Forskere har klart å vise hvordan lyspartikler, eller fotoner, påvirker masse. Det har de gjort ved å lytte til hvordan lys påvirker en reflekterende overflate. Kenneth Chau er en av dem som var med å utvikle forsøkene. [Foto: UBC Okanagan]
Nytt eksperiment viser hvordan lys kan «dytte»
Gjenstader dytter hverandre når de støter sammen. Men lys har også en veldig svak form for kraft som kalles strålingstrykk. I et nytt, finurlig eksperiment viser forskere hvordan dette fungerer.
At lys kan dytte på noe som helst høres merkelig ut. Du føler tross alt ikke noe dytt i det du skrur på en lampe eller går ut i sollyset. Men helt siden Johannes Kepler oppdaget at halene til kometer peker vekk fra sola, har man ant at lys også har en slags kraft.
Denne kraften kommer av «bevegelsesmengde», som er definert som masse ganger fart. Det rare er at lys har bevegelsesmengde selv om massen er lik null. Men så er det jo flere ting ved kvantefysikken som er litt snodig.
Et samarbeid mellom forskere fra Canada, Slovenia and Brasil har resultert i et eksperiment som forteller noe om hvordan synlig lys virker inn på materie.
Laser og speil
Forskerne brukte varmeskjold, laser og et speil med nærmest perfekt refleksjon.
Når laseren traff speilet ble det dannet ekstremt små elastiske bølger i materialet. Ved hjelp av fintfølende lydsensorer klarte de å fange opp lyden av disse bølgene. Lyset flyttet på atomer i speilet før disse trakk seg tilbake mot sin opprinnelige posisjon. Hvis man kunne ha sett det, ville det minnet om ringer i vannet etter en stein.
- Vi kan ikke direkte måle fotonenes bevegelsesmengde, så vår tilnærming var å oppdage dens effekt på et speil ved å «lytte» til de elastiske bølgene som gikk gjennom det, sier Kenneth Chau. Han har vært med å skrive studien og er professor ved kanadiske University of British Colombia.
Forskerne har jobbet med forsøkene i tre år, og nå er studien publisert i tidsskriftet Nature Communications.
Atomene får en dytt
Finn Ravndal, professor emeritus i fysikk, sier at eksperimentet ikke er så oppsiktsvekkende da strålingstrykk er et kjent fenomen.
- Det som gjør eksperimentet spesielt er at de har påvist bevegelsesmengden i forbindelse med vanlig lys, altså elektromagnetisk stråling med nokså lav energi.
- Det som skjer når lys treffer et speil er at fotonene virker inn på atomene inne i speilet, atomene får da en liten dytt. Og siden atomene sitter fast i speilet så får da også speilet en liten dytt.
Mekanismen er den samme som gjør det mulig å drive romskip ved hjelp av solseil. Ute i rommet kan altså strålingstrykket fra lys brukes til å fly av sted i et romskip som er koblet på et stort solseil. Lyset fra sola treffer den reflekterende overflaten og dytter fartøyet fremover i akselererende hastighet. Japan var det første landet som skjøt opp et fartøy med solseil i 2010.
Kraften avtar imidlertid jo lengre unna seilet beveger seg fra solen. Man tenker seg derfor at en svær laser i fremtiden kan drive et romskip avsted til et annet solsystem.
En annen praktisk anvendelse av strålingstrykk er å kunne flytte på ørsmå partikler ved hjelp av optiske pinsetter. Optiske pinsetter er laserinstrumenter som kan brukes i knøttsmå sammenhenger som nanoteknologi og mikrobiologi.
Oppdaget for 150 år siden
Men hvordan kan det ha seg at lyset har evnen til å dytte, når det ikke har masse?
Det er ingen enkel forklaring på det. Ravndal sier at strålingstrykk allerede lå innbakt i James Clerk Maxwell sine utregninger 150 år tilbake. Maxwell var den første til å beskrive elektromagnetisk stråling som bølger.
Senere forklarte Einstein at man også kan beskrive lys eller annen elektromagnetisk stråling som partikler, eller fotoner.
- Fra hans relativitetsteori følger det at et foton har energi og bevegelsesmengde som er bestemt av lysets bølgelengde. Et hvert system som har en viss energi, har også en bevegelsesmengde, sier Finn Ravndal.
