Friktion i vakuum?

(Phys.org) – Da tre fysikere først opdagede gennem deres beregninger, at et henfaldende atom, der bevæger sig gennem vakuumet, oplever en friktionslignende kraft, de var meget mistænkelige. Resultaterne syntes at gå imod fysikkens love:Vakuumet, Per definition, er et helt tomt rum og udøver ikke friktion på genstande inde i det. Yderligere, hvis sandt, resultaterne ville være i modstrid med relativitetsprincippet, da de ville antyde, at observatører i to forskellige referencerammer ville se atomet bevæge sig med forskellige hastigheder (de fleste observatører ville se atomet bremse på grund af friktion, men en observatør, der bevæger sig med atomet, ville ikke).

Skriver ind Fysisk gennemgangsbreve , fysikere Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, og Stephen M. Barnett ved University of Glasgow vidste, at noget måtte være galt, men først var de ikke sikre på hvad.

"Vi brugte evigheder på at søge efter fejlen i beregningen og brugte endnu mere tid på at udforske andre mærkelige effekter, indtil vi fandt denne (temmelig simple) løsning, " fortalte Sonnleitner Phys.org .

Fysikerne indså til sidst, at den manglende puslespilsbrik var en lille smule ekstra masse kaldet "massedefekten" - en mængde så lille, at den aldrig er blevet målt i denne sammenhæng. Dette er massen i Einsteins berømte ligning E =mc ² , som beskriver den mængde energi, der kræves for at opdele et atoms kerne i dets protoner og neutroner. denne energi, kaldet den "indre bindingsenergi, "er jævnligt taget højde for i kernefysik, som omhandler større bindingsenergier, men anses typisk for ubetydelig i sammenhæng med atomoptik (feltet her) på grund af de meget lavere energier.

Denne subtile, men vigtige detalje gjorde det muligt for forskerne at tegne et meget andet billede af, hvad der foregik. Når et henfaldende atom bevæger sig gennem vakuumet, den oplever virkelig en form for kraft, der ligner friktion. Men en sand friktionskraft ville få atomet til at bremse, og det er ikke hvad der sker.

Det, der virkelig sker, er, at da det bevægelige atom mister en lille smule masse, når det henfalder, det mister momentum, ikke hastighed. For at forklare mere detaljeret:Selvom vakuumet er tomt og ikke udøver nogen kræfter på atomet, det interagerer stadig med atomet, og denne interaktion får det exciterede atom til at henfalde. Når det bevægelige atom henfalder til en lavere energitilstand, det udsender fotoner, får den til at miste en lille smule energi svarende til en vis mængde masse. Da momentum er produktet af masse og hastighed, faldet i masse får atomet til at miste en lille smule momentum, lige som forventet ifølge bevarelsen af ​​energi og momentum i den særlige relativitetsteori. Så mens atomets masse (energi) og momentum falder, dens hastighed forbliver konstant.

Dette billede løser begge de tidligere problemer:Der er ingen kræfter, der virker mellem vakuumet og atomet, og to observatører i forskellige referencerammer ville begge se atomet bevæge sig med samme konstante hastighed, selvom atomet ville miste momentum på grund af henfald.

"I princippet, fysikken bag vores arbejde har været kendt i lang tid, så vores resultat er af ret begrebsmæssig betydning:Vi viste, at den meget succesrige model, der generelt bruges til at beskrive interaktionen mellem atomer og lys, kan give denne mærkelige friktionslignende ændring i momentum, " sagde Sonnleitner. "Dette resultat kan kun forklares, når vi inkluderer ækvivalensen mellem masse og energi. Men da man ikke ville forvente, at dette aspekt af speciel relativitet (E =mc ² ) spiller faktisk en rolle i atom-lys-interaktioner ved disse lave energier, dette er ikke inkluderet i modellen. Så dette puslespil viste, hvordan et eller andet stykke speciel relativitet uventet kommer ind i en velundersøgt og meget vellykket model fra (ikke-relativistisk) kvanteoptik."

Effekten er formentlig første gang, at et atoms indre bindingsenergi har gjort så væsentlig en forskel i en kvanteoptisk sammenhæng. Fysikerne understreger, at effekten ikke er begrænset til den spontane emission af en foton, men at det opstår, når et atom ændrer sin indre energi, såsom når man udsender eller absorberer en foton. Men i disse tilfælde, atomet vil også se reelle hastighedsafhængige kræfter, hvilket ville skjule den her diskuterede effekt. Indtil videre, eksperimentelt at måle effekten er ikke sandsynligt, da den involverede energi er omtrent tre størrelsesordener mindre, end hvad der kan detekteres med nutidens mest præcise måleteknikker.

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge, hvilken indvirkning denne effekt kan have på den konventionelle model for atom-lys-interaktioner.

"Vi vil forsøge at udvide den succesrige model, der i øjeblikket bruges til at beskrive atom-lys-interaktioner til at omfatte muligheden for en skiftende masse, " sagde Sonnleitner. "Selvfølgelig vil dette kun være en ret lille rettelse, men det skulle være med til at fuldende billedet. Det er aldrig forkert at gense, gentænk og, Hvis det er nødvendigt, tweak en etableret teori."

© 2017 Phys.org