Tuore tieteellinen löytö tarjoaa yllättävän selityksen yhdelle fysiikan suurimmista mysteereistä ja avaa oven vieläkin hämmästyttävämmille löydöksille.
Yli vuosisadan ajan valon impulssi sen kulkiessa aineen läpi on ollut kiistanalainen aihe fysiikassa, jossa Abrahamin teoria on vastakkain Minkowskin teorian kanssa. Äskettäin Muy Interesante -lehdessä julkaistu teoreettinen tutkimus yhdistää nämä kaksi kantaa käyttämällä kvanttispiniä – tärkeää valon ominaisuutta, joka selittää, miten sen lineaarinen impulssi siirtyy vuorovaikutuksessa aineen kanssa; toisin sanoen, se auttaa meitä ymmärtämään, miten valo työntää tai siirtää esineitä kulkiessaan eri materiaalien läpi.
Tämä ehdotus tarjoaa uuden näkökulman perustavanlaatuiseen ongelmaan ja ennustaa edistystä optiikassa ja kvanttiteknologiassa. Ensimmäisestä valon taittumisen analyysistä lähtien – säteiden suunnanmuutoksesta kulkiessaan veden tai lasin läpi – keskeinen kysymys on ollut, saako valo impulssin vai menettääkö se sen ympäristössä.
Minkowskin teorian mukaan impulssi kasvaa, kun se tulee tiheämpään aineeseen, kun taas Abrahams väitti, että se pienenee pienemmän leviämisnopeuden vuoksi. Nämä kaksi tulkintaa ovat olleet olemassa rinnakkain vuosikymmenten ajan, mutta ne ovat antaneet vastakkaisia tuloksia, joita kokeet eivät ole pystyneet sovittamaan yhteen. Tämä tosiasia hämmenti tutkijoita, koska mittaukset eivät vastanneet kumpaakaan teoriaa.
Fyysikko Adam B. Kahain kehittämä malli ei hylkää kumpaakaan aiempaa teoriaa, vaan päinvastoin yhdistää ne ottamalla käyttöön spinin – valon sisäisen kvanttisen pyörimisen (eli valolle ominaisen sisäisen pyörimisen) . Kahain mukaan ”Abrahamin impulssi on spinille projisoitu impulssin odotettu arvo, ja Minkowskin impulssi on sen suuruus”. Näin ollen kukin impulssityyppi heijastaa saman fyysisen ilmiön eri puolia.
Tämä tieteellinen löytö perustuu muotoiluun, joka on saanut inspiraationsa kuuluisasta Diracin yhtälöstä, jota käytetään kuvaamaan relativistisia hiukkasia, kuten elektronia. Tässä mallissa spin on sisällytetty yhtälöihin, jotka kuvaavat valon etenemistä dielektrisissä ympäristöissä; tämä tarkoittaa, että tämä ominaisuus otetaan nyt huomioon, jotta voidaan paremmin ymmärtää, miten valo käyttäytyy etenemällä eri materiaalien läpi.
Malli olettaa, että valo koostuu oikea- ja vasenkätisistä komponentista, jotka ovat välillisesti vuorovaikutuksessa dipoli-värähtelyjen kanssa (järjestelmä, joka koostuu kahdesta vastakkaisesta päästä, kuten positiivisesta ja negatiivisesta varauksesta, jotka ovat tietyn etäisyyden päässä toisistaan) materiaalin sisällä. Tämä ilmiö aiheuttaa niin sanotut ”kvanttivärähtelyt” (zitterbewegung), jotka ovat tyypillisiä Daikarin yhtälöllä kuvatuille hiukkasille ja joita nyt ennustetaan myös valolle.
Kvanttiset maanjäristykset syntyvät valon sisäisten komponenttien välisen yhteyden vuoksi. Mallilaskelmat osoittavat, että tämä ilmiö osoittaa valon käyttäytymisen riippuvuuden ympäristöstään sen sisäisen kvanttirakenteen suhteen. Näin ollen taittuminen ei enää ole yksinomaan geometrinen ilmiö, vaan se ymmärretään syvällisen sisäisen dynamiikan ilmentymänä.
Yksinkertaisesti sanottuna tämä tarkoittaa, että valo koostuu liikkuvista ja vuorovaikuttavista osista, ja tämä vaikuttaa siihen, miten se muuttaa suuntaa siirtyessään materiaalista toiseen. Näin ollen tiedämme nyt, että valo taipuu paitsi ulkoisten tekijöiden myös sisäisten prosessien vaikutuksesta.
Kokeellisessa mielessä malli ennustaa, että Minkowskin impulssi vastaa impulssin arvoa, joka on projisoitu spinille ja saatu järjestelmän energia-impulssin dispersiosta. Snellin laki, joka määrittää valon optisen polun, liittyy siis tähän arvoon. Abrahamin impulssi puolestaan syntyy Lorenzin voiman materiaalidipoliin suorittaman energian siirron keskiarvona. Molemmat impulssit syntyvät samasta fysikaalisesta mallista, mutta edustavat eri näkökohtia: toinen liittyy liikkeeseen, toinen energian siirtoon.
Yksinkertaisesti sanottuna tämä tarkoittaa, että toinen impulssi kuvaa, missä ja miten valo liikkuu materiaaliin tullessaan, ja toinen kuvaa, kuinka paljon energiaa valo siirtää materiaalin pienimpiin hiukkasiin (dipoleihin). Molemmat käsitteet perustuvat samaan periaatteeseen, mutta toinen kuvaa liikettä ja toinen energiaa .
Kakaja olettaa, että kvanttivaihtelut voidaan havaita manipuloimalla aaltopaketteja strukturoiduissa ympäristöissä tai polarisaatiolle herkillä mittauksilla, jotka ovat samanlaisia kuin optisissa resonaattoreissa suoritetut mittaukset. Kvanttispinin integroiminen malliin antaa meille mahdollisuuden tarkastella lupaavia sovelluksia fotonimateriaalien, optisten manipuloinnin järjestelmien ja fotonipohjaisten kvanttilaskentayksiköiden kehittämisessä.
Tämä lähestymistapa selkeyttää käsitteellistä ongelmaa ja tarjoaa tiede- ja teknologiayhteisölle uusia työkaluja valopulssien hallintaan monimutkaisissa järjestelmissä. Se ei kumoa aiempia teorioita, vaan päinvastoin osoittaa, että molemmat teoriat ovat perusteltuja ja toisiaan täydentäviä, kun niitä tulkitaan asianmukaisessa fyysisessä kontekstissa.
Yksinkertaisesti sanottuna tämä tarkoittaa, että käyttämällä erityisiä menetelmiä valon hallintaan ja sen polarisaation mittaamiseen voimme havaita tämän kvanttivärähtelyn. Lisäksi kvanttispinin lisääminen malliin auttaa meitä kuvittelemaan uusia tapoja käyttää valoa nykyaikaisissa materiaaleissa ja teknologioissa, kuten fotonitietokoneissa. Näin ollen tämä työ auttaa ratkaisemaan vanhan kysymyksen ja tarjoaa uusia työkaluja valon tehokkaampaan käyttöön osoittamalla, että vanhat teoriat ovat edelleen hyödyllisiä, jos ne ymmärretään oikeassa kontekstissa.
