Tutkijat osoittivat, miten valo etenee läpinäkyvässä väliaineessa

30.06.2017

Aalto-yliopiston tutkijoiden kehittämä valon massa-aaltoteoria ratkaisee valon liikemäärään liittyvän paradoksin.

Kiteen läpi etenevän valon optinen voima synnyttää atomisen massatiheysaallon. Kuva: Jyrki Hokkanen, CSC.

Aalto-yliopiston tutkijat osoittavat tuoreessa julkaisussa, miten valo etenee läpinäkyvässä väliaineessa. Tutkijat selvittivät, että jokaista läpinäkyvässä väliaineessa kulkevaa fotonia seuraa atomitiheysaalto. Atomien liike aiheutuu fotonin optisesta voimasta, joka saa esimerkiksi piin atomit kuljettamaan 92 prosenttia valon kokonaisliikemäärästä.

Tutkijoiden kehittämä valon massa-aaltoteoria ratkaisee satavuotisen valon liikemäärän paradoksin. Valon liikemäärälle läpinäkyvässä väliaineessa on aiemmin johdettu teoreettisesti kaksi tulosta, joilla on piin tapauksessa kymmenkertainen ero. Tämä ero johtuu siitä, ettei atomitiheysaaltoon liittyvää massan siirtymää ole otettu huomioon.

Tutkijat ovat ratkaisseet liikemäärän paradoksin käyttäen kahta riippumatonta, mutta toisiaan täydentävää menetelmää. Molemmat lähestymistavat osoittavat, että kenttäenergian siirtymiseen läpinäkyvässä väliaineessa liittyy väistämättä massan siirtyminen. Siirtyvä massa muodostuu atomien tihentymästä, joka liikkuu fotonin kanssa väliaineen läpi.

”Koska työmme on teoreettinen ja laskennallinen, se täytyy yhä todistaa kokeellisesti ennen kuin siitä voi tulla standardimalli valolle läpinäkyvässä väliaineessa. Valopulssin kokonaisliikemäärän mittaaminen ei riitä, vaan on mitattava myös massasiirtymä. Tarvittavien kokeiden pitäisi olla mahdollisia käyttäen interferometrisiä ja mikroskooppisia tekniikoita sekä yleisesti saatavilla olevia materiaaleja”, tutkija Mikko Partanen Aalto-yliopistosta sanoo.

Vaikutus tähtienvälisten kaasujen ja laajentuvan maailmankaikkeuden tarkasteluun

Tutkijat tekevät työtä teorian mahdollisiin optomekaanisiin sovelluksiin liittyen. Uusi teoria kuitenkin kuvaa valon liikettä paitsi läpinäkyvissä nesteissä ja kiinteissä aineissa, myös tähtienvälisessä harvassa kaasussa. Yksinkertaisella kinemaattisella tarkastelulla voidaan osoittaa, että energiahäviö, joka syntyy atomitiheysaallosta, on suoraan verrannollinen fotonin energiaan ja sen kulkemaan matkaan.

”Tämä kannustaa jatkosimulaatioihin, joissa käytetään realistisia parametreja tähtienvälisen kaasun ja plasman tiheydelle ja lämpötilalle. Tällä hetkellä Hubblen lakia selitetään Dopplerin ilmiöllä. Etäisten tähtien osalta punasiirtymä näyttää kasvavan, mikä puolestaan tukee laajenevan maailmankaikkeuden hypoteesia. Uuden valon etenemistä koskevan teoriamme pohjalta tämä hypoteesi ei ole enää tarpeellinen, koska teoria tuottaa automaattisesti punasiirtymän, joka on suoraan verrannollinen havainnoijan ja tähden väliseen etäisyyteen”, selittää professori Jukka Tulkki.

Tutkimusartikkeli: Mikko Partanen, Teppo Häyrynen, Jani Oksanen, and Jukka Tulkki. Photon mass drag and the momentum of light in a medium. Physical Review A 95. DOI: 10.1103/PhysRevA.95.063850

Lisätietoja:

Mikko Partanen
Tohtoriopiskelija
Aalto-yliopisto
mikko.p.partanen@aalto.fi

Jukka Tulkki
Professori
Aalto-yliopisto
jukka.tulkki@aalto.fi
p. 050 520 4360