不只会直线前进 光能在自行旋转？(图)

光的面貌可能比人们印象中的更多样化。
（图片来源：ЮРИЙ ПОЗДНИКОВ/stock.adobe.com）

光总是沿着直线前进吗？这个看似理所当然的印象，可能还有不为人知的其他面貌。英国东英吉利大学领导的国际研究团队发现，经过精心设计的光束，即使没有特殊透镜、反射镜或工程材料协助，也能在自由空间传播时，逐渐形成具有左旋与右旋特性的区域。

更令人意外的是，这些旋转模式并非由外部装置强行制造，而是受到光本身隐藏的几何结构所支配。这项发现不仅为光的行为揭开新的面貌，也可能为未来医疗检测、资讯传输与量子技术带来不同的发展方向。

光束不只是直线前进 传播途中竟会旋转

据《科学日报》报导，东英吉利大学发布的研究消息，这项由该校研究人员领导，并与南非科学家合作完成的研究，揭示了光在传播过程中一种过去未受到充分重视的现象，光束能够透过自身的内部结构，自然形成不同方向的旋转模式。

一般人熟悉的光，往往会想像成沿直线前进的能量。然而，物理学家早已知道，光也能被设计成具有复杂形状与结构的特殊光束。例如，科学家可以调整光的亮度、形状与方向，使其形成所谓的结构光。

其中一种特殊形式称为“光涡旋”，这种光束的波形会绕着传播方向呈螺旋状扭曲，外观像是一股旋转的光流。每一个螺旋结构都可能承载资讯，因此在高速网络、安全通讯与先进传感器等领域具有研究价值。

除了波形的螺旋扭曲，光还具有另一种与旋转有关的特性，也就是“偏振”。偏振描述光的电场如何振荡，而某些偏振模式能呈现称为“自旋”的旋转性质。这种旋转具有方向差异，可以分为左旋与右旋。

研究团队关注的正是这些不同光学特性之间的关系。过去，物理学家虽然知道光的波形、偏振与自旋可能相互影响，但相关作用通常被认为十分微弱，不容易在一般条件下观察。这次实验却显示，只要事先将光束安排成特定的平衡状态，即使光在自由空间中传播，也可能逐渐显现原本不明显的自旋区域。

原本没有自旋 光束前进后竟出现旋转区域

这项实验最引人注意的地方在于旋转并不是一开始就明显存在。负责关键实验的硕士研究生莱特・姆库姆布扎指出，实验中的光束一开始完全没有自旋特性，但随着光束向前传播，具有自旋的区域逐渐出现，而且彼此分离。这个过程仿佛是某种原本隐藏在光束内部的特性，随着传播才慢慢显露出来。

研究人员并不是利用外部光学元件，直接在光束上制造旋转，而是透过设计光束原有的内部结构，让旋转区域在特定位置自然形成。东英吉利大学化学、药学与药理学学院的凯恩・福布斯博士表示，这项研究显示光能够自然发展出手性行为，只要以适当方式准备光束即可。

所谓的“手性”，指的是一种物体具有左旋与右旋之分，两者互为镜像，却无法透过旋转完全重叠。最容易理解的例子就是人的左右手，两只手看起来相似，却不能完全互相取代。

这种差异并不只存在于人体。许多分子也具有左右手性，其中包括药物所使用的化合物。即使两种分子的化学结构几乎相同，只因排列方向不同，在人体内却可能产生截然不同的作用，因此科学家一直希望能更精确地辨识分子的左右手性。传统方法通常需要特殊材料、精密设计的表面，或能将光束高度聚焦的强大透镜。这次研究则提供另一种可能，透过光本身的结构，让它在传播过程中展现所需的旋转特性。

拓扑学揭开光的几何密码

那么，为什么光束明明没有一开始就呈现自旋，却能在传播途中形成不同旋转区域？研究人员为了解释这种现象，运用了数学中的“拓扑学”，这个领域主要研究物体在持续拉伸、弯曲或改变形状时，仍然保持不变的某些特性。

研究团队发现，结构光同样具有类似的拓扑特征，而且这些特征隐藏在光的偏振排列之中。这种排列就像光束专属的数学指纹，即使光束在传播时改变形状，其拓扑结构仍然保持不变，并持续影响不同区域如何演变。也正因如此，光束最初的排列方式，能够决定左旋与右旋的自旋模式会在何处显现，以及以何种方式形成。

过去操控光的特殊行为往往需要复杂的光学设备，如今研究结果显示，光本身预先安排好的几何结构，也可能成为控制其行为的重要关键。