A mudança no momento do tipo fricção descoberta no novo estudo pode ser modelada por um dispositivo móvel que emite fótons em direções opostas. Um observador pode medir as frequências de fótons, e usando o efeito Doppler, irá calcular uma mudança no momento, mas nenhuma mudança na velocidade. Crédito:Sonnleitner et al. © 2017 American Physical Society
(Phys.org) —Quando três físicos descobriram pela primeira vez, por meio de seus cálculos, que um átomo em decomposição movendo-se no vácuo experimenta uma força semelhante ao atrito, eles eram altamente suspeitos. Os resultados pareciam ir contra as leis da física:o vácuo, por definição, é um espaço completamente vazio e não exerce atrito sobre os objetos dentro dele. Avançar, se for verdade, os resultados iriam contradizer o princípio da relatividade, uma vez que implicariam que os observadores em dois referenciais diferentes veriam o átomo se movendo em velocidades diferentes (a maioria dos observadores veria o átomo desacelerar devido ao atrito, mas um observador movendo-se com o átomo não o faria).
Escrevendo em Cartas de revisão física , os físicos Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, e Stephen M. Barnett, da Universidade de Glasgow, sabia que algo devia estar errado, mas a princípio eles não tinham certeza do quê.
"Passamos muito tempo procurando o erro no cálculo e gastamos ainda mais tempo explorando outros efeitos estranhos até encontrarmos esta solução (bastante simples), "Sonnleitner disse Phys.org .
Os físicos finalmente perceberam que a peça que faltava no quebra-cabeça era um pequeno pedaço extra de massa chamado de "defeito de massa" - uma quantidade tão pequena que nunca foi medida neste contexto. Esta é a massa na famosa equação de Einstein E =mc 2 , que descreve a quantidade de energia necessária para quebrar o núcleo de um átomo em seus prótons e nêutrons. Esta energia, chamada de "energia de ligação interna, "é regularmente contabilizado na física nuclear, que lida com energias de ligação maiores, mas normalmente é considerado insignificante no contexto da óptica do átomo (o campo aqui) por causa das energias muito mais baixas.
Esse detalhe sutil, mas importante, permitiu aos pesquisadores pintar um quadro muito diferente do que estava acontecendo. À medida que um átomo em decomposição se move através do vácuo, realmente experimenta algum tipo de força semelhante ao atrito. Mas uma verdadeira força de atrito faria com que o átomo diminuísse, e não é isso que está acontecendo.
O que realmente está acontecendo é que, uma vez que o átomo em movimento perde um pouquinho de massa à medida que decai, perde força, não velocidade. Para explicar com mais detalhes:embora o vácuo esteja vazio e não exerça nenhuma força sobre o átomo, ainda interage com o átomo, e essa interação faz com que o átomo excitado decaia. À medida que o átomo em movimento decai para um estado de energia inferior, emite fótons, fazendo com que perca um pouco de energia correspondente a uma certa quantidade de massa. Uma vez que o momento é o produto da massa e da velocidade, a diminuição da massa faz com que o átomo perca um pouco de momentum, exatamente como esperado de acordo com a conservação de energia e momento na relatividade especial. Assim, enquanto a massa (energia) e o momento do átomo diminuem, sua velocidade permanece constante.
Esta imagem resolve os dois problemas anteriores:não há forças agindo entre o vácuo e o átomo, e dois observadores em diferentes referenciais veriam o átomo se movendo na mesma velocidade constante, mesmo que o átomo perca impulso devido à decomposição.
"Em princípio, a física subjacente ao nosso trabalho é conhecida há muito tempo, portanto, nosso resultado é de importância bastante conceitual:mostramos que o modelo muito bem-sucedido geralmente usado para descrever a interação entre os átomos e a luz pode dar essa estranha mudança de momento semelhante à fricção, "Sonnleitner disse." Este resultado só pode ser explicado quando incluímos a equivalência entre massa e energia. Mas uma vez que não se esperaria que este aspecto da relatividade especial (E =mc 2 ) realmente desempenha um papel nas interações átomo-luz nessas baixas energias, isso não foi incluído no modelo. Portanto, este quebra-cabeça mostrou como alguma peça da relatividade especial inesperadamente entra em um modelo bem estudado e muito bem-sucedido da ótica quântica (não relativística). "
O efeito é provavelmente a primeira vez que a energia de ligação interna de um átomo fez uma diferença tão significativa em um contexto óptico quântico. Os físicos enfatizam que o efeito não se limita à emissão espontânea de um fóton, mas que ocorre sempre que um átomo muda sua energia interna, como ao emitir ou absorver um fóton. Mas, nesses casos, o átomo também verá forças dependentes da velocidade real, que esconderia o efeito discutido aqui. Por enquanto, medir experimentalmente o efeito não é provável, uma vez que a energia envolvida é aproximadamente três ordens de magnitude menor do que o que pode ser detectado pelas técnicas de medição mais precisas de hoje.
No futuro, os pesquisadores planejam investigar que impacto esse efeito pode ter no modelo convencional de interações átomo-luz.
"Tentaremos estender o modelo de sucesso atualmente usado para descrever as interações átomo-luz para incluir a possibilidade de uma massa variável, "Sonnleitner disse." Claro que esta será apenas uma pequena correção, mas deve ajudar a completar o quadro. Nunca é errado revisitar, repensar e, se necessário, ajustar uma teoria estabelecida. "
© 2017 Phys.org
