Я уверен, что этот вопрос не давал вам спать по ночам: можете ли вы заставить объект вращаться с помощью звуковой волны? Обычно ответ был отрицательным. Однако теперь инженеры-механики взглянули на то, что умеют их коллеги, играющие с лазерами, и, увидев свет, скопировали это. И при этом было достигнуто вращение объектов с помощью звуковых волн… но только в симуляциях.
Неужели так сложно заставить вещи вращаться?
Чтобы понять, почему заставить вещи вращаться с помощью звуковых волн так сложно, представьте себе трубу с турбиной. Обычно, чтобы заставить турбину вращаться, жидкость должна проходить мимо лопастей турбины. Сила жидкости, воздействующей на лопасти, создает крутящий момент, который приводит в движение турбину. Если мы заменим этот поток волной давления (например, звуковой волной), жидкость будет двигаться вперед и назад. Таким образом, локальное движение будет сначала передавать крутящий момент по часовой стрелке, а затем против часовой стрелки. В результате получается качающееся движение.
Более фундаментально, волна несет линейный импульс, но не угловой момент (в частности, это орбитальный угловой момент, но мы опустим «орбитальный»). То, что вращается, имеет угловой момент. В примере с турбиной полный угловой момент не может измениться. Если волна не имеет углового момента, а турбина не имеет углового момента, ничего не изменится.
(Текущая жидкость также не имеет углового момента, но она может заставить турбину вращаться. Это работает, потому что жидкость будет образовывать вихри после того, как пройдет турбину. Вихри переносят угловой момент с противоположным вращением турбине, так что полный угловой момент остается равным нулю.)
Это все хорошо протоптанная почва. Но до недавнего времени никто не был уверен, что звуковые волны могут нести такой угловой момент. Даже если предположить, что это возможно, мы понятия не имели, как генерировать звуковую волну с угловым моментом. Итак, первым шагом, который предприняли исследователи, было показать, что звуковые волны могут переносить угловой момент. Сделав это (основную часть мыслительной работы), пришло время выяснить, как генерировать волны.
Во-первых, заставить фонон закружиться…
Хитрость заключается в том, чтобы заставить вращаться механические волны. Чтобы визуализировать эту идею, вам нужно понять идею волнового фронта. Например, возьмем звуковую волну, распространяющуюся по воздуху. Звуковая волна состоит из областей высокого и низкого давления, которые движутся в пространстве. Если бы мы могли остановить время, мы могли бы посмотреть на застывшую звуковую волну и провести линию там, где давление максимально. Эта линия (обычно кривая) проходит под прямым углом к направлению распространения волны. Если мы разморозим время на мгновение, а затем заморозим его снова, мы обнаружим, что линия продвинулась со скоростью звука в новое положение.
Наша картина волновых фронтов может быть расширена до трех измерений. Здесь линия высокого давления становится плоскостью высокого давления, которая движется в пространстве со скоростью звука.
Три световых луча с +1 (вверху), 0 и -1 (внизу) единицами орбитального углового момента. Слева показаны волновые фронты (линии постоянной фазы). Посередине показано, как фаза изменяется по лучу. Справа показан профиль интенсивности луча.
Этот волновой фронт описывает импульс волны и угловой момент. Для волны с угловым моментом волновой фронт больше не является линией (или плоскостью). Вместо этого поверхность представляет собой спираль (как винт Архимеда). Волна по-прежнему движется под прямым углом к поверхности волнового фронта, но теперь это спираль, вращающаяся вокруг центральной оси. Если бы вы взяли один фрагмент волнового фронта и проследили бы его, вы бы обнаружили, что он закручивается вдоль этой оси.
Что происходит в центре штопора? В этом месте волновой фронт не имеет единственного значения. Центр должен быть местом одновременно высокого и низкого давления. Вселенная не любит внутренних противоречий, поэтому берет среднее, а звуковая волна в центре не имеет амплитуды.
