Čas od času námořníci hlásí pozorování obřích vln, které se zvedají až do výšky 30 metrů nad obvyklou úroveň vzdouvání hladiny oceánu. Nikdo neví jistě, jak tyto ničivé vlny vznikají, ale fyzikům ve Spojených státech a Německu se letos podařilo vyvolat ekvivalentní optickou ničivou vlnu vysíláním laserových pulzů do PCF (photonic-crystal fibres, nový typ optických vláken využívající optických vlastností periodických nanostruktur). S využitím počítačových simulací optického systému výzkumníci zjistili, že ničivé optické vlny a tedy i ničivé oceánské vlny může vyvolávat hluk.

PCF je průhledný řetězec obsahující stovky pravidelně rozložených vzduchových bublin probíhající celou jeho délkou. Střídající se index lomu vytvořený v této struktuře má nelineární efekt na světelné vlny – posouvá jejich frekvenci v závislosti na intenzitě vlnění. Když pulz – který je tvořen mnoha vlnami se zvonovitým rozdělením frekvencí – vstoupí do PCF, jeho frekvenční spektrum se rozšíří. Ničivé vlny jsou příkladem vlnových pulzů, ale jejich krátká ostrá povaha vyžaduje, aby tímto procesem bylo vyzářeno příliš široké spektrum frekvencí na to, než jaké by vzniklo tímto procesem samotným.

Daniel Solli, jeho spolupracovníci z University of California v Los Angeles a Claus Ropers z Max Born Institute for Non-linear Optics and Short Pulse Spectroscopy v Berlíně nyní objevili, že hluk na kterékoliv straně frekvenčního spektra vlnového pulzu může někdy zasáhnout právě s takovou frekvencí a intenzitou, která urychlí rozšíření spektra v PCF, což vede k vytvoření ničivé vlny (Nature 450 1054).

„Poznatky o optické ničivé vlně mohou pomoci pochopit oceánský fenomén,“ uvedl Ropers pro physicsworld.com. „V budoucnu by mohly umožnit předpovídat, kdy a kde oceánské vlny vzniknou.“

Neobvyklé rozdělení

První vodítko k pochopení základní příčiny vzniku optických ničivých vln se objevilo, když Solli, Ropers a kol. vyslali sérii laserových pulzů do PCF bez snahy snížit hluk. Zjistili, že vznikají ničivé vlny o mnohem větší amplitudě, než by se očekávalo z normálního Gaussova rozdělení. Pro vysvětlení tohoto zjištění výzkumníci vymodelovali šíření pulzů numericky s použitím nelineární Schrödingerovy rovnice. Protože PCF posouvalo frekvence různě, vyšlo najevo, že se hluk někdy náhodně skládá s hlavním pulzem a „rozšiřuje“ jej. Jakmile k tomu dojde, část pulzu se oddělí do tzv. solitonu – speciální tvarově velmi stabilní nelineární vlny. Protože tento soliton hlavnímu pulzu odebere množství energie a má velmi široké frekvenční spektrum, bude vyčnívat z pulzu jako ničivá vlna.

Podobná matematika

Jak to souvisí s oceánem? Stejně jako PCF, oceán je nelineární prostředí. Je v něm také spousta hluku, způsobeného mimo jiné bombardováním větrem. „Matematika popisující vznik optických vln je neobyčejně podobná té, která popisuje vodní vlny v hlubokém moři,“ řekl Solli. Nicméně k ověření, zda ničivé vlny vytváří tentýž mechanismus, budou vědci muset najít způsoby, jak přesně změřit parametry nelineární Schrödingerovy rovnice – stupeň nelinearity a disperze – pro otevřený oceán.

Zpracovala Petra Hyklová, zdroj: http://physicsworld.com/cws/article/news/32209