Undersøgelse løser århundredlang debat om, hvordan man beskriver elektromagnetisk momentumtæthed i stof

En ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters har løst en århundredelang debat om, hvordan man beskriver elektromagnetisk momentumtæthed i stof. Undersøgelsen, ledet af forskere ved University of California, Berkeley, fandt ud af, at den korrekte beskrivelse af elektromagnetisk momentumtæthed i stof er givet af Abraham-Minkowskis definition.

Debatten om elektromagnetisk momentumtæthed i stof har stået på siden slutningen af ​​det 19. århundrede, hvor James Clerk Maxwell først udviklede sin teori om elektromagnetisme. Maxwells teori forudsagde, at elektromagnetiske bølger bar momentum, men det var ikke klart, hvordan man beregner dette momentum i stof.

Gennem årene er der blevet foreslået flere forskellige definitioner af elektromagnetisk momentumtæthed i stof. De mest populære af disse definitioner er Abraham-Minkowski-definitionen og Poynting-definitionen. Abraham-Minkowski-definitionen er baseret på ideen om, at en elektromagnetisk bølges bevægelsesmængde bæres af de elektriske og magnetiske felter, mens Poynting-definitionen er baseret på ideen om, at bevægelsesmængden af ​​en elektromagnetisk bølge bæres af energifluxen.

Debatten om, hvilken definition af elektromagnetisk momentumtæthed i stof er korrekt, har været i gang i årtier, og der har ikke været nogen klar konsensus. Men det nye studie fra forskere ved University of California, Berkeley har endelig løst debatten.

Forskerne brugte en kombination af teoretiske og eksperimentelle teknikker til at vise, at Abraham-Minkowskis definition af elektromagnetisk momentumtæthed i stof er den korrekte. Undersøgelsen fandt, at Poynting-definitionen ikke korrekt beskriver impulsen af ​​elektromagnetiske bølger i stof, og at Abraham-Minkowski-definitionen er den eneste definition, der er i overensstemmelse med fysikkens love.

Løsningen af ​​debatten om elektromagnetisk momentumtæthed i stof er et væsentligt gennembrud inden for elektromagnetisme. Det har vigtige implikationer for vores forståelse af, hvordan elektromagnetiske bølger interagerer med stof, og det kan føre til nye anvendelser af elektromagnetiske bølger i teknologi og videnskab.

Baggrund

Elektromagnetisk momentumtæthed er et mål for mængden af ​​momentum båret af en elektromagnetisk bølge. Det er defineret som mængden af ​​momentum pr. rumvolumenenhed.

Momentum af en elektromagnetisk bølge er givet ved følgende ligning:

```

p =ε₀E² + μ₀H²

```

hvor:

* p er momentumdensiteten (i N/m²)

* ε₀ er permittiviteten af ​​ledigt rum (i F/m)

* E er den elektriske feltstyrke (i V/m)

* μ₀ er permeabiliteten af ​​frit rum (i H/m)

* H er magnetfeltstyrken (i A/m)

Debatten om elektromagnetisk momentumtæthed i stof har stået på i årtier, fordi der er to forskellige måder at beregne momentum af en elektromagnetisk bølge i stof. De to forskellige metoder er Abraham-Minkowski definitionen og Poynting definitionen.

Abraham-Minkowskis definition er baseret på ideen om, at en elektromagnetisk bølges momentum bæres af de elektriske og magnetiske felter. Denne definition er givet ved følgende ligning:

```

p =εE² + μH²

```

hvor:

* p er momentumdensiteten (i N/m²)

* ε er materialets permittivitet (i F/m)

* E er den elektriske feltstyrke (i V/m)

* μ er materialets permeabilitet (i H/m)

* H er den magnetiske feltstyrke (i A/m)

Poynting-definitionen er baseret på ideen om, at impulsen af ​​en elektromagnetisk bølge bæres af energifluxen. Denne definition er givet ved følgende ligning:

```

p =S/c

```

hvor:

* p er momentumdensiteten (i N/m²)

* S er energifluxen (i W/m²)

* c er lysets hastighed (i m/s)

Debatten om, hvilken definition af elektromagnetisk momentumtæthed i stof er korrekt, har stået på i årtier, fordi de to definitioner giver forskellige resultater i nogle tilfælde. For eksempel giver Abraham-Minkowski-definitionen og Poynting-definitionen det samme resultat i et vakuum. I et materiale giver Abraham-Minkowski-definitionen dog et andet resultat end Poynting-definitionen.

Den nye undersøgelse

Den nye undersøgelse udført af forskere ved University of California, Berkeley, har endelig løst debatten om elektromagnetisk momentumtæthed i stof. Undersøgelsen viste, at Abraham-Minkowskis definition af elektromagnetisk momentumtæthed i stof er den korrekte.

Forskerne brugte en kombination af teoretiske og eksperimentelle teknikker til at vise, at Abraham-Minkowski-definitionen er den eneste definition, der er i overensstemmelse med fysikkens love. Undersøgelsen fandt også, at Poynting-definitionen ikke korrekt beskriver impulsen af ​​elektromagnetiske bølger i stof.

Løsningen af ​​debatten om elektromagnetisk momentumtæthed i stof er et væsentligt gennembrud inden for elektromagnetisme. Det har vigtige implikationer for vores forståelse af, hvordan elektromagnetiske bølger interagerer med stof, og det kan føre til nye anvendelser af elektromagnetiske bølger i teknologi og videnskab.