Den friktionsliknande förändringen i momentum som upptäcktes i den nya studien kan modelleras av en rörlig enhet som sänder ut fotoner i motsatta riktningar. En observatör kan mäta fotonfrekvenserna, och använda dopplereffekten, kommer att beräkna en förändring i momentum men ingen förändring i hastighet. Kredit:Sonnleitner et al. ©2017 American Physical Society
(Phys.org)—När tre fysiker först upptäckte genom sina beräkningar att en sönderfallande atom som rör sig genom vakuumet upplever en friktionsliknande kraft, de var mycket misstänksamma. Resultaten verkade gå emot fysikens lagar:vakuumet, per definition, är ett helt tomt utrymme och utövar inte friktion på föremål inom det. Ytterligare, om sant, resultaten skulle strida mot relativitetsprincipen, eftersom de skulle antyda att observatörer i två olika referensramar skulle se atomen röra sig med olika hastigheter (de flesta observatörer skulle se atomen sakta ner på grund av friktion, men en observatör som rör sig med atomen skulle inte göra det).
Skriver in Fysiska granskningsbrev , fysiker Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, och Stephen M. Barnett vid University of Glasgow visste att något måste vara fel, men först var de inte säkra på vad.
"Vi tillbringade evigheter med att leta efter felet i beräkningen och spenderade ännu mer tid på att utforska andra konstiga effekter tills vi hittade den här (ganska enkla) lösningen, " berättade Sonnleitner Phys.org .
Fysikerna insåg så småningom att den saknade pusselbiten var en liten extra massa som kallas "massdefekten" - en mängd så liten att den aldrig har mätts i detta sammanhang. Detta är massan i Einsteins berömda ekvation E =mc 2 , som beskriver mängden energi som krävs för att bryta upp en atoms kärna till dess protoner och neutroner. Denna energi, kallas "den inre bindningsenergin, " tas regelbundet med i kärnfysik, som handlar om större bindningsenergier, men anses vanligtvis försumbar i sammanhanget av atomoptik (fältet här) på grund av de mycket lägre energierna.
Denna subtila men viktiga detalj gjorde det möjligt för forskarna att måla upp en helt annan bild av vad som pågick. När en sönderfallande atom rör sig genom vakuumet, den upplever verkligen någon form av kraft som liknar friktion. Men en sann friktionskraft skulle få atomen att sakta ner, och det här är inte vad som händer.
Vad som verkligen händer är att eftersom den rörliga atomen förlorar en liten bit av massa när den sönderfaller, det tappar fart, inte hastighet. För att förklara mer i detalj:Även om vakuumet är tomt och inte utövar några krafter på atomen, den interagerar fortfarande med atomen, och denna interaktion får den exciterade atomen att sönderfalla. När den rörliga atomen sönderfaller till ett lägre energitillstånd, det avger fotoner, vilket gör att den förlorar lite energi motsvarande en viss mängd massa. Eftersom momentum är produkten av massa och hastighet, minskningen i massa gör att atomen tappar lite i fart, precis som förväntat enligt bevarandet av energi och momentum i speciell relativitet. Så medan atomens massa (energi) och rörelsemängd minskar, dess hastighet förblir konstant.
Den här bilden löser båda de tidigare problemen:Det finns inga krafter som verkar mellan vakuumet och atomen, och två observatörer i olika referensramar skulle båda se atomen röra sig med samma konstanta hastighet, även om atomen skulle tappa fart på grund av sönderfall.
"I princip, fysiken som ligger bakom vårt arbete har varit känd under lång tid, så vårt resultat är av ganska begreppsmässig betydelse:Vi visade att den mycket framgångsrika modellen som allmänt används för att beskriva interaktionen mellan atomer och ljus kan ge denna konstiga friktionsliknande förändring i momentum, Sonnleitner sa. "Detta resultat kan bara förklaras när vi inkluderar ekvivalensen mellan massa och energi. Men eftersom man inte skulle förvänta sig att denna aspekt av speciell relativitet (E =mc 2 ) spelar faktiskt en roll i atom-ljus-interaktioner vid dessa låga energier, detta har inte inkluderats i modellen. Så detta pussel visade hur någon del av speciell relativitetsteori oväntat kommer in i en välstuderad och mycket framgångsrik modell från (icke-relativistisk) kvantoptik."
Effekten är förmodligen första gången som en atoms inre bindningsenergi har gjort en så betydande skillnad i ett kvantoptiskt sammanhang. Fysikerna betonar att effekten inte är begränsad till den spontana emissionen av en foton, men att det uppstår när en atom ändrar sin inre energi, som när man sänder ut eller absorberar en foton. Men i dessa fall, atomen kommer också att se verkliga hastighetsberoende krafter, vilket skulle dölja effekten som diskuteras här. För närvarande, att experimentellt mäta effekten är inte troligt, eftersom energin det handlar om är ungefär tre storleksordningar mindre än vad som kan detekteras med dagens mest exakta mättekniker.
I framtiden, forskarna planerar att undersöka vilken inverkan denna effekt kan ha på den konventionella modellen av atom-ljusinteraktioner.
"Vi kommer att försöka utöka den framgångsrika modellen som för närvarande används för att beskriva atom-ljusinteraktioner till att inkludera möjligheten av en föränderlig massa, ", sa Sonnleitner. "Naturligtvis kommer detta bara att vara en ganska liten korrigering, men det borde hjälpa till att komplettera bilden. Det är aldrig fel att återbesöka, tänka om och, om nödvändigt, finjustera en etablerad teori."
© 2017 Phys.org
