Vlad Krasen
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Spieglein, Spieglein an der Wand, wie vermischen sich Licht und Materie doch??
Wissenschaftler wissen seit einiger Zeit, dass Licht Schwung hat und Kraft auf alles ausübt, was es trifft. Aber weil dieser Impuls so gering ist, konnten Experimente nicht genau beobachten, wie er die Materie beeinflusst.
Auf der Suche nach Antworten wandte sich eine internationale Gruppe von Forschern in einer neuen Studie den Spiegeln zu. "Der Spiegel sagt immer die Wahrheit", schrieb Tomaž Požar, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor am Institut für Maschinenbau der Universität Ljubljana in Slowenien, in der spielerischen Analogie "Schneewittchen und die sieben Zwerge", dass er erstellt und gesendet an. [Was ist das? Ihre Physikfragen beantwortet]
Obwohl Požar und sein Team kein Gespräch mit dem Spiegel führten, hörten sie aufmerksam zu, wie er reagierte, wenn er von einem Lichtstrahl getroffen wurde. Sie befestigten akustische Sensoren, die ähnlich wie medizinischer Ultraschall funktionieren, an einem Spiegel, der mit einem Hitzeschild ausgestattet war. (Durch Erhitzen können elastische Wellen erzeugt werden, die das Signal, das sie untersuchen wollten, behindern: die durch den Impuls erzeugten elastischen Wellen.)
Dann schossen die Forscher Laserstrahlen in den Spiegel und hörten mit den akustischen Sensoren auf die Wellen, die beim Auftreffen von Licht auf die Oberfläche entstehen. "Es ist wie ein Hammerschlag durch Licht", sagte Požar .
Diese winzigen Wellen verursachten "Geräusche" oder winzige Bewegungen zwischen den Atomen des Spiegels. Die kleinste Verschiebung, die sie fanden, betrug ungefähr 40 Femtometer, was ungefähr der vierfachen Größe des Kerns eines Atoms entspricht, sagte Požar.
Vor diesem Experiment konnten Wissenschaftler nur messen, wie Licht den Impuls auf ein Objekt als Ganzes übertragen würde, sagte Požar. Mit dieser neuen Methode konnten sie jedoch sehen, wie sich diese Kraft im Material verteilt. Und obwohl frühere Forschungen vorausgesagt haben, dass Licht Materie bewegt, indem es Impulse in verschiedene elastische Wellen ablagert, gibt es jetzt experimentelle Beweise dafür, sagte Požar.
Derzeit haben Wissenschaftler eine Handvoll Ideen darüber, wie der Impuls vom Licht auf ein Material übertragen wird, sagte Požar.
Der schottische Physiker James Clerk Maxwell schlug 1873 als erster vor, dass Licht in seinen elektromagnetischen Feldern einen Impuls trägt. Seine Gleichungen bilden zusammen mit einigen anderen die Grundlage des Elektromagnetismus. "Alle sind mit Maxwells Gleichungen des Elektromagnetismus einverstanden" und die Gesetze, die Impuls und Energie besagen, bleiben erhalten, sagte Požar. Verschiedene Wissenschaftler haben jedoch ihre eigenen Ansichten darüber, wie die Lichtkraft in der Materie verteilt ist.
Ein berühmtes Beispiel ist die sogenannte Abraham-Minkowski-Kontroverse, ein Streit zwischen dem deutschen Physiker Max Abraham und dem deutschen Mathematiker Hermann Minkowski. Abraham schlug vor, dass der Impuls eines Photons umgekehrt zum "Brechungsindex" in Beziehung gesetzt werden sollte, eine Zahl, die beschreibt, wie sich Licht durch ein Material bewegt, während Minkowski vorschlug, dass es in direktem Zusammenhang stehen sollte.
Obwohl die neue Studie noch nicht festgestellt hat, welche Hypothese richtig war, hoffen die Forscher, dieses experimentelle Verfahren in flüssigen und anderen Materialien zu verfeinern und anzuwenden, um es schließlich herauszufinden.
Požar fährt in seiner Analogie fort: Ist es Schneewittchen oder die böse Königin? "Ist es der von Abraham vorgeschlagene Formulismus? Vielleicht der von Minkowski vorgeschlagene? Oder ist es der von Einstein ... oder eines noch anonymen Wissenschaftlers, dessen Name [eines] Tages in allen Lehrbüchern erscheinen wird?"
Bereits 1619 schlug der deutsche Astronom und Mathematiker Johannes Kepler vor, dass der Schwanz eines Kometen immer von der Sonne weg zu zeigen schien, weil das Sonnenlicht Druck auf sie ausübte.
Das Verständnis der Physik hinter dem Lichtimpuls hätte Kepler höchstwahrscheinlich begeistert, aber es hätte auch einige praktische Anwendungen. Zum Beispiel könnten optische Pinzetten optimiert werden, um die geringste Kraft auf die winzigen organischen Objekte auszuüben, mit denen sie umgehen. Oder es könnten großartige Sonnensegel geschaffen werden, um mit der Sonnenenergie durch die Galaxie zu segeln.
Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse am 21. August in der Zeitschrift Nature Communications.
Ursprünglich veröffentlicht am .