Bir el feneri bir bardak suya parladığınızda, ışın bükülür. Eski zamanlardan beri tanıdık olan bu basit gözlem, fizikteki en eski bulmacalardan birini gizler: Bir ortama girdiğinde ışığın momentumuna gerçekten ne olur?
Kuantum fiziğinde, ışık sadece bir dalga değildir, aynı zamanda enerji ve momentum taşıyan bir parçacık gibi davranır. Bir asırdan fazla bir süredir, bilim adamları ışığın içindeki momentumun boş alandan daha büyük veya daha küçük olup olmadığını tartıştılar. Rakip iki cevap, daha büyük olan ve ışığın nasıl büküldüğünü açıklayan ve daha küçük olan ve bu ışığın ortamda uyguladığı gerçek itme veya çekişle eşleşen İbrahim momentumu açıklayan Minkowski momentumu olarak bilinir.
Tartışma asla gitmedi çünkü deneyler her iki tarafı da doğruladı. Bazı kurulumlar daha büyük Minkowski değerini ölçtü, diğerleri İbrahim’i destekledi ve fizikçileri bir paradoks bıraktı.
Bu neden önemli?
İlk bakışta, Abraham -Minkowski tartışması teknik bir kavga gibi görünebilir. Ancak derin bir soruyu keser: Dalgaların ve parçacıkların iç içe geçtiği sistemlerde momentumu nasıl tanımlarız? Cevap sadece temel fizik anlayışımızı değil, aynı zamanda optik cımbız, lazer soğutma ve ışık -hasat etkileşiminin kesin kontrolüne dayanan fotonik cihazlar gibi teknolojileri de şekillendiriyor.
Bu projeye başladığımda, bu yüzyıllık tartışmaları tekrar ziyaret etmeye başladım. Bulduğum şey, kararın İbrahim ve Minkowski arasında seçim yapmakta değil, her ikisinin de doğru olduğunu kabul etmekte olduğudur – bir kez resme spin ekliyoruz. İşim dergide yayınlandı Fiziksel İnceleme A.
Eksik bir parça: Spin
Spin, enerji veya momentum kadar temel bir kuantum özelliği olan ışık dalgalarının içsel “bükülmesi” dir. Momentumu spin üzerine yansıtarak birleşik bir açıklama buldum: Minkowski momentumu bu spin proje edilen momentumun büyüklüğüne karşılık gelirken, İbrahim momentumu beklenti değeridir-aslında hareketi yönlendiren ve doğrudan ortamdaki Lorentz kuvvetine bağlı olan ortalama.
Bu sorunu yeniden canlandırıyor: İbrahim ve Minkowski rakip değil, aynı spin -momentum yapısının tamamlayıcı yönleri.
Elektronlardan ışığa
Bu sonuca ulaşmak için, göreli kuantum parçacıklarını tanımlayan ünlü Dirac denklemine benzer bir formda ışık için hareket denklemlerini yazdım.
Bu yaklaşım, spin’i ışık için iyi bir kuantum sayısını yapar ve Minkowski ve İbrahim’in rollerini açıkça ayırt etmemizi sağlar. Ayrıca, elektronlar gibi dirac parçacıkları ile ilişkili olan zitterbegung benzeri bir salınım-titreyen bir ışık hareketini öngörür.
Kapanış Düşünceleri
Benim için bu yolculuk, asırlık bir bulmacayı çözmekten daha fazlası oldu. Fizikte uzun süredir devam eden soruların bazen daha derin bir simetrinin lensi aracılığıyla, bu durumda ışığın kendisine bakarak nasıl yeniden şekillendirilebileceğini gösterir.
Beni en çok heyecanlandıran şey, bu çerçevenin nihayet iki perspektifi birleştirmesidir. İbrahim ve Minkowski’nin çatışması yerine, aynı altta yatan yapının farklı yönlerini tanımlarlar. Işık bükülür, iter ve hatta titriyor. Spin, kırılma geometrisini momentum transferi mekaniği ile ilişkilendirerek bu davranışları birbirine bağlar.
Bana göre, bu derin bir şeyi güçlendirir: ışık, bir dalga olarak tanımlansa da, açıkça parçacık benzeri bir karakter taşır.
Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları rapor edebilecekleri Science X iletişim kutusunun bir parçasıdır. Science X iletişim kutusu ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi için bu sayfayı ziyaret edin.
Cahaya bir B.Sc., M.Sc. ve Dr.Sc. Japonya’nın Tohoku Üniversitesi’ndeki fizikte, spin dinamiklerini ve yeni nesil spintronic cihazlarındaki rollerini araştırıyor. O zamandan beri, Cahaya’nın çalışmaları nano ölçekli yoğunlaştırılmış madde sistemlerinde kuantum fenomenlerini ve spin dinamiklerini keşfetmek için genişledi – sadece hareketli elektronların dönüşü değil, aynı zamanda magnon ve fotonların davranışları.
