Forskare visade hur ljus rör sig i ett transparent medium

I en nyligen publicerad publikation visar forskarna vid Aalto-universitetet att varje foton i ett transparent medium åtföljs av en atommassadensitetsvåg. Fotonens optiska kraft sätter mediumatomerna i rörelse och får dem att bära 92% av det totala ljuset (i fallet med silikon). 

Den nya upptäckten löser paradoxet med ljusrörelsen, det vill säga ljusimpulsen. I litteraturen har det funnits två olika värden för ljusets fart i det transparenta mediumet. Dessa värden skiljer sig vanligtvis med en faktor av tio och denna skillnad är känd som ljusets momentumparadox. Skillnaden mellan momentvärdena orsakas av att försumma momentet för atomer som rör sig med ljuspulsen.

För att lösa paradoxen bevisar forskarna att den speciella relativitetsteorin kräver en extra atomtäthet för att resa med fotonen. I relaterade klassiska datorsimuleringar använder de det optiska kraftfältet och Newtons andra lag för att visa att en våg med ökad atommassatäthet sprider sig genom ämnet med ljuspulsen.

Massöverföringen leder till uppdelning av det totala ljuset i två komponenter. Fältens andel av momentum är lika med Abrahams momentum medan den totala farten - som också innehåller momentet av atomer som drivs framåt av den optiska kraften - är lika med Minkowski-farten.

”Eftersom vårt arbete är teoretiskt och beräkningsmässigt måste det fortfarande verifieras experimentellt innan det kan bli en standardmodell av ljus i ett transparent medium. Det är inte tillräckligt att mäta den totala drivkraften för en ljuspuls utan man måste också mäta den överförda atommassan. Detta bör vara möjligt med hjälp av nuvarande interferometriska och mikroskopiska tekniker och vanliga fotoniska material,” säger forskaren Mikko Partanen.

Potentiella interstellära applikationer av upptäckten

Forskarna arbetar med potentiella optomekaniska applikationer som är aktiverade av den optiska chockvågen av atomer som förutses av den nya teorin. Teorin gäller dock inte bara transparenta vätskor och fasta partiklar utan även för utspädning av interstellär gas. Med användning av en enkel kinematisk övervägning kan det visas att energiförlusten som är orsakad av massöverföringseffekten blir utspädd interstellär gas som är automatiskt proportionell mot fotonenergin och det avstånd som ljuset reser.

”Detta kräver ytterligare simuleringar med realistiska parametrar för interstellär gastäthet, plasmaegenskaper och temperatur. För närvarande förklaras Hubbles lag genom att Doppler-skiftet är större från avlägsna stjärnor. Detta stöder effektivt hypotesen om ett expanderande universum. I masspolaritonljusteorin behövs inte denna hypotes eftersom rödförskjutning automatiskt blir proportionell mot avståndet från stjärnan till observatören”, förklarar professor Jukka Tulkki.

Forskningsartikel: Mikko Partanen, Teppo Häyrynen, Jani Oksanen, and Jukka Tulkki. Photon mass drag and the momentum of light in a medium. Physical Review A 95. DOI: 10.1103/PhysRevA.95.063850

Ytterligare information:

Mikko Partanen
Doktrorand
Aalto-universitetet
[email protected]

Jukka Tulkki
Professor
Aalto-universitetet
[email protected]
tel. +358 50 520 4360