Πόση πίεση ασκεί το φως πάνω στην ύλη με την οποία αλληλεπιδρά; Πρόκειται για πρόβλημα που μπερδεύει τους φυσικούς για σχεδόν 150 χρόνια – και τώρα μπορεί να έχει μια λύση. Μια ομάδα ερευνητών έχει καταλήξει σε μια μέθοδο μέτρησης της επίδρασης ενός φωτονίου πάνω στην ύλη.
Παρόλο που ένα φωτόνιο δεν έχει μάζα, έχει όμως ορμή, η οποία μπορεί να οριστεί στο πλαίσιο της ειδικής σχετικότητας .
Και αυτή η ορμή ασκεί μια δύναμη. Όλα ξεκίνησαν το 1619 από τον Johannes Kepler που υπέθεσε ότι το φως από τον Ήλιο εξασκεί μια πίεση. Και αυτός ήταν ο λόγος που η ουρά ενός κομήτη πάντα έχει αντίθετη κατεύθυνση από τον Ήλιο.
Και το 1873 ο σκωτσέζος φυσικός James Clerk Maxwell υπέθεσε ότι αυτό συνδέεται με την ορμή.
Ο Maxwell – του οποίου η εργασία παρείχε μια κρίσιμη βάση για το έργο του Αϊνστάιν σχετικά με τη σχετικότητα – υποθέτει ότι το φως είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που μεταφέρει ορμή και ασκεί έτσι πίεση.
Αλλά η ορμή – και επομένως η πίεση της ακτινοβολίας – ενός φωτονίου είναι πολύ μικρή, πράγμα που σημαίνει ότι η μέτρηση της είναι άμεσα δύσκολη.
“Μέχρι τώρα, δεν είχαμε καθορίσει πώς η ορμή αυτή μετατρέπεται σε δύναμη ή κίνηση”, εξήγησε ο μηχανικός Kenneth Chau.
“Επειδή η ποσότητα της ορμής που μεταφέρεται από το φως είναι πολύ μικρή, δεν είχαμε εξοπλισμό αρκετά ευαίσθητο για να το λύσουμε αυτό”.
Αλλά ο Chau και οι συνεργάτες του από τη Σλοβενία και τη Βραζιλία έχουν βρει έναν τρόπο να μετρήσουν τα αποτελέσματα της ορμής ενός φωτονίου.
Η συσκευή τους είχε γύρω της ένα κάτοπτρο και ήταν προστατευμένη από εξωτερικές παρεμβολές με μία θωράκιση θέρμανσης, ενώ ήταν εξοπλισμένη με ευαίσθητους ακουστικούς αισθητήρες.
Οι παλμοί λέιζερ που κτύπησαν το κάτοπτρο έστειλαν ελαστικά κύματα στην επιφάνεια και οι ακουστικοί αισθητήρες υπολόγισαν την πίεση της ακτινοβολίας που ασκείται από την ορμή των φωτονίων.
“Δεν μπορούμε να μετρήσουμε άμεσα την ορμή των φωτονίων, οπότε η προσέγγισή μας ήταν να ανιχνεύσουμε την επίδρασή τους σε ένα κάτοπτρο” ακούγοντας “τα ελαστικά κύματα που διέρρευσαν μέσω αυτού”, δήλωσε ο Chau .
“Τότε ήμασταν σε θέση να εντοπίσουμε τα χαρακτηριστικά αυτών των κυμάτων μέσα στο κάτοπτρο, που ανοίγει την πόρτα για να καθορίσουμε τελικά την ορμή του φωτός μέσα στα υλικά”.
Αλλά αυτό δεν είναι μόνο μια πολύ καθαρή επιστήμη – θα μπορούσε να έχει και σημαντικές πρακτικές εφαρμογές.
Για παράδειγμα, η ικανότητά του να υπολογίζει με ακρίβεια την πίεση ακτινοβολίας θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την καλύτερη τεχνολογία ηλιακών ιστίων – μια μέθοδος προώθησης χωρίς προωθητές για διαστημικά σκάφη, που χρησιμοποιεί την ηλιακή ακτινοβολία σε ένα ιστίο αντί του ανέμου.
Θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει την κατασκευή καλύτερων οπτικών λαβίδων, μια μέθοδο παγίδευσης και χειρισμού απίστευτα μικρών σωματιδίων – κάτω και από την κλίμακα ενός μόνο ατόμου.
“Δεν είμαστε ακόμα εκεί,” είπε ο Chau, “αλλά η ανακάλυψη που έγινε είναι ένα σημαντικό βήμα και είμαι ενθουσιασμένος που βλέπω που θα μας οδηγήσει στη συνέχεια.”
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Nature Communications .
