De natuur zit boordevol prachtige patronen, zoals de ogenschijnlijk complexe vormen van sneeuwvlokken, kustlijnen, wolken en schelpen.
Maar zoom in en je ziet fractals, wat hetzelfde, eenvoudige patroon betekent dat zich herhaalt op kleinere en kleinere schalen.
Nu hebben onderzoekers ontdekt dat een eenvoudig door mensen gemaakt object, een laser, ook deze verbluffend ingewikkelde patronen kan creëren - zoals twee decennia geleden voor het eerst werd voorspeld. Ze rapporteerden hun resultaten op 25 januari in het tijdschrift Physical Review A.
Een laser kan worden gezien als een doos die bestaat uit twee spiegels, met lichtdeeltjes of fotonen, die heen en weer stuiteren tussen de spiegels, zei onderzoeksauteur Andrew Forbes, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van de Witwatersrand, in Johannesburg , Zuid-Afrika. Een van de spiegels is echter gebogen, zodat sommige fotonen onder een hoek stuiteren en ontsnappen in plaats van de andere spiegel opnieuw te raken, zei Forbes. Het laserlicht dat we zien bestaat uit die ontsnappende fotonen.
Wetenschappers voorspelden decennia geleden dat het licht dat uit de laser ontsnapt in theorie onder de juiste omstandigheden een fractal zou kunnen produceren. Maar dat blijkt niet het geval te zijn.
In plaats daarvan 'wat we moesten doen, was in de doos kijken', vertelde Forbes aan WordsSideKick.com.
Om de fractal te maken, gebruikten ze de gebogen spiegels van de laser en lieten ze een dubbele taak vervullen als een soort 'telescoop'. In dit geval waren de spiegels op een speciale manier gebogen die vervormde vormen zoals een funhouse-spiegel. 'Wat een telescoop doet, maakt grote dingen klein of kleine dingen groot', zei Forbes. Dus elke keer dat het licht eenmaal rond gaat, vergroot hun telescoopsysteem het of verkleint het. Dientengevolge, op "een bepaalde plaats, vormt het deze grappige, deze echt gekke structuur" - "een afbeelding binnen een afbeelding binnen een afbeelding", zei hij. Met andere woorden: een fractal.
De onderzoekers creëerden veel verschillende soorten fractals door te spelen met de kromming van de spiegels en zo de vergroting te veranderen.
Vervolgens bouwden ze een beeldvormingssysteem dat deze interne fractals vastlegde en naar een scherm bracht. Het patroon herhaalt zich alleen totdat je de golflengte van het licht bereikt, net zoals fractals in de natuur alleen herhalen totdat ze inzoomen tot het niveau van het atoom, zei co-auteur Johannes Courtial, een hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Glasgow in Schotland. (In de wiskunde herhalen fractals echter oneindig, zoals het geval is met de beroemde Mandelbrot-set.)
Tot nu toe keken mensen waarschijnlijk naar de verkeerde plaats in de laser, zei Courtial.
"We zagen er niet helemaal goed uit, dus het is niet het perfecte experiment", vertelde Courtial aan WordsSideKick.com. Nu ze erachter zijn gekomen, kan het in volgende experimenten worden gedaan: 'we kunnen veel beter'.
De theoretische simulaties, geleid door Courtial, suggereerden dat dit patroon misschien niet alleen in twee dimensies bestaat, maar ook in 3D. Dat betekent dat wanneer u het fractale patroon loodrecht op het vlak waarop het zich bevindt, doorsnijdt, u mogelijk exact hetzelfde, op zichzelf lijkende patroon ziet. Toen dat opdook in simulaties van de laser, 'had ik dat helemaal niet verwacht', zei Courtial. Maar de onderzoekers moeten dit nog experimenteel bewijzen.
Courtial zei dat ze deze experimenten "puur uit interesse" hebben uitgevoerd en dat er nog geen praktische toepassingen zijn.
Maar wetende dat laserlichten fractals kunnen creëren, kan mogelijk leiden tot een soort microscoop of beeldvormingssysteem dat naar meerdere dimensies kan kijken in plaats van naar het oppervlak of slechts één laag van een object, vertelde Forbes aan WordsSideKick.com. "Fractaal licht heeft veel complexiteit, en je kunt dus dromen dat het dan misschien wel het perfecte type straal is om complexe materie te onderzoeken."
