Nyheter

Forskare visade hur ljus rör sig i ett transparent medium

Massvågsteorin om ljus är utvecklad av forskare vid Aalto-universitetet och löser ljusrörelsens paradox.
The optical force on atoms forms a mass density wave that propagates with light through the crystal. Image Jyrki Hokkanen, CSC.

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

  • Publicerat:
  • Uppdaterad:
Dela
URL kopierat

Läs fler nyheter

Foresail-1_satellite_Aalto_University_lab_1-3-2022_photo_Mikko_Raskinen_002.jpg
Pressmeddelanden, Vetenskap & konst Publicerat:

Finlands första vetenskapssatellit Foresail-1 klar för rymden

Satelliten och dess viktiga instrument, partikelteleskopet PATE som undersöker strålningen i närrymden och en plasmabroms som avlänkar satelliten från dess bana skjuts upp i rymden sommaren 2022.
Learning Centre graphics
Campus, Vetenskap & konst, Studier Publicerat:

Renoveringen börjar vid Harald Herlin-lärcentret

I maj påbörjas en renovering i K-våningen. Boxarna töms den 11.4.2022.
Nainen yhdistää television älytoimintoihin.jpg
Samarbete, Vetenskap & konst Publicerat:

Finland ska utveckla cybersäkerhetskompetens i hela Europeiska unionen

Forskare vid Aalto-universitetet ska ta fram utbildning inom cybersäkerhet som riktar sig till alla EU-länder. Finland har fått fem miljoner euro i projektpengar ur EU:s facilitet för återhämtning för tre år.
KvarkenSat satelliitti
Vetenskap & konst Publicerat:

KvarkenSat, den första småsatelliten i Kvarkenregionen, kommer att byggas i samarbete mellan Finland och Sverige

KvarkenSat är en gemensam liten satellit mellan de österbottniska landskapen och Västerbotten, som ska skjutas upp i rymden om drygt ett år.