(Phys.org) — Toen drie natuurkundigen voor het eerst door hun berekeningen ontdekten dat een rottend atoom dat door het vacuüm beweegt een wrijvingskracht ervaart, ze waren zeer verdacht. De resultaten leken in strijd met de natuurwetten:het vacuüm, per definitie, is volledig lege ruimte en oefent geen wrijving uit op objecten erin. Verder, als het waar is, de resultaten zouden in tegenspraak zijn met het relativiteitsbeginsel, omdat ze zouden impliceren dat waarnemers in twee verschillende referentiekaders het atoom met verschillende snelheden zouden zien bewegen (de meeste waarnemers zouden het atoom zien vertragen als gevolg van wrijving, maar een waarnemer die met het atoom meebeweegt, zou dat niet doen).

Inschrijven Fysieke beoordelingsbrieven , natuurkundigen Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, en Stephen M. Barnett van de Universiteit van Glasgow wisten dat er iets mis moest zijn, maar eerst wisten ze niet wat.

"We hebben eeuwenlang gezocht naar de fout in de berekening en nog meer tijd besteed aan het onderzoeken van andere vreemde effecten totdat we deze (vrij eenvoudige) oplossing vonden, "Sonnleitner vertelde" Phys.org .

De natuurkundigen realiseerden zich uiteindelijk dat het ontbrekende puzzelstukje een klein beetje extra massa was dat het 'massadefect' wordt genoemd - een hoeveelheid die zo klein is dat het in deze context nog nooit is gemeten. Dit is de massa in Einsteins beroemde vergelijking E =mc ² , die de hoeveelheid energie beschrijft die nodig is om de kern van een atoom op te splitsen in zijn protonen en neutronen. Deze energie, genaamd de "interne bindende energie, " komt regelmatig voor in de kernfysica, die zich bezighoudt met grotere bindende energieën, maar wordt doorgaans als verwaarloosbaar beschouwd in de context van atoomoptica (het veld hier) vanwege de veel lagere energieën.

Door dit subtiele maar belangrijke detail konden de onderzoekers een heel ander beeld schetsen van wat er aan de hand was. Als een rottend atoom door het vacuüm beweegt, het ervaart echt een soort kracht die lijkt op wrijving. Maar een echte wrijvingskracht zou het atoom vertragen, en dit is niet wat er gebeurt.

Wat er werkelijk gebeurt is dat, omdat het bewegende atoom een ​​klein beetje massa verliest als het vervalt, het verliest vaart, snelheid niet. Om meer in detail uit te leggen:hoewel het vacuüm leeg is en geen krachten op het atoom uitoefent, het interageert nog steeds met het atoom, en deze interactie zorgt ervoor dat het aangeslagen atoom vervalt. Naarmate het bewegende atoom vervalt naar een lagere energietoestand, het zendt fotonen uit, waardoor het een klein beetje energie verliest dat overeenkomt met een bepaalde hoeveelheid massa. Omdat momentum het product is van massa en snelheid, de afname van de massa zorgt ervoor dat het atoom een ​​​​beetje momentum verliest, precies zoals verwacht volgens het behoud van energie en momentum in de speciale relativiteitstheorie. Dus terwijl de massa (energie) en het momentum van het atoom afnemen, zijn snelheid blijft constant.

Deze afbeelding lost beide eerdere problemen op:er werken geen krachten tussen het vacuüm en het atoom, en twee waarnemers in verschillende referentiekaders zouden allebei het atoom met dezelfde constante snelheid zien bewegen, ook al zou het atoom momentum verliezen als gevolg van verval.

"In principe, de fysica die aan ons werk ten grondslag ligt, is al lang bekend, dus ons resultaat is van nogal conceptueel belang:we hebben aangetoond dat het zeer succesvolle model dat over het algemeen wordt gebruikt om de interactie tussen atomen en licht te beschrijven, deze vreemde wrijvingsachtige verandering in momentum kan geven, "Zei Sonnleitner. "Dit resultaat kan alleen worden verklaard als we de equivalentie tussen massa en energie opnemen. Maar aangezien men niet zou verwachten dat dit aspect van de speciale relativiteitstheorie (E =mc ² ) speelt eigenlijk een rol bij atoom-lichtinteracties bij deze lage energieën, dit is niet in het model meegenomen. Dus deze puzzel liet zien hoe een stukje speciale relativiteit onverwachts een goed bestudeerd en zeer succesvol model van (niet-relativistische) kwantumoptica binnenkomt."

Het effect is waarschijnlijk de eerste keer dat de interne bindingsenergie van een atoom zo'n significant verschil heeft gemaakt in een kwantumoptische context. De natuurkundigen benadrukken dat het effect niet beperkt is tot de spontane emissie van een foton, maar dat het optreedt wanneer een atoom zijn interne energie verandert, zoals bij het uitzenden of absorberen van een foton. Maar in deze gevallen het atoom zal ook echte snelheidsafhankelijke krachten zien, wat het hier besproken effect zou verbergen. Voorlopig, het experimenteel meten van het effect is niet waarschijnlijk, aangezien de betrokken energie ongeveer drie ordes van grootte kleiner is dan wat kan worden gedetecteerd met de meest nauwkeurige meettechnieken van vandaag.

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan te onderzoeken welke impact dit effect kan hebben op het conventionele model van atoom-licht-interacties.

"We zullen proberen het succesvolle model dat momenteel wordt gebruikt om atoom-licht-interacties te beschrijven, uit te breiden met de mogelijkheid van een veranderende massa, "Zei Sonnleitner. "Natuurlijk zal dit slechts een vrij kleine correctie zijn, maar het zou moeten helpen om het plaatje compleet te maken. Het is nooit verkeerd om opnieuw te bezoeken, heroverwegen en, indien nodig, tweak een gevestigde theorie."

© 2017 Fys.org