El cambio similar a la fricción en el momento descubierto en el nuevo estudio puede modelarse mediante un dispositivo en movimiento que emite fotones en direcciones opuestas. Un observador puede medir las frecuencias de los fotones, y usando el efecto Doppler, calculará un cambio en la cantidad de movimiento, pero no en la velocidad. Crédito:Sonnleitner et al. © 2017 Sociedad Estadounidense de Física
(Phys.org) —Cuando tres físicos descubrieron por primera vez a través de sus cálculos que un átomo en descomposición que se mueve a través del vacío experimenta una fuerza similar a la fricción, eran muy sospechosos. Los resultados parecían ir en contra de las leyes de la física:el vacío, por definición, es un espacio completamente vacío y no ejerce fricción sobre los objetos dentro de él. Más lejos, si es verdad, los resultados contradecirían el principio de relatividad, ya que implicarían que los observadores en dos marcos de referencia diferentes verían el átomo moviéndose a diferentes velocidades (la mayoría de los observadores verían que el átomo se ralentiza debido a la fricción, pero un observador moviéndose con el átomo no lo haría).
Escribiendo en Cartas de revisión física , los físicos Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, y Stephen M. Barnett de la Universidad de Glasgow sabían que algo debía estar mal, pero al principio no estaban seguros de qué.
"Pasamos siglos buscando el error en el cálculo y dedicamos aún más tiempo a explorar otros efectos extraños hasta que encontramos esta solución (bastante simple), Sonnleitner dijo Phys.org .
Los físicos finalmente se dieron cuenta de que la pieza del rompecabezas que faltaba era una pequeña cantidad de masa extra llamada "defecto de masa", una cantidad tan pequeña que nunca se había medido en este contexto. Esta es la masa en la famosa ecuación de Einstein E =mc 2 , que describe la cantidad de energía necesaria para romper el núcleo de un átomo en sus protones y neutrones. Esta energía llamada "energía de enlace interna, "se contabiliza habitualmente en física nuclear, que se ocupa de energías vinculantes más grandes, pero normalmente se considera insignificante en el contexto de la óptica atómica (el campo aquí) debido a las energías mucho más bajas.
Este detalle sutil pero importante permitió a los investigadores pintar una imagen muy diferente de lo que estaba sucediendo. A medida que un átomo en descomposición se mueve a través del vacío, realmente experimenta algún tipo de fuerza que se asemeja a la fricción. Pero una verdadera fuerza de fricción haría que el átomo se ralentizara, y esto no es lo que está pasando.
Lo que realmente está pasando es que dado que el átomo en movimiento pierde un poco de masa a medida que decae, pierde impulso, no velocidad. Para explicar con más detalle:aunque el vacío está vacío y no ejerce ninguna fuerza sobre el átomo, todavía interactúa con el átomo, y esta interacción hace que el átomo excitado decaiga. A medida que el átomo en movimiento decae a un estado de menor energía, emite fotones, haciendo que pierda un poco de energía correspondiente a una cierta cantidad de masa. Dado que el impulso es el producto de la masa y la velocidad, la disminución de masa hace que el átomo pierda un poco de impulso, tal como se esperaba de acuerdo con la conservación de la energía y el momento en la relatividad especial. Entonces, mientras la masa (energía) y el impulso del átomo disminuyen, su velocidad permanece constante.
Esta imagen resuelve los dos problemas anteriores:no hay fuerzas que actúen entre el vacío y el átomo, y dos observadores en diferentes marcos de referencia verían el átomo moviéndose a la misma velocidad constante, aunque el átomo perdería impulso debido a la descomposición.
"En principio, la física subyacente a nuestro trabajo se conoce desde hace mucho tiempo, por lo que nuestro resultado es de importancia conceptual:mostramos que el modelo muy exitoso que se usa generalmente para describir la interacción entre los átomos y la luz puede dar este extraño cambio en la cantidad de movimiento similar a una fricción, "Sonnleitner dijo." Este resultado sólo se puede explicar cuando incluimos la equivalencia entre masa y energía. Pero como uno no esperaría que este aspecto de la relatividad especial (E =mc 2 ) realmente juega un papel en las interacciones átomo-luz a estas bajas energías, esto no se ha incluido en el modelo. Así que este rompecabezas mostró cómo una pieza de la relatividad especial entra inesperadamente en un modelo bien estudiado y muy exitoso de la óptica cuántica (no relativista) ".
El efecto es probablemente la primera vez que la energía de enlace interna de un átomo ha marcado una diferencia tan significativa en un contexto óptico cuántico. Los físicos enfatizan que el efecto no se limita a la emisión espontánea de un fotón, pero que ocurre siempre que un átomo cambia su energía interna, como al emitir o absorber un fotón. Pero en estos casos, el átomo también verá fuerzas reales dependientes de la velocidad, lo que escondería el efecto discutido aquí. Siendo por el momento, medir experimentalmente el efecto no es probable, dado que la energía involucrada es aproximadamente tres órdenes de magnitud más pequeña de lo que puede ser detectado por las técnicas de medición más precisas de la actualidad.
En el futuro, los investigadores planean investigar qué impacto puede tener este efecto en el modelo convencional de interacciones átomo-luz.
"Intentaremos extender el modelo exitoso que se usa actualmente para describir las interacciones átomo-luz para incluir la posibilidad de una masa cambiante, "Sonnleitner dijo." Por supuesto, esto solo será una pequeña corrección, pero debería ayudar a completar el cuadro. Nunca está mal volver a visitar repensar y, si necesario, modificar una teoría establecida ".
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