Стаття іноземного члена НАН України Майкла Віктора Беррі (Віллсова фізична лабораторія Університету Бристоля, Велика Британія) про внесок українських фізиків, зокрема члена-кореспондента НАН України Марата Соскіна (1929–2020) у розвиток сингулярної оптики. Джерело: журнал «Nanophotonics» (лютий 2023 року). До вашої уваги – скорочений український переклад доктора фізико-математичних наук Михайла Васнєцова (Інститут фізики НАН України, Київ)
Майкл Беррі
«Україна та сингулярна оптика»
У цьому спеціальному випуску «Нанофотоніки» я підкреслив центральну роль України у розвитку сингулярної оптики та стимулюванні світових досліджень у цій галузі фізики.
Мої безпосередні наукові відносини з Україною розпочалися з візиту Марата Соскіна до Бристоля у 1996 році. Він розповів про дослідження з маніпулювання фазовими сингулярностями, що їх виконували в Інституті фізики [НАН України] у Києві. Ми здивувалися, дізнавшись, як тісно ці експерименти пов’язані з нашими теоретичними роботами. У підсумку поєднання теорії та виконаних експериментів з’явився термін «сингулярна оптика» – для позначення нового способу вивчення світла.
Роботи групи Соскіна з фазовими сингулярностями були важливі не лише як такі – вони спричинили вибух досліджень в Україні та світі, перетворивши вивчення оптичних вихорів на науку, в якій теорія й експеримент розвивалися пліч-о-пліч.
…У 1970-х роках у Бристолі за участю старшого колеги Джона Ная я розвивав спосіб розуміння світла – і хвильової фізики загалом – з погляду сингулярностей. Це почалося з геометричної оптики, тобто фізики променів, що доречно, адже це найстаріша галузь оптики. Сингулярності променів – це каустики, тобто зазвичай двовимірні лінії та тривимірні поверхні, до яких дотикаються промені світла. Вони є оболонками родин променів. Значення каустик я збагнув у 1960-х роках, коли вивчав напівкласичну квантову фізику, в якій каустики є особливостями родин основних класичних шляхів. Тоді я зрозумів, що подібні явища відбуваються в геометричній оптиці – з тією привабливою особливістю, що неозброєне око може побачити її як місця з найяскравішим світлом. Надзвичайно важливий внесок у ці дослідження зробила у 1970-х роках нова тоді математика теорії катастроф. Вона класифікує форми каустик, які є стабільними під час збурень, – природні каустики, що відрізняються від оптичних аберацій поблизу фокусних точок лінз. Всі бачили природні «вістря» – відбиття всередині кавових чашок, веселки у небі, миготливі яскраві лінії сфокусованого сонячного світла на дні басейнів.
Розвиток «оптики катастроф» збагатився завдяки відкриттю того, що кожен тип променевої каустики декорований характерною хвильовою картиною, котра утворює «дифракційну катастрофу». Але найглибшим проникненням у хвильову оптику було виявлення сингулярностей на наступному рівні – ідентифікація (за допомогою Ная) фазових сингулярностей як типових ознак загальних хвильових полів. Через їхню морфологічну схожість із дефектами у кристалах ми назвали їх хвильовими дислокаціями. Зараз їх часто називають фазовими вихорами, бо навколо них тече оптична енергія. Подібні фазові особливості є природними явищами скалярно-хвильової оптики.
Завершенням нашого концептуального розуміння світла з погляду його особливостей стало відкриття Наєм та його учнем Джо Гайналом у 1980-х роках аналогічної поляризаціної сингулярності в оптичних електромагнітних векторних полях. Це так звані С-лінії, на яких поляризація суто циркулярна, та L-лінії, на яких вона суто лінійна. Ми у «потрійний спосіб» розуміли світло в термінах його сингулярностей: як променеву каустику, як хвильові вихори скалярного світла і як поляризаційні сингулярності векторного світла. Хоча спостереження й експерименти відбувалися на всіх трьох рівнях, та докладне дослідження основних концепцій було головно теоретичним. Інші фізики переважно ігнорували наш спосіб розуміння хвилі.
Як я вже описував, такою була ситуація, коли візит Соскіна надихнув мене повернутися до вивчення хвильових сингулярностей, щоби дослідити багато нових теоретичних аспектів, які прямо чи опосередковано виникли через досліди в Україні. Коли 1998 року приїхав мій студент Марк Денніс, ми разом розвинули чимало з цієї теоретичної роботи, зокрема розрахунки статистики фазових і поляризаційних особливостей, а також виявили, що вихрові лінії хвиль у трьох вимірах можуть бути зв’язаними й вузловими. Згодом Денніс значно розширив топологічні дослідження.
Коли Соскін ознайомився з поляризаційними сингулярностями Ная, він розширив експериментальні дослідження, щоби вивчити їх, і додав своє тлумачення сингулярної оптики з їхнім включенням. Отже, дві з трьох гілок сингулярної оптики (крім каустик) активно досліджувалися в України. Вітаю зусилля наступних науковців, які працюють в України та світі і разом з іншими зробили важливий внесок у нашу тему: це Олег Ангельський у Чернівцях, Олександр Бекшаєв в Одесі, Олександр Воляр у Сімферополі та Михайло Васнєцов у Києві.
1997 року Соскін запросив мене на пам’ятну зустріч до Криму, де я дізнався про широкі дослідження оптичних вихорів українськими фізиками. Далі були ще два візити до Криму з Деннісом і зустріч у Києві, де до нас приєднався Най. В одній із таких поїздок я також зміг дослідити місто моїх предків – Одесу. Після російської окупації Криму міжнародні конференція з сингулярної оптики відбувались у відносній безпеці Чернівців, що на Заході України.
Чому ж Україна була такою важливою і впливовою у розвитку нашого розуміння фазових і поляризаційних особливостей? Можу лише здогадуватися. Ці дослідження потребують теоретичної глибини, технічної віртуозності й експериментальної винахідливості, але не вартісної апаратури. У пострадянській Україні працювали дослідники високого рівня – фізики-теоретики і кваліфіковані експериментатори, але фінансування науки було недостатнім. Тож природно, що сингулярна оптика виявилась успішною галуззю досліджень в Україні.
Додам приємне: мої зв’язки з Україною тривають. 2021 року мене обрали іноземним членом Національної академії наук України.
P.S. Статтю люб’язно переклав головний науковий співробітник відділу оптичної квантової електроніки Інституту фізики НАН України доктор фізико-математичних наук, професор Михайло Васнєцов.
M. Berry, Ukraine and Singular Optics. Nanophotonics (February 1, 2023)
 Зліва направо: Майкл Беррі, Джон Най і Марат Соскін. Київ, 2004 рік. Фото люб’язно надав Михайло Васнєцов |
За інформацією Інституту фізики НАН України