внутри распределяющая головка вращается. После выхода из крана вода не вращается, а падает вниз, но следующая «капля» выходит уже в другом месте по кругу. Что в теории и даёт такой эффект.
AndrewN
как быстро эти мелкие отверстия засорятся от извести и прочих примесей в нашей воде?
LonelyCruiser
Они не то что-бы засорятся, там на выходе отверстий со временем будут откладываться соли, из-за чего струя меняет направление. У меня в душе за пару недель некоторые струйки начинают «работать не туда».
QuickJoey
берёте бутылку уксусной эссенции, разводите в горячей воде 1:1, и этим раствором тряпочкой легко убираете отложения. если случай запущенный, можно замочить лейку в этом растворе.
плитку в ванной, кстати тоже быстро доводит до состояния новой. особенно после ремонта, когда тонкий налёт от затирки мылится и не отмывается ничем.
ClearAirTurbulence
Для этого есть удобные и менее вонючие средства, например, санокс с щавелевой кислотой.
Современные души обычно имеют выступающие резиновые форсунки, и отложения убираются без химии просто «массажем» этих форсунок. Не очень удобно делать с верхним душем, правда…
QuickJoey
оно, конечно, да, пахнет, зато бутылка эссенции стоит 18р. и ещё вопрос с концетрацией в саноксе щавелевой кислоты. помогает ли при сильных отложениях.
donvictorio
дело ещё в том, что иногда в отложениях присутствует ржавчина, а она, как известно, реагируя с уксусной кислотой превращается в ацетат железа, который ни по виду, ни по растворяемости в воде не отличается от изначально ржавчины… Ацетаты иных солей, присутствующих в воде вполне сносно растворяются, поэтому надо факт железа иметь ввиду.
4ebriking
поэтому надо ЛИМОННУЮ кислоту использовать. Цитраты — растворимы почти все. Стоит не сильно дороже, не пахнет и в пищёвке безвредна (нет надоности тот же чаник сильно промывать после — сполоснул и ладно).
Robotex
А че, так можно было? 0_o
Дома попробую.
artoym
Я бы рекомендовал всё же лимонную кислоту. Вроде она более гуманно относится к материалам.
QuickJoey
чтобы не пахло уксусом, пробовал кипятить лимонную в термопоте, чтобы убрать известковый налёт (сильный), мёртвому припарки. материалам пофиг, я эссенцию себе на руки лил, никаких ожогов.
isden
Может просто мало кислоты было? Я беру где-то 50-80г. (на глаз половину или 2/3 из 100г. пакетика) пищевой лимонной кислоты. Полный чайник (2.5 литра) довожу до закипания, выключаю, и высыпаю кислоту туда. Секунд через 30-40 все чисто. При сильном засирании можно еще раз довести до кипения.
Аналогичным образом и лейку чистил — 100г растворял в литре кипятка и замачивал там лейку минут на 5.
QuickJoey
фильтр на вход избавит и от извести и от ржавчины и от обломков резбы с кусками герметика, которые.