分形圖案在自然界中很常見，包括龜殼的幾何圖案、蝸牛殼的結(jié)構(gòu)、肉質(zhì)植物的葉子，這些葉子會(huì)不斷重復(fù)以形成復(fù)雜的圖案，還有冬天汽車擋風(fēng)玻璃上的霜凍圖案。分形具有多重尺度上結(jié)構(gòu)重復(fù)的幾何特征，從羅馬花椰菜到蕨類植物，甚至在鹽田、山脈、海岸線和云朵等更大尺度上都可以發(fā)現(xiàn)分形。

樹和山的形狀也是自相似的，樹枝看起來像一棵小樹，巖石露頭看起來像一座小山。在過去的二十年里，科學(xué)家們預(yù)測(cè)分形光可以用激光產(chǎn)生。由于其高度拋光的球形鏡面，激光幾乎是與自然完全相反，因此當(dāng)研究人員在1998年預(yù)測(cè)出一類激光器發(fā)出的分形光束時(shí)，這讓人感到意外。

博科園-科學(xué)科普：現(xiàn)在來自南非和蘇格蘭的一個(gè)研究小組證明了激光可以產(chǎn)生分形光，驗(yàn)證了20年來的預(yù)測(cè)！本月發(fā)表在《物理評(píng)論A》上的一篇研究論文中，該研究小組首次為簡(jiǎn)單激光發(fā)出的分形光提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并提出了一個(gè)新的預(yù)測(cè)：分形圖案應(yīng)該存在于三維空間中，而不像之前認(rèn)為的僅僅存在于二維空間中。大自然通過一個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)則的多次遞歸來創(chuàng)建這種“模式中的模式”，例如，生成一片雪花。計(jì)算機(jī)程序還通過反復(fù)循環(huán)規(guī)則生成分形，著名的是生成了抽象曼德爾布羅特集合。激光器內(nèi)部的光也會(huì)來回循環(huán)，每次經(jīng)過時(shí)在鏡子之間來回反射，這樣就可以在每次往返時(shí)將光反射到鏡子內(nèi)部。

這看起來就像一個(gè)遞歸循環(huán)，一遍又一遍地重復(fù)一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則。成像意味著每次光線返回到成像平面時(shí)，它都是原來的圖像的一個(gè)更小(或更大)的版本：一個(gè)模式中的一個(gè)模式中的一個(gè)模式。分形在成像、網(wǎng)絡(luò)、天線甚至醫(yī)學(xué)上都有應(yīng)用。研究小組希望，可以直接用激光設(shè)計(jì)的分形光的發(fā)現(xiàn)，將為基于這些奇異的結(jié)構(gòu)光狀態(tài)的新應(yīng)用和技術(shù)打開大門。威特沃特斯蘭德大學(xué)的安德魯·福布斯教授和格拉斯哥大學(xué)的約翰內(nèi)斯·古特爾教授共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。在流行科學(xué)領(lǐng)域，混亂被稱為‘蝴蝶效應(yīng)’，一個(gè)地方的小變化會(huì)在另一個(gè)地方產(chǎn)生大變化——例如，一只蝴蝶在亞洲扇動(dòng)翅膀，在美國(guó)引發(fā)了一場(chǎng)颶風(fēng)，這已經(jīng)被證明是真的。

在解釋分形光的發(fā)現(xiàn)時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)意識(shí)到在激光中尋找分形的重要性。如果你看錯(cuò)了激光內(nèi)部的位置，只會(huì)看到一團(tuán)模糊的光，在正確的位置，成像發(fā)生的地方，會(huì)看到分形。該項(xiàng)目將格拉斯哥團(tuán)隊(duì)的理論專業(yè)知識(shí)與Wits和CSIR(科學(xué)與工業(yè)研究理事會(huì))研究人員在南非進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最初版本是由Darryl Naidoo博士(CSIR和Wits的成員)完成的，Hend Sroor博士(Wits的成員)作為她博士的一部分完成。令人驚訝的是，正如預(yù)測(cè)的那樣，演示這種效果的唯一要求是使用一個(gè)簡(jiǎn)單的激光器和兩個(gè)拋光的球面鏡，它一直都在那里，只是很難看到你是不是在看正確的地方。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 金山大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論A》

DOI: 10.1103/PhysRevA.99.013848

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