Rozpraszanie fal tozjawisko o fundamentalnym znaczeniu.
Dzięki rozpraszaniu świataw ogóle widzimy, a dzięki rozpraszaniu fal
akustycznych słyszymyotaczający na świat. Sonary do badania dna
i radary śledzące ruchsamolotów nie mogłyby działać, gdyby nie
rozpraszanie ultradźwiękówi mikrofal. Badania naukowców z Instytutu Fizyki PAN
i Centrum FizykiTeoretycznej PAN udowadniają jednak, że to, co obserwujemy
dzięki rozpraszaniu, niezawsze musi być łatwe do interpretacji.

Nie ma już cieniawątpliwości: natura potrafi nas wprowadzać w błąd. Prestiżoweczasopismo naukowe "Physical Review Letters" opublikowało pracępolskich naukowców opisującą badania zjawiska rozpraszania mikrofal(takich jak w kuchenkach mikrofalowych) uznając ich pracą za takistotną, że związane z nią materiały ilustracyjne trafiły na okładkęnajnowszego wydania.Warszawscy fizycy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IF PAN) wewspółpracy z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN (CFT PAN) wykazali, żedwieróżne struktury sieci falowodowych mogą w identyczny sposób rozpraszaćpromieniowanie mikrofalowe.

"W przepięknie prostymdoświadczeniu z użyciem mikrofal zademonstrowaliśmy, jak w pewnychwarunkach dwa obiekty znacznie różniące się kształtem mogą dlamierzącego je obserwatora wyglądać tak samo", mówi prof. dr hab. LeszekSirko (IF PAN).

Problemybadane w IF PAN i CFT PAN wywodzą się bezpośrednio od pytania zadanegow 1966 roku przez Marka Kaca, polskiego matematyka, członka słynnejlwowskiej szkoły matematycznej. Czy na podstawie samego dźwięku możnarozpoznać kształt wydającego go bębna? Okazuje się, że nie. W 1992 rokuw literaturze światowej wykazano, że bębny o tej samej powierzchnimembrany i takim samym obwodzie, lecz o różnych kształtach membran,mogąbrzmieć identycznie. W matematyce i w fizyce fakt ten oznacza, żeukłady dwuwymiarowe o różnych kształtach geometrycznych mogą mieć tosamo widmo energetyczne.

Warszawscy fizycy od latzajmują się analizą innej klasy układów, struktur jednowymiarowych. Doopisu układów tego typu dobrze nadają się grafy. "W matematyce graf tozbiór wierzchołków, nazywanych też węzłami i krawędzi, połączeń międzynimi. W eksperymencie krawędziom odpowiadają falowody, a węzłom grafu -ich zakończenia lub miejsca połączeń, wyjaśnia prof. Sirko.

Naukowcyanalizowali zachowanie dwóch, geometrycznie różnych grafów. Kształtjednego z nich to pętla, przypominająca literę O, a drugiego strukturapodobna do litery H. "Oba grafy miały taką samą dugość całkowitą.Dowiedliśmy matematycznie, że mimo różnic w kształcie i właściwościach,oba grafy będą rozpraszały promieniowanie w identyczny sposób", mówiprof. dr hab. Marek Kuś z CFT PAN. Przewidywania sprawdzono następnie wIF PAN w doświadczeniach z użyciem mikrofal. Jako grafów użyto dwóchsieci mikrofalowych symulujących grafy, uformowanych w kształty liter Oi H. Podczas pomiarów mierzono, jak oba układy rozpraszająpromieniowanie mikrofalowe w szerokim zakresie częstotliwości. 

"Wwyniku pomiarów otrzymywaliśmy widma rozpraszania mikrofal. Mimoewidentnych różnic w kształcie grafów i nieuniknionemu w rzeczywistychukładach pochłanianiu mikrofal w falowodach, widma obu układów idealniepokrywały się, zgodnie z przewidywaniami. Były nieodróżnialne!", mówiprof. Sirko.

Badanianad rozpraszaniem w grafach, prowadzone w IF PAN i CFT PAN, mająogromne znaczenie dla tzw. analizy spektralnej, będącej jednym zfundamentów współczesnej matematyki i fizyki. Badania te mają charakterpoznawczy, ale także wielkie znaczenie praktyczne, bowiem analizarozpraszania jest wykorzystywane we wszystkich typach pomiarów izastosowaniach przemysłowych. Teraz okazuje się, że pewne wyniki mogąprowadzić do błędnych wniosków co do struktury badanego układu. Totrochę tak, jakbyśmy w czasie badań okulistycznych bardzo dokładniewidzieli literę O tam, gdzie w rzeczywistości jest H", mówi prof.Sirko. 

W przyszłości wyniki badańnad rozpraszaniem promieniowania w grafach znajdą zastosowaniatechniczne, w akustyce, przy projektowaniu sal koncertowych i tłumieniuhałasu, w elektronice i telekomunikacji. Wyniki mogą takżeznaleźć zastosowania w technice wojskowej.

Badania sfinansowano ze środków publicznych, w tym z grantu NarodowegoCentrum Nauki.