Gera žinia kosminėms Saulės burėms: po 150 metų pastangų mokslininkai pagaliau gali pasakyti, koks yra šviesos slėgis

Nors fotonai masės neturi, jie turi impulsą, kurį apibūdina specialusis reliatyvumas.

Ir šis impulsas veikia tam tikra jėga. Šviesos slėgio hipotezė buvo iškelta dar 1619 metais. Savo traktate De Cometi, vokiečių matematikas ir astronomas Johannesas Kepleris spėjo, kad Saulės šviesos sukuriamas slėgis nukreipia kometų uodegas nuo žvaigždės.

Tačiau tik 1873 škotų fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas savo traktate A Treatise on Electricity and Magnetism iškėlė hipotezę, kad tai susiję su impulsu.

Clerkas Maxwellas – kurio darbai padėjo kertinius Einšteino reliatyvumo teorijos pagrindus – darė prielaidą, kad šviesa yra elektromagnetinio spinduliavimo forma, turinti impulsą, tad ir sukurianti slėgį.

Bet fotono impulsas – taigi, ir spinduliavimo slėgis – yra nykstamai mažas, o tai reiškia, kad išmatuoti jį tiesiogiai yra itin sunku.

„Lig šiol nebuvome nustatę, kaip šis impulsas konvertuojamas į jėgą ar judėjimą,“ paaiškino inžinierius Kennethas Chau iš Britų Kolumbijos universiteto Okanagan miestelio Kanadoje.

„Kadangi šviesos pernešamas impulsas – labai mažas, neturėjome pakankamai jautrios įrangos, kad galėtume jį išmatuoti."

Tiesą sakant, dabartinės technologijos visa dar nėra pakankamai jautrios, kad aptiktų fotono impulsą tiesiogiai. Bet Chau ir kolegos iš Slovėnijos ir Brazilijos sugalvojo, kaip galima įvertinti fotono impulso poveikį.

Aparate naudojamas veidrodis. Aplink jį įrengta šilumos izoliacija saugo eksperimentą nuo išorės poveikio, sumontuoti jautrūs akustiniai jutikliai.

Į veidrodį paleistas lazerio impulsas sukelia jame elastines bangas. Jas aptinka akustiniai jutikliai, o tai suteikia galimybę apskaičiuoti fotonų impulso sukeltą spinduliavimo slėgį.

„Fotonų impulso sukelto slėgio tiesiogiai išmatuoti negalime, pabandėme aptikti jo poveikį veidrodžiui „klausydamiesi“ per jį sklindančių elastinių bangų,“ sakė Chau.

„Sugebėjome susieti šių bangų savybes su šviesos impulsu, ir tai suteikia galimybę pagaliau apibrėžti ir modeliuoti šviesos impulsą medžiagose.“

Tai – ne tik išties gražus mokslas. Praktinis jo pritaikymas gali būti ne mažiau svarbus.

Pavyzdžiui, tiksliai apskaičiuojant spinduliavimo slėgį, galima patobulinti Saulės burių technologiją – šiuo metodu varomiems erdvėlaiviams nereikia gabentis kuro, nes jie spinduliavimo slėgį naudoja kaip laivų burės vėją.

Be to, tai galėtų patobulinti optines žnyples, neįtikėtinai mažų – iki atskiro atomo mastelio – dalelių laikymo ir manipuliavimo metodą.

„Tai dar ne viskas,“ sakė Chau, „bet šiame darbe padarytas atradimas yra svarbus žingsnis ir nekantrauju išvysti, kur žengsime toliau.“

Tyrimas publikuotas Nature Communications.

Michelle Starr

www.sciencealert.com