Учени наблюдават как светлината взаимодейства с материята

В оптична среда, светлината избутва или привлича материята?

Вече повече от 100 години, учените спорят дали светлината избутва или привлича материята докато се движи в среди като вода или олио. Докато повечето експерименти показват, че светлината с движението си всъщност увлича материята, новият експеримент демонстрира точно обратното – светлината оказва натиск върху повърхността на течността.

Дебат

Спорът за избутващата или притегляща сила на светлината започва още в далечната 1908-а, когато Херман Минковски /Hermann Minkowski/ предполага, че светлината има притегляща сила. Година по-късно, през 1909-а, физикът Макс Ейбрахам /Max Abraham/ предвижда обратното следствие, че по-посоката си на движение, светлината оказва налягане върху материята.

„Учените спорят повече от век за движещата сила на светлината при преминаването й през оптични материали. Дали Минковски е прав, или Ейбрахам? Открихме, че движещата сила на светлината не е фундаментално свойство, а възниква при взаимодействието на светлината с материята, и зависи именно от способността на светлината да взаимодейства с материята. Ако оптичната среда не се движи, значи правилото на Минковски е в сила, ако се движи – принципът на Ейбрахам. Това не беше ясно до скоро.“ – Ulf Leonhardt

a) Движещата сила на светлината на Минковски: повърхността се издува, показвайки, че светлината привлича материята. Това явление се наблюдава, когато светлината не е в състояние да взаимодейства с оптичната среда. Например, когато светлинният лъч е прекалено фокусиран или съдът с течността е прекалено плитък.
b) Движещата сила на светлината на Ейбрахам: повърхността се огъва навътре, показвайки явна избутваща сила. Този ефект се наблюдава, когато светлината е в състояние да взаимодейства с оптичната среда.
Имайте предвид, че и на двете илюстрации ефектът е силно преувеличен.

Експериментът

В новото изследване, като използват широк лъч светлина и сравнително голям контейнер за течността, учените показват, че могат да накарат повърхността да се огъне навътре, което се асоциира с изтласкващата сила на светлината – това са два фактора, които карат светлината да формира поточен модел на движение в оптичната течна среда. Демонстрацията е успешна във вода и в машинно масло, които имат различни рефракционни индекси.

В предишните експерименти, когато учените наблюдават привличащата сила на светлината, те използват силно фокусиран светлинен лъч и сравнително малък съд за течността. Дали светлината ще привлича или изтласква течността, зависи не само от лъча, но и от течността.

Значение

Откритието има както фундаментално, така и практическо значение. Изследването позволява на учените да научат много повече за светлината като материя. Известно е, че светлината представлява, както чиста енергия така и кинетична енергия – движеща сила. Нейната чиста енергия се изразява чрез честотата на фотоните и константата на Планк, но движещата сила, или инерцията на светлината, не е толкова лесна за обяснение. Дали движещата сила на светлината намалява с увеличаване на рефракционния индекс на оптичната среда? Резултатите от експериментите показват, че това зависи от способността на светлината да взаимодейства с флуида – ако му повлияе, значи отдава част от инерцията си в него. Или обратно, ако не взаимодейства, инерцията дори се увеличава, и във сила влиза принципа на Минковски.

Тези ефекти могат да намерят и практическо приложение. Едно такова приложение е ядреният синтез, където учените се опитват да стартират реакция, чрез фокусиране на силно концентриран сноп светлина, върху много малка повърхност – може да се окаже, че това не е най-правилния подход. Друго приложение е в охлаждането до температури много по-близки до абсолютната нула, чрез прецизни лазерни пулсации, които привеждат частиците във флуидите в покой. Или дори в микробиологията и нанотехнологиите, за прецизни манипулации на микрониво.