Lazer fraktal ışık üretir: ilk deneysel doğrulama!
Kılavuz
Son zamanlarda, Güney Afrika ve İskoçya'dan bilimsel araştırma ekipleri, fraktal ışığın lazerle üretilebileceğini kanıtladılar ve yeni bir öngörü ortaya koydular: Fraktal desenler, önceden düşünüldüğü gibi yalnızca iki boyutlu uzay yerine üç boyutlu uzayda da bulunmalıdır.
arka fon
Fizikçi Wheeler bir keresinde şöyle demişti: Entropi kavramını bilmeyen bilim okuryazarı bir kişi olarak kabul edilemez ve gelecekte fraktal kavramını bilmeyenlerin bilgiye sahip olduğu söylenemez.
Fraktal nedir?
Basitçe ifade etmek gerekirse, Fraktal genellikle "birkaç parçaya bölünebilen kaba veya parçalanmış geometrik şekil ve her parça (en azından yaklaşık olarak) genel olarak indirgenmiş şekil" olarak tanımlanır, yani kendine benzerlik doğasına sahiptir.
Fraktal desen (Resim kaynağı: Wikipedia)
Fraktal kavramı ilk olarak matematikçi Benoit Mandelbrot tarafından önerildi. Mandelbrot, başlangıçta "düzensiz" ve "parçalanmış" anlamına gelen "fraktal" terimini icat etti. Fraktal teorinin matematiksel temeli, araştırma nesnesi olarak düzensiz geometrik formlar alan bir geometri olan fraktal geometridir. Düzensiz fenomenler doğada her yerde bulunduğundan, fraktal geometri, doğayı tanımlayan geometri olarak da bilinir.
Fraktal desenler doğada yaygındır, örneğin kışın arabaların ön camlarındaki donma desenleri, salyangoz kabuklarının yapısı, Roma brokoli, eğrelti otları ve hatta tuz tavaları, dağlar, kıyı şeritleri ve bulutlar gibi büyük ölçekli nesneler. Ağacın ve dağın şekli de birbirine benziyor Dallar küçük bir ağaca, kayalar ise tepeye benziyor. Fraktal, çoklu ölçeklerde tekrarlanan yapının geometrik bir özelliğidir.Fraktal desen genel bir açıdan düzensiz görünse de, yerel formu yakından bakıldığında genel forma çok benzer.
Sonra, doğadaki birkaç fraktal desen resmini takdir edelim ve fraktalların matematiksel güzelliğini sezgisel olarak hissedelim:
Nautilus kabuğu (fotoğraf kaynağı: Jitze Couperus / flickr)
Roma karnabaharı (Resim kaynağı: Wikipedia)
Buzlu kristaller (Resim kaynağı: Wikipedia)
Western Sword Fern'in yaprak deseni 400 kat büyütülmüş (Resim kaynağı: Wikipedia)
Bugün dünyayı kasıp kavuran yeni bir konu olarak, fraktal geometrinin cazibesi yalnızca bilim ve sanatı bütünleştirmek değil, aynı zamanda bilimsel araştırma ve mühendislik uygulamaları için çok değerli bir yöntem sağlamaktır.
Örneğin, yazar bir keresinde Avustralya'daki Royal Melbourne Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacıların fraktal bitkilerden esinlenerek çığır açan yeni bir grafen bazlı elektrot prototipi geliştirdiğini açıkladı. Sadece güneş enerjisi teknolojisinin gelişimine yeni bir şafak getirmekle kalmaz, aynı zamanda akıllı telefonlar, akıllı giyilebilir cihazlar, yeni enerji araçları ve akıllı binalar gibi endüstrilerin gelişimine de yeni bir umut getirir.
Royal Melbourne Teknoloji Enstitüsü'nde profesör olan Min Gu, Western Sword Fern'in yaprakları, enerjiyi verimli bir şekilde depolayabilen ve bitkinin etrafındaki suyu taşıyabilen damarlarla kaplıdır. Elektrotlarımız bu fraktal şekillere dayalıdır. Kar tanelerindeki mikro yapılar aynı. Doğadaki bu yüksek verimli tasarımı nanometre düzeyinde güneş enerjisi depolama verimliliğini artırmak için kullanıyoruz. "
Yenilikçilik
Yaklaşık yirmi yıl önce, bilim adamları lazerlerin "fraktal ışık" üretebileceğini tahmin ettiler. Son derece cilalı küresel aynaların kullanılması nedeniyle, lazer doğanın neredeyse tam tersi olabilir. 1998 yılında, araştırmacılar bir lazer sınıfının fraktal ışınlar yayabileceğini tahmin ettiklerinde, insanlar hoş bir şekilde şaşırdılar. Yirmi yıldan fazla bir süre geçti ve şimdi bu tahmin nihayet doğrulandı. Güney Afrika ve İskoçya'dan araştırma ekipleri, fraktal ışığın lazerle üretilebileceğini kanıtladı.
Witwatersrand Üniversitesi Yapılandırılmış Işık Laboratuvarı'nda bir lazer tarafından üretilen fraktal modelin bir enine kesiti (Resim kaynağı: Witwatersrand Üniversitesi)
Güney Afrika'daki Witwatersrand Üniversitesi'nden Profesör Andrew Forbes ve Birleşik Krallık'taki Glasgow Üniversitesi'nden Profesör Johannes Courtial araştırmayı yönetti. Proje, Birleşik Krallık'taki Glasgow Üniversitesi ekibinin teorik bilgilerini Güney Afrika'nın Wits ve CSIR (Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Konseyi) araştırmacılarının deneysel doğrulaması ile birleştiriyor. Deneyin ilk versiyonu Dr. Darryl Naidoo (CSIR ve Wits üyesi) tarafından oluşturuldu ve Dr. Hend Sroor tarafından doktora araştırmasının bir parçası olarak tamamlandı.
Bu ay, "Physical Review A" dergisinde yayınlanan bir makalede, araştırma ekibi basit bir lazer tarafından yayılan fraktal ışık için ilk deneysel kanıtı sağladı ve yeni bir tahmin önerdi: fraktal modeller de üç boyutta mevcut olmalıdır Daha önce düşünüldüğü gibi sadece iki boyutlu uzay yerine uzayda.
teknoloji
Fraktal, karmaşık nesnelerin morfolojik bir özelliğidir ve "desen içindeki desen" olarak adlandırılır. Bu modelleri görüntülemek için uzaklaştırdığınızda veya yakınlaştırdığınızda, benzer yapıları göstereceklerdir. Doğa, bir kar tanesi oluşturmak gibi, aynı basit kuralı defalarca yinelemeli olarak çağırarak bu tür bir "kalıp içinde kalıp" yaratır. Benzer şekilde, bir bilgisayar programı, en ünlüsü soyut Mandelbrot kümelerinin üretilmesidir.
Mandelbrot Koleksiyonu (Resim kaynağı: Wikipedia)
Lazerin içindeki ışık da fraktal olabilir: ışık bir döngü gerçekleştirmek için aynalar arasında ileri geri yansıtılır ve her gidiş-dönüş aynaya yönlendirilen ışıkla görüntülenebilir. Bu biraz özyinelemeli bir döngüye benziyor, basit bir kuralı defalarca tekrar ediyor. Görüntüleme, ışığın görüntüleme düzlemine her döndüğünde, orijinal görüntünün daha küçük (veya daha büyük) bir versiyonu olduğu anlamına gelir: "modeldeki desen".
(Resim kaynağı: Witwatersrand Üniversitesi)
Forbes, bu fraktal ışığın keşfini açıklarken, araştırma ekibinin lazerin neresinden fraktal bulmanın önemini anladığını açıkladı. "Lazerin içinde yanlış konumu görürseniz, yalnızca bulanık bir ışık görürsünüz. Görüntülemenin gerçekleştiği doğru yerde, fraktal göreceksiniz."
Courtial, "Tahmin edildiği gibi, bu etkiyi göstermenin tek gerekliliğinin basit bir lazer ve iki cilalı küresel ayna kullanmak olması şaşırtıcı. Bu etki her zaman oradadır, ancak doğru anlamazsanız Nerede olduğunu görmek zor. "
Fraktal ışık oluşturmak için deneysel cihaz (resim kaynağı: referans [2])
değer
Fraktallar görüntüleme, ağlar, antenler ve hatta tıpta kullanılmıştır. Araştırma ekibi, doğrudan lazer aracılığıyla tasarlanabilen fraktal ışığın, yapılandırılmış ışığın kendine özgü durumuna dayalı yeni uygulamalara ve teknolojilere kapı açacağını umuyor.
Forbes, "Fraktal gerçekten büyüleyici bir fenomendir ve sözde" kaos "ile ilgilidir. Popüler bilim alanında kaosa" kelebek etkisi "denir. Büyük değişiklikler. Örneğin, Asya'da kanat çırpan bir kelebek Amerika Birleşik Devletleri'nde bir kasırgaya neden olur. Bu onaylandı. "
Anahtar kelime
Fraktal, lazer, kelebek etkisiReferans
[1] .html
2 Hend Sroor, Darryl Naidoo, Steven W. Miller, John Nelson, Johannes Courtial, Andrew Forbes. Lazerlerden gelen fraktal ışık Fiziksel İnceleme A, 2019; 99 (1) DOI: 10.1103 / PhysRevA.99.013848
