VAKUMDAKİ SÜRTÜNME?

     vakumdaki sürtünme

    Yeni çalışmada keşfedilen momentumdaki sürtünme benzeri değişim, fotonları zıt yönlerde yayan bir hareketli cihazla modellenebilir. Bir gözlemci foton frekanslarını ölçebilir ve Doppler efektini kullanarak momentumda bir değişiklik hesaplar, ancak hızında bir değişiklik hesaplamaz.

         Glasgow Üniversitesi'ndeki fizikçiler Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann ve Stephen M. Barnett bir şeylerin yanlış olduğunu biliyordu, ancak başlangıçta ne olduğundan emin değildi.

         Bu üç fizikçi, hesaplamaları yoluyla, vakum boyunca hareket eden bir atomun sürtünme benzeri bir kuvvetle karşılaştığını keşfettiklerinde, son derece şüphe uyandırdı. Sonuçlar, fizik kanunlarına aykırı görünüyordu: Vakum, tanımı gereği, tamamen boş alan ve içindeki nesneler üzerinde sürtünme uygulamaz. Dahası, eğer doğruysa sonuçlar, iki farklı referans çerçevesindeki gözlemcilerin, atomun farklı hızlarda hareket ettiğini gördüklerini ima edeceği için göreceliğin ilkesine ters düşerdi (Çoğu gözlemci sürtünmeden dolayı atomun yavaşlayarak ilerlemekte olduğunu görürdü, fakat atomla beraber hareket eden bir gözlemci ise bu şekilde görmez).

         Sonnleitner; “Yıllarca hesaplamadaki hataları aradık ve bundan daha bir uzun bir süre ise garip etkileri keşfetmeye harcadık, ta ki bu çözümü buluncaya kadar” dedi.

         Fizikçiler sonuçta, eksik bulmaca parçasının, "kütle defekti" olarak adlandırılan az miktarda ekstra kütle olduğunu buldular; bu bağlamda hiç ölçülmemiş bir miktar. Einstein'ın E = mc2 adlı ünlü denklemindeki kütle, bir atomun çekirdeğini protonlarına ve nötronlarına ayırmak için gereken enerjiyi ifade eder. "İç bağlama enerjisi" olarak adlandırılan bu enerji, daha büyük bağlanma enerjileri ile uğraşan nükleer fizikte düzenli olarak hesaplanır, ancak atom optiği bağlamında, çok daha düşük enerjiler nedeniyle genellikle ihmal edilebilir olarak kabul edilir.

         Bu ince ancak önemli detay araştırmacıların neler olup bittiğinin çok farklı bir resmini yapmasına izin verdi. Parçalanmayan bir atom vakum boyunca hareket ettiğinde, sürtünmeye benzeyen bir tür kuvvet etki eder. Ancak gerçek bir sürtünme kuvveti atomun yavaşlamasına neden olur ve olan bu değildi.

         Gerçekten olan şey, hareketli atomun az miktarda kütle kaybediyor olması nedeniyle hızın değil momentum kaybediyor olmasıdır. Daha ayrıntılı olarak açıklamak gerekirse: Vakum boş olsa ve atom üzerinde herhangi bir kuvvet uygulamazsa da, atomla etkileşim halindedir ve bu etkileşim, uyarılan atomun parçalanmasına neden olur. Hareket eden atom daha düşük bir enerji durumuna düştüğünde, belirli bir miktarda kaybedilen kütleye karşılık gelen enerjiye eşit miktarda fotonlar yayar. Momentum, kütle ve hızın bir ürünü olduğundan, kütlenin azalması, özel görelilikte enerji ve momentumun korunumuna göre beklendiği gibi, atomun biraz momentum kaybetmesine neden olur. Böylece atomun kütlesi (enerjisi) ve momentum azalırken, hızı sabit kalır.

         Bu resim, önceki iki sorunu da giderir: Vakum ile atom arasında etkiyen bir kuvvet yoktur ve farklı referans konumlarında ki iki gözlemci, hem atomun aynı sabit hızda hareket ettiğini, hem de atomun parçalanma nedeniyle momentumunu kaybettiğini görür.

         Sonnleitner; "Prensipte, eserimizin altında yatan fizik uzun zamandan beri bilinmektedir, sonuçlarımız kavramsal olarak önemlidir: Atomlar ve ışık arasındaki etkileşimi tanımlamak için genellikle kullanılan çok başarılı modelin momentumdaki bu garip sürtünme benzeri değişimi sağlayabileceğini gösterdik" dedi. "Bu sonuç ancak kütle ve enerji arasındaki denkliği dahil ettiğimizde açıklanabilir: Ancak, bu özel enerjinin (E = mc2) bu düşük enerjide atom-ışık etkileşiminde rol oynaması beklenmediğinden, modele dahil edilmemiştir. Bu bulmaca, bazı özel göreliliğin (relativistik olmayan) kuantum optiklerinden beklenmedik bir biçimde iyi çalışılan ve çok başarılı bir modele nasıl girdiğini gösterdi."

         Muhtemelen, bir atomun iç bağlayıcı enerjisinin kuantum optik bağlamda böyle önemli bir fark oluşturduğu ilk gözlemdir. Fizikçiler, etkinin bir fotondaki spontan emisyonla sınırlı olmadığını, ancak bir atomun kendi iç enerjisini değiştirdiği her durumda meydana geldiğini vurguluyor. Örneğin bir fotonu yayarken veya emerken. Ancak bu durumlarda atom, burada tartışılan etkiyi gizleyecek gerçek hız bağımlı kuvvetleri de görecektir. Şimdilik, etkinin deneysel olarak ölçülmesi muhtemel değil.

         Gelecekte, araştırmacılar, bu etkinin atom-ışık etkileşimleri konvansiyonel modeli üzerindeki etkisini araştırmayı planlıyor.

         Sonnleitner, atom-ışık etkileşimlerini değişen bir kitle olasılığını da içerecek şekilde tanımlamak için şu anda kullanılan başarılı modeli genişletmeye çalışacağız 'dedi. "Tabii ki bu sadece küçük bir düzeltme olacak, ancak resmin tamamlanmasına yardımcı olmacak. Yerleşik bir kuramı gözden geçirmek, tekrar düşünmek ve gerekirse kurcalamak asla yanlış değildir."

    More information: Matthias Sonnleitner et al. "Will a Decaying Atom Feel a Friction Force?" Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.053601

    Çeviri: Celal DEMİRTAŞ

    Referens Dergi: Physical Review Letters

    Yayınlama tarihi: 22.02.2017

.
.