Експеримент доказва, че светлината може да изтласква течност

Международен екип физици от университета в Гуанчжоу, Китай, и института „Вайсман“ в Израел начело с Улф Леонхарт (Ulf Leonhardt) за първи път демонстрираха изтласкващото налягане на светлината върху течностите.

Резултатите от изследването и изводите от работата на учените са изложени в статия, публикувана в изданието New Journal of Physics.

Споровете за природата на налягането, или както го наричат още физиците – импулса на светлината, се водят от 1908 г. Тогава прочутият немски учен Херман Минковски издигнал хипотезата, че светлината въздейства върху течности като масло или вода, като ги привлича. Но през 1909 година физикът Макс Абрахам (Max Abraham) опровергал тази хипотеза и теоретично доказал, че светлината оказва тласкащо действие на течностите.

„Учените спорят от столетие за природата на импулса на светлината и неговото въздействие върху средата. Ние открихме, че светлинният импулс не се явява основна физична величина, но тя се проявява във взаимодействието между светлината и материята и зависи от способностите на светлината да деформира материята.

Ако средата се движи под въздействието на сноп лъчение, то е прав Минковски и светлината оказва привличащо налягане. Ако средата е неподвижна, то прав е Абрахам и светлината оказва тласкащо налягане на течностите“, разказва Леонхарт.

Двата различни типа налягане може да бъдат идентифицирани експериментално, чрез осветяване на повърхността на течностите със светлинен лъч. Необходимо е само де се проследи след това как се държи течността – дали се издига или спуска. В първия случай се очаква, че светлината привлича течната среда, а във втория – обратното. Да добавим, че двете теории се съгласуват в празно пространство (когато показателят на пречупване на средата е еквивалентен на единица), но се разминават, ако показателят на пречупване е повече от 1.

В своя експеримент Леонхарт и колегите му демонстрирали, че повърхността на течностите може да се огънат навътре, което ще съответства на тласкащото налягане на светлината, и това може да стане със сравнително широк лъч в относително голям контейнер. Тези два фактора карат светлината да формира структура на поток в течността.

Изследователите показали, че тласкащото налягане на светлината се проявява както във вода, така и в масло, които имат различни показатели на пречупване. По този начин те са успели да потвърдят теорията на Абрахам.

Авторите на новото изследване отбелязват, че в предишни експерименти техни колеги са доказвали само правотата на Минковски, като са демонстрирали привличащото налягане на светлината. Но, по думите им, преди учените са използвали по-тесни светлинни лъчи и неголеми контейнери с течност.

Леонхарт и екипът му решили да повторят своя експеримент и когато използвали тесен лъч и малък контейнер, се проявявало привличащото налягане на светлината. Това означава, че характерът на налягането зависи не само от светлината, но и от самата течност, поясняват изследователите.

„Представете си игра на билярд. Играчът взема щеката и удря по бялата топка, която на свой ред трябва да удари цветна, а тя може да удари още няколко топки. В цялата тази верига от тласкащи движения се предава импулс, зададен в началото от играча с щеката.

Светлината също може да тласка материя, макар тези тласъци да са микроскопични, почти незабележими. В някои случаи впрочем светлинните тласъци може да са много значителни за средата. Например да си спомним опашката на комета.

Великият астроном Йохан Кеплер преди сто години е предположил, че опашката на кометата е материя, изтласкана от повърхността на нейното ядро от светлината, тъй като тя винаги гледа в противоположната от Слънцето страна. Днес знаем, че Кеплер отчасти е бил прав, тъй като материята се сблъсква със слънчевия вятър и от ядрото на кометата се формира опашка.

Импулс ние наричаме способността на светлината да привежда материята в движение и това понятие действително е тясно свързано с енергията на светлината, макар да се отличава от него“, пояснява Леонхарт.

Резултатите от изследването имат както фундаментално, така и практическо значение за науката. От гледна точка на фундаменталните теории физиците сега по-добре ще разбират природата на светлината. Леонхарт и колегите му са отговорили на въпроса увеличава ли се, или намалява светлинния импулс с увеличаването на показателя на пречупване на средата – резултатът зависи от способността на светлината да приведе в механично движение течността и ако светлинният лъч е способен на това, то импулсът намалява, а ако не – то се увеличава.

Колкото до практическото значение на новото изследване, то може да послужи в развитието на иновативна технология за инерциално удържане на термоядрения синтез, която подразбира използването на силата на светлинния импулс за инициация на ядрения синтез.

Последната работа също ще повлияе на оптичните технологии като цяло.