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Solucionado paradoxo da luz: Das tecnologias fotônicas à aceleração do Universo

Solucionado paradoxo da luz: Das tecnologias fotônicas à aceleração do Universo
Ao atravessar um material isolante, a luz induz uma onda nos átomos do material, e essa onda carrega uma parte do momento da luz. [Imagem: Aalto University]

Onda de choque da luz na matéria

Cientistas da Finlândia desvendaram um paradoxo centenário sobre a transferência de força que ocorre quando a luz atinge a matéria - se você pesquisar nos livros de física, encontrará dois valores diferentes para o momento da luz conforme ela atravessa um meio transparente.

Tipicamente esses valores diferem por um fator de 10, e essa discrepância é conhecida como o paradoxo do momento da luz, ou debate Abraham-Minkowski, que trata de diferentes maneiras de formular o momento linear de um pulso eletromagnético conforme ele atravessa um material. Em 1908, Hermann Minkowski (1864-1909) calculou que o momento de um pulso de luz seria proporcional ao índice de refração; em 1909, Max Abraham (1875-1922) calculou que o mesmo momento seria inversamente proporcional ao índice de refração, o que iniciou um debate secular sobre o tema porque os dois cálculos produzem resultados diferentes.

Agora, Mikko Partanen e seus colegas da Universidade Aalto descobriram que a diferença entre os valores do momento segundo os dois cálculos deriva do fato de que ambos negligenciam o momento dos átomos no material que a luz percorre, átomos estes que se deslocam com o pulso de luz, carregando uma parte do momento.

Eles demonstraram que, em um meio transparente, cada fóton é acompanhado por uma onda de densidade de massa atômica - em outras palavras, o fóton gera uma onda na matéria. A força óptica do fóton coloca os átomos do material em movimento e os faz transportar 92% do momento total da luz, no caso do silício.

Paradoxo do momento da luz

Para resolver o paradoxo do momento da luz, Partanen e seus colegas provaram que a Teoria da Relatividade Especial exige uma densidade atômica extra que viaja com o fóton. Enquanto isso, nas simulações baseadas na física clássica, eles utilizaram o campo de força óptica e a segunda lei de Newton para mostrar que uma onda de densidade de massa atômica crescente se propaga através do meio juntamente com o pulso de luz.

A transferência de massa leva à divisão do momento total da luz em dois componentes. A parcela do campo eletromagnético do momento é igual ao momento de Abraham, enquanto o momento total, que inclui também o momento dos átomos impulsionados pela força óptica, é igual ao momento de Minkowski.

"Como o nosso trabalho é teórico e computacional, ele ainda deve ser verificado experimentalmente antes de se tornar o modelo padrão da luz em um meio transparente. Medir o impulso total de um pulso de luz não é suficiente, também é necessário medir a massa atômica transferida. Isso deve ser viável usando técnicas interferométricas e microscópicas atualmente disponíveis e materiais fotônicos comuns," considerou Partanen.

Solucionado paradoxo da luz: Das tecnologias fotônicas à aceleração do Universo
Os cálculos, que agora precisam ser validados experimentalmente, foram feitos levando em conta tanto a física newtoniana quanto a relatividade. [Imagem: Mikko Partanen et al. - 10.1103/PhysRevA.95.063850]

Da fotomecânica à aceleração do Universo

Se for validado, o trabalho deverá ter impactos teóricos e práticos muito além da mera atualização dos livros de física.

A equipe afirmou que já está trabalhando em possíveis aplicações optomecânicas alimentadas pela onda de choque óptica nos átomos.

Além disso, a teoria não se aplica apenas a líquidos e sólidos transparentes, mas também ao gás interestelar, com sua densidade muito baixa. Segundo Partanen, usando um cálculo cinemático simples é possível demonstrar que a perda de energia causada pelo efeito de transferência de massa no gás interstelar torna-se proporcional à energia do fóton e à distância percorrida pela luz.

"Isso requer novas simulações com parâmetros realistas para a densidade do gás interestelar, as propriedades do plasma e a temperatura. Atualmente, a lei de Hubble é explicada pelo efeito Doppler se tornando maior a partir de estrelas mais distantes. Isso efetivamente dá suporte à hipótese da expansão do Universo. Na teoria da luz [que inclui] a massa dos polaritons esta hipótese não é necessária, uma vez que o deslocamento para o vermelho se torna automaticamente proporcional à distância da estrela ao observador," explicou o professor Jukka Tulkki.

Bibliografia:

Photon mass drag and the momentum of light in a medium. Physical Review A 95. DOI:
Mikko Partanen, Teppo Häyrynen, Jani Oksanen, Jukka Tulkki
Physical Review A
Vol.: 95, 063850
DOI: 10.1103/PhysRevA.95.063850




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