Неожиданная математическая связь между особым видом механического движения и поведением Света была обнаружена тремя физиками РИКЕНА1. Эта странная связь может помочь физикам разработать будущие ускорители частиц, а также исследовать горячие ионизированные газы, известные как плазма.

Хитоси Танака и его коллеги из центра RIKEN SPring-8 сделали это открытие случайно. Они разрабатывали источник синхротронного излучения следующего поколения,в котором пучки электронов перемещаются по большой круговой цепи, испуская рентгеновские лучи. Ускоряющие полости периодически ускоряют лучи, чтобы поддерживать их постоянную энергию.

Команда хотела найти способ безопасно и эффективно поглощать энергию луча путем пространственного расширения лучей. "У нас есть острый, высокоинтенсивный луч, который может расплавить стальную вакуумную камеру",-говорит Танака.

Команда математически смоделировала электроны, циркулирующие в источнике синхротронного излучения. Основная часть построенной модели эквивалентна вынужденному гармоническому генератору с собственной частотой колебаний, которая изменяется медленно. Простой пример вынужденного гармонического осциллятора - ребенок на качелях, которого толкает родитель в нужный момент, чтобы увеличить амплитуду качания. В случае Танаки электрод обеспечивает эту движущую силу, заставляя электроны слегка вибрировать во время движения.

Команда решила уравнение, чтобы найти оптимальную частоту, необходимую для увеличения амплитуды колебаний электронов для распространения электронных пучков. Удивительно, но решение выглядело похожим на решение, описывающее совершенно другую систему-способ интерференции световых волн, когда луч света проходит через узкую щель. Когда экран расположен далеко от щели, на экране появляется узор из ярких и темных полос (Рис. 1). Яркие части соответствуют областям, где пики световых волн конструктивно сочетаются, в то время как темные полосы-это области, где пики одних волн сочетаются с впадинами других, компенсируя друг друга.

"Сначала мы не понимали, почему мы это видим, потому что наша система механическая, а не оптическая", - говорит Танака.

Затем команда вычислила, что любой простой вынужденный гармонический генератор с медленно меняющейся частотой также будет вести себя аналогично свету. Когда движущая сила приложена с правильной частотой, система резонирует и амплитуда колебаний увеличивается-точно так же, как когда две световые волны конструктивно интерферируют.

"Гармонические осцилляторы важны во многих типах физики, таких как физика плазмы и физика ускорителей", - говорит Танака, который надеется, что результаты будут полезны в этих и других областях.

ИСТОЧНИК