In een recente publicatie, Aalto University-onderzoekers laten zien dat in een transparant medium elk foton vergezeld gaat van een atomaire massadichtheidsgolf. De optische kracht van het foton zet de medium atomen in beweging en zorgt ervoor dat ze 92% van het totale momentum van licht dragen, in het geval van silicium.

De nieuwe ontdekking lost de honderdjarige momentumparadox van licht op. In de literatuur, er zijn twee verschillende waarden geweest voor het momentum van licht in het transparante medium. Typisch, deze waarden verschillen een factor tien en deze discrepantie staat bekend als de momentumparadox van licht. Het verschil tussen de momentumwaarden wordt veroorzaakt door het negeren van het momentum van atomen die met de lichtpuls meebewegen.

Om de momentumparadox op te lossen bewijzen de auteurs dat de speciale relativiteitstheorie een extra atomaire dichtheid vereist om met het foton mee te reizen. In verwante klassieke computersimulaties, ze gebruiken een optisch krachtveld en de tweede wet van Newton om aan te tonen dat een golf van verhoogde atomaire massadichtheid zich door het medium voortplant met de lichtpuls.

De massaoverdracht leidt tot splitsing van het totale momentum van licht in twee componenten. Het momentumaandeel van de velden is gelijk aan het Abraham-momentum, terwijl het totale momentum, die ook het momentum omvat van atomen die naar voren worden gedreven door de optische kracht, gelijk is aan het Minkowski-momentum.

"Aangezien ons werk theoretisch en computationeel is, moet het nog experimenteel worden geverifieerd, voordat het een standaardmodel van licht in een transparant medium kan worden. Het meten van het totale momentum van een lichtpuls is niet voldoende, maar men moet ook de overgedragen atomaire massa meten. Dit moet mogelijk zijn met behulp van de huidige interferometrische en microscopische technieken en gewone fotonische materialen, ', zegt onderzoeker Mikko Partanen.

Potentiële interstellaire toepassingen van de ontdekking

De onderzoekers werken aan mogelijke optomechanische toepassingen die mogelijk worden gemaakt door de optische schokgolf van atomen die door de nieuwe theorie wordt voorspeld. Echter, de theorie is niet alleen van toepassing op transparante vloeistoffen en vaste stoffen, maar ook op verdund interstellair gas. Met behulp van een eenvoudige kinematische overweging kan worden aangetoond dat het energieverlies veroorzaakt door het massaoverdrachtseffect voor verdund interstellair gas evenredig wordt met de fotonenergie en de door licht afgelegde afstand.

"Dit vraagt ​​om verdere simulaties met realistische parameters voor interstellaire gasdichtheid, plasma-eigenschappen en temperatuur. Momenteel wordt de wet van Hubble verklaard doordat de Dopplerverschuiving groter is vanaf verre sterren. Dit ondersteunt effectief de hypothese van een uitdijend heelal. In de massapolaritontheorie van licht is deze hypothese niet nodig omdat roodverschuiving automatisch evenredig wordt met de afstand van de ster tot de waarnemer, " legt professor Jukka Tulkki uit.