Em uma publicação recente, Pesquisadores da Universidade de Aalto mostram que em um meio transparente cada fóton é acompanhado por uma onda de densidade de massa atômica. A força óptica do fóton coloca os átomos médios em movimento e os faz transportar 92% do momento total da luz, no caso do silício.

A nova descoberta resolve o paradoxo centenário do momentum da luz. Na literatura, existiram dois valores diferentes para o momento da luz no meio transparente. Tipicamente, esses valores diferem por um fator de dez e essa discrepância é conhecida como o paradoxo do momento da luz. A diferença entre os valores do momento é causada pela negligência do momento dos átomos que se movem com o pulso de luz.

Para resolver o paradoxo do momento, os autores provam que a teoria da relatividade especial requer uma densidade atômica extra para viajar com o fóton. Em simulações clássicas de computador relacionadas, eles usam o campo de força óptico e a segunda lei de Newton para mostrar que uma onda de densidade de massa atômica aumentada está se propagando através do meio com o pulso de luz.

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

"Como nosso trabalho é teórico e computacional, ele ainda deve ser verificado experimentalmente, antes de se tornar um modelo padrão de luz em um meio transparente. Medir o momento total de um pulso de luz não é suficiente, mas também é preciso medir a massa atômica transferida. Isso deve ser viável usando técnicas interferométricas e microscópicas atuais e materiais fotônicos comuns, “diz o pesquisador Mikko Partanen.

Potenciais aplicações interestelares da descoberta

Os pesquisadores estão trabalhando em possíveis aplicações optomecânicas habilitadas pela onda de choque óptico de átomos prevista pela nova teoria. Contudo, a teoria se aplica não apenas a líquidos e sólidos transparentes, mas também a diluir o gás interestelar. Usando uma consideração cinemática simples, pode-se mostrar que a perda de energia causada pelo efeito de transferência de massa torna-se para o gás interestelar diluído proporcional à energia do fóton e à distância percorrida pela luz.

"Isso leva a novas simulações com parâmetros realistas para a densidade do gás interestelar, propriedades do plasma e temperatura. Atualmente, a lei de Hubble é explicada pelo deslocamento Doppler sendo maior em relação a estrelas distantes. Isso efetivamente apóia a hipótese de expansão do universo. Na teoria de massa polariton da luz, esta hipótese não é necessária, uma vez que o desvio para o vermelho torna-se automaticamente proporcional à distância da estrela ao observador, "explica o professor Jukka Tulkki.