Lichtknopen kunnen bestaan
We voorspelden het al in een van onze eerste artikelen. Wellicht is het mogelijk van licht structuren te bouwen. Nu zijn theoretici er inderdaad in geslaagd om in de theorie van Maxwell lichtknopen te introduceren. Hoe werkt dat, en wat zijn de mogelijkheden?
Wat zijn de vergelijkingen van Maxwell?
Rond 1870 vatte de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell de elektromagnetische kennis die in de 19e eeuw bijeengegaard was samen in vier differentiaalvergelijkingen. Deze beschrijven elektriciteit, magnetisme en de relatie tussen elektriciteit en magnetisme. Althans: de eisen waaraan een geldige beschrijving van een elektromagnetisch systeem moet voldoen. Elk verschijnsel dat aan deze eisen voldoet, kan in de natuur bestaan.
Zo voorspelde Maxwell dat er een verschijnsel zou bestaan dat bestond uit elektrische velden, die magneetvelden opwekken, die op hun beurt omgekeerde elektrische velden opwekken enzovoort. Aangezien dit verschijnsel zich voortplantte met exact de lichtsnelheid, vermoedde Maxwell dat het onbekende verschijnsel licht was. Dit klopt, werd later aangetoond. We weten nu dat licht maar één vorm is van elektromagnetische straling.
Er zijn heel veel verschillende oplossingen voor de vergelijkingen van Maxwell, die elk een bestaand, of potentieel bestaand, elektromagnetisch verschijnsel vormen.
Waarom zijn de vergelijkingen van Maxwell zo belangrijk?
Onder natuurkundigen zijn de vier differentiaalvergelijkingen van Maxwell wereldberoemd. Dat is niet voor niets. Met behulp van de kwantumversie van deze vier vergelijkingen, de kwantumelektrodynamica, kan letterlijk alles worden beschreven dat met elektriciteit en magnetisme te maken heeft. En dat is nogal wat, onder meer alle door ons waarneembare materie en licht (atoomkernen uitgezonderd, en zelfs die voor een deel).
Deze vergelijkingen zijn al anderhalve eeuw oud. Maar naar nu blijkt, hebben deze nog lang niet al hun geheimen prijsgegeven.
Knopen met licht
Met een wiskundig huzarenstukje zijn vijf natuurkundigen erin geslaagd om een knoopstructuur te creëren, die punten verbindt waar de elektromagnetische potentiaal gelijk is. Dat wil zeggen, dat een elektrische lading zonder energie op te nemen of af te geven over deze lijn kan worden verplaatst. Deze knoop structuren bestaan uit torussen (donutachtige ringen) die in elkaar vervlochten zijn. Bijzonder is, dat deze knopen hun vorm en afmetingen behouden als ze door de ruimte reizen. Tot nu toe kenden we maar één dergelijke structuur: het soliton. Met knopen van licht zijn leuke dingen te doen. Zo zou je er antimaterie in gevangen kunnen houden. Als je in staat zou zijn de knopen op dezelfde plaats te houden, zou je op die manier ook elektromagnetische energie in het vacuüm kunnen opslaan. Deze ‘puur-lichtbatterij’ zal de energiedichtheid van elke denkbare batterij, uitgezonderd antimaterie, met stukken slaan. De onderzoekers noemen verder het creëren van soortgelijke knopen in plasma’s of kwantumvloeistoffen.
Hoe kan licht in knopen gelegd worden?
De onderzoekers vermoeden dat deze knopen kunnen worden gemaakt met behulp van geconcentreerde Laguerre–Gaussiaanse bundels. Er wordt veel gewerkt met deze bundels omdat ze, anders dan de meeste types lichtbundels, draaimoment met zich mee voeren (m.a.w. ze kunnen voorwerpen waar ze op schijnen, aan het draaien brengen). Zou dit lukken, dan krijgt het wetenschappelijk onderzoek, en uiteraard niet lang daarna technici, er een zeer krachtig middel bij.
Update: 7-1-2015: bij toeval stuitte ik op dit artikel in Nature. Onderzoekers zijn er daadwerkelijk in geslaagd om “lichtmoleculen” te vormen. Hiervoor stuurden ze licht door een Bose-Einstein condensaat van extreem koude rubidiumatomen. Deze fotonen vormden -met rubidiumatomen als intermediair- een binding, die behouden bleef toen de fotonen het BEC verlieten.
Lees ook
Licht als bouwmateriaal
Bronnen
Hridesh Kedia et al., Tying Knots in Light Fields, Physical Review Letters (2013) gratis versie 1 gratis versie 2
