Die Natur strotzt vor wunderschönen Mustern wie den scheinbar komplexen Formen von Schneeflocken, Küsten, Wolken und Muscheln.
Wenn Sie jedoch hineinzoomen, sehen Sie Fraktale, dh dasselbe einfache Muster, das sich in immer kleineren Maßstäben wiederholt.
Jetzt haben Forscher herausgefunden, dass ein einfaches vom Menschen hergestelltes Objekt, ein Laser, auch diese erstaunlich komplizierten Muster erzeugen kann - wie vor zwei Jahrzehnten erstmals vorhergesagt wurde. Sie berichteten über ihre Ergebnisse am 25. Januar in der Zeitschrift Physical Review A.
Ein Laser kann als eine Box betrachtet werden, die aus zwei Spiegeln besteht, in denen Lichtteilchen oder Photonen zwischen den Spiegeln hin und her springen, sagte der Studienautor Andrew Forbes, Professor für Physik an der Universität Witwatersrand in Johannesburg , Südafrika. Einer der Spiegel ist jedoch gekrümmt, so dass einige der Photonen in einem Winkel abprallen und entweichen, anstatt erneut auf den anderen Spiegel zu treffen, sagte Forbes. Das Laserlicht, das wir sehen, besteht aus diesen austretenden Photonen.
Wissenschaftler haben vor Jahrzehnten vorausgesagt, dass das aus dem Laser austretende Licht unter den richtigen Bedingungen theoretisch ein Fraktal erzeugen könnte. Es stellt sich jedoch heraus, dass dies nicht der Fall ist.
"Wir mussten vielmehr in die Schachtel schauen", sagte Forbes gegenüber Live Science.
Um das Fraktal zu erstellen, verwendeten sie die gekrümmten Spiegel des Lasers und ließen sie als eine Art "Teleskop" die doppelte Aufgabe erfüllen. In diesem Fall wurden die Spiegel auf besondere Weise gebogen, wodurch Formen wie bei einem Funhouse-Spiegel verzerrt wurden. "Ein Teleskop macht entweder große Dinge klein oder kleine Dinge groß", sagte Forbes. Jedes Mal, wenn das Licht einmal herumläuft, vergrößert oder verkleinert es das Teleskopsystem. Infolgedessen bildet es an "einem bestimmten Ort diese lustige, diese wirklich verrückte Struktur" - "ein Bild innerhalb eines Bildes innerhalb eines Bildes", sagte er. Mit anderen Worten: ein Fraktal.
Die Forscher schufen viele verschiedene Arten von Fraktalen, indem sie mit der Krümmung der Spiegel spielten und so die Vergrößerung änderten.
Anschließend bauten sie ein Bildgebungssystem auf, das diese internen Fraktale aufzeichnete und sie nach draußen auf einen Bildschirm brachte. Das Muster wiederholt sich nur, bis Sie die Wellenlänge des Lichts erreichen, genau wie sich Fraktale in der Natur nur wiederholen, bis es auf die Ebene des Atoms vergrößert ist, sagte Co-Autor Johannes Courtial, Dozent für Physik und Astronomie an der Universität von Glasgow in Schottland. (In der Mathematik wiederholen sich Fraktale jedoch unendlich, wie es bei der berühmten Mandelbrot-Menge der Fall ist.)
Bis zu diesem Zeitpunkt haben die Leute wahrscheinlich an der falschen Stelle im Laser gesucht, sagte Courtial.
"Wir haben nicht ganz in die richtige Ebene geschaut, es ist also nicht das perfekte Experiment", sagte Courtial gegenüber Live Science. Jetzt, da sie herausgefunden haben, dass es in nachfolgenden Experimenten möglich ist, "können wir es viel besser machen".
Die theoretischen Simulationen unter der Leitung von Courtial deuteten darauf hin, dass dieses Muster möglicherweise nicht nur in zwei Dimensionen, sondern auch in 3D existiert. Das heißt, wenn Sie das fraktale Muster senkrecht zur Ebene durchschneiden, auf der es sich befindet, sehen Sie möglicherweise genau das gleiche, selbstähnliche Muster. Als sich dies in Simulationen des Lasers zeigte, "habe ich das überhaupt nicht erwartet", sagte Courtial. Die Forscher müssen dies jedoch noch experimentell beweisen.
Courtial sagte, sie hätten diese Experimente "rein aus Interesse" durchgeführt und es gebe noch keine praktischen Anwendungen.
Das Wissen, dass Laserlicht Fraktale erzeugen kann, könnte jedoch möglicherweise zu einer Art Mikroskop oder Bildgebungssystem führen, das mehrere Dimensionen anstelle der Oberfläche oder nur einer Schicht eines Objekts betrachtet, sagte Forbes gegenüber Live Science. "Fraktales Licht ist sehr komplex, und so kann man träumen, dass es dann vielleicht die perfekte Art von Strahl ist, um komplexe Materie zu untersuchen."
