En almindelig type oscillerende bevægelse efterligner overraskende lysets bølgefunktion

En uventet matematisk forbindelse mellem en særlig form for mekanisk bevægelse og lysets adfærd er blevet afdækket af tre RIKEN -fysikere1. Denne mærkelige forbindelse kunne hjælpe fysikere med at designe fremtidige partikelacceleratorer samt undersøge varme ioniserede gasser kendt som plasmaer.

Hitoshi Tanaka og hans kolleger fra RIKEN SPring-8 Center gjorde opdagelsen ved et uheld. De designede en næste generations synkrotronstrålingskilde, hvor elektronstråler bevæger sig rundt i et stort cirkulært kredsløb, udsender røntgenstråler, mens de rejser. Accelerationshulrum accelererer periodisk strålerne for at holde dem ved en konstant energi.

Teamet ønskede at finde en måde til sikkert og effektivt at absorbere stråleens energi ved rumligt at udvide bjælker. "Vi har en skarp, højintensitetsstråle, der kan smelte et vakuumkammer i stål, "Siger Tanaka.

Holdet modellerede matematisk de elektroner, der cirkulerede i synkrotronstrålingskilden. En kerne del af den indbyggede model svarer til en tvungen harmonisk oscillator, med en naturlig svingningsfrekvens, der varierer langsomt. Et enkelt eksempel på en tvungen harmonisk oscillator er et barn på en svingning, blive skubbet af en forælder på det helt rigtige tidspunkt for at øge swingens amplitude. I Tanakas tilfælde, elektroden giver denne drivkraft, får elektronerne til at vibrere let, mens de rejser rundt.

Teamet løste ligningen for at finde den optimale frekvens, der er nødvendig for at øge elektronernes oscillationsamplitude til spredning af elektronstråler. Overraskende, løsningen lignede den, der beskriver et helt andet system - måden lysbølger forstyrrer, når en lysstråle passerer gennem en smal spalte. Når en skærm er placeret langt fra spalten, et mønster af lyse og mørke striber vises på skærmen (fig. 1). De lyse dele svarer til områder, hvor lysbølgernes toppe kombineres konstruktivt, mens de mørke striber er områder, hvor nogle bølgernes toppe kombineres med andres trug, aflyser hinanden.

"Først forstod vi ikke, hvorfor vi så dette, fordi vores system er mekanisk, ikke optisk, "Siger Tanaka.

Holdet beregnede derefter, at enhver simpel tvungen harmonisk oscillator med en langsomt varierende frekvens også vil opføre sig analogt med lys. Når drivkraften anvendes med den rigtige frekvens, systemet resonerer, og oscillationens amplitude stiger - ligesom når to lysbølger konstruktivt forstyrrer.

"Harmoniske oscillatorer er vigtige i mange typer fysik, såsom plasmafysik og acceleratorfysik, "siger Tanaka, der håber, at resultaterne vil være nyttige på disse områder og andre.