I en nyligen publicerad publikation, Aalto -universitetets forskare visar att varje foton i ett transparent medium åtföljs av en våg av atommassad densitet. Fotonets optiska kraft sätter mediets atomer i rörelse och får dem att bära 92% av den totala ljusstyrkan, när det gäller kisel.

Den nya upptäckten löser den hundraåriga momentumparadoxen av ljus. I litteraturen, det har funnits två olika värden för ljusets rörelsemängd i det transparenta mediet. Vanligtvis, dessa värden skiljer sig med en faktor tio och denna avvikelse är känd som ljusets momentumparadox. Skillnaden mellan momentumvärdena orsakas av att man ignorerar momentum för atomer som rör sig med ljuspulsen.

För att lösa momentumparadoxen bevisar författarna att den speciella relativitetsteorin kräver en extra atomtäthet för att resa med fotonen. I relaterade klassiska datasimuleringar, de använder optiskt kraftfält och Newtons andra lag för att visa att en våg med ökad atommassadensitet fortplantar sig genom mediet med ljuspulsen.

Massöverföringen leder till att ljusets totala momentum delas upp i två komponenter. Fälternas andel av momentum är lika med Abrahams momentum medan den totala momentum, som också inkluderar momentum för atomer som drivs framåt av den optiska kraften, är lika med Minkowskis momentum.

"Eftersom vårt arbete är teoretiskt och beräknat 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 momenten för en ljuspuls utan man måste också mäta den överförda atommassan. Detta bör vara möjligt med nuvarande interferometriska och mikroskopiska tekniker och vanliga fotoniska material, säger forskaren Mikko Partanen.

Potentiella interstellära tillämpningar av upptäckten

Forskarna arbetar med potentiella optomekaniska tillämpningar som möjliggörs av den optiska chockvågen av atomer som förutspås av den nya teorin. Dock, teorin gäller inte bara för transparenta vätskor och fasta ämnen utan även för utspädd interstellär gas. Med hjälp av en enkel kinematisk övervägning kan det visas att energiförlusten som orsakas av massöverföringseffekten blir för utspädd interstellär gas proportionell mot fotonenergin och avstånd som färdas av ljus.

"Detta uppmanar till ytterligare simuleringar med realistiska parametrar för interstellär gasdensitet, plasmagenskaper och temperatur. För närvarande förklaras Hubbles lag av att Doppler -skiftet är större från avlägsna stjärnor. Detta stöder effektivt hypotesen om att expandera universum. I masspolaritonens ljusteori behövs inte denna hypotes eftersom rödförskjutning automatiskt blir proportionell mot avståndet från stjärnan till observatören, "förklarar professor Jukka Tulkki.