![](https://habrastorage.org/files/95c/d78/b2d/95cd78b2d21b4ee597f4fc70916d351a.jpg)
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.
![](https://habrastorage.org/files/795/00e/9be/79500e9be9974a178c85cf248010442e.png)
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):
![](https://habrastorage.org/files/76f/d3a/1ec/76fd3a1eca7f414aabe4548c137716c0.gif)
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:
![](https://habrastorage.org/files/67c/f1f/958/67cf1f958fea4e2a9cdc7306cbaba7a8.jpg)
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:
![](https://habrastorage.org/files/0c8/843/40e/0c884340e02e4d589d30232d59b8ffa0.jpg)
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:
![](https://habrastorage.org/files/b7d/511/ec3/b7d511ec34f243d6a543072e43b0db5f.jpg)
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.
![](https://habrastorage.org/files/f82/5b0/0e6/f825b00e6cde414db2153598461671f1.jpg)
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):
![](https://habrastorage.org/files/839/ccc/a3f/839ccca3f11e49208775e7fb61a54580.gif)
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.
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.