Dopiero teraz, po latach niepewności, rozwiązanie tej zagadki przyszło z nieoczekiwanej strony. Adam B. Cahaya z Uniwersytetu Indonezyjskiego włączył do równań element, który wcześniej konsekwentnie pomijano — spin światła. Jego badania opublikowane teraz w periodyku Physical Review A sugerują, że obie konkurencyjne teorie były prawidłowe, tyle że opisywały różne aspekty tego samego zjawiska.
Paradoks dwóch konkurencyjnych teorii
Spór sięga początków XX wieku, kiedy to Hermann Minkowski i Max Abraham zaproponowali odmienne sposoby obliczania pędu światła w materii. Podczas gdy teoria Minkowskiego przewidywała wzrost pędu w ośrodku materialnym, Abraham obstawał przy jego zmniejszeniu. Co ciekawe, obaj mieli solidne argumenty poparte obserwacjami.
Różnica między tymi teoriami nie była jedynie akademicką ciekawostką. Pęd w ujęciu Minkowskiego doskonale wyjaśniał znane od starożytności zjawisko załamania światła. Z kolei podejście Abrahama lepiej opisywało rzeczywisty nacisk wywierany przez światło na materiał. Paradoks polegał na tym, że różne eksperymenty potwierdzały raz jedną, raz drugą wartość, pozostawiając fizyków w niepewności co do podstawowej natury światła.
Spin światła jako brakujący element układanki
Cahaya podszedł do problemu w nowatorski sposób. Zamiast wybierać między teoriami, postanowił uwzględnić właściwość światła często pomijaną w tych rozważaniach — spin. Ta kwantowa cecha, będąca rodzajem wewnętrznego “obrotu” fal świetlnych, okazała się kluczowa.
Badacz zapisał równania ruchu światła w ośrodku w formie przypominającej słynne równanie Diraca. Gdy uwzględnił rzutowanie pędu na spin, odkrył spójny opis łączący obie teorie. Okazało się, że pęd Minkowskiego odpowiada wielkości tego rzutowanego pędu, podczas gdy pęd Abrahama reprezentuje jego wartość oczekiwaną. Ten drugi bezpośrednio wiąże się z siłą Lorentza działającą na ośrodek.
Model przewiduje także fascynujące zjawisko przypominające drżący ruch, wcześniej obserwowany jedynie u elektronów. Te wewnętrzne dynamiki mogą stać się obserwowalne poprzez badanie ruchu pakietów falowych lub pomiary wrażliwe na polaryzację.
Praktyczne znaczenie odkrycia
Rozwiązanie tej długotrwałej zagadki ma znaczenie wykraczające poza czysto teoretyczne rozważania. Pęsety optyczne, które wykorzystują światło do manipulowania mikroskopijnymi obiektami, opierają się na precyzyjnej kontroli pędu fotonów. Lepsze zrozumienie tej właściwości może przełożyć się na poprawę ich dokładności.
Technologie takie jak chłodzenie laserowe, kluczowe dla rozwoju komputerów kwantowych, również polegają na transferze pędu między światłem a atomami. Nowe ramy teoretyczne mogą przyczynić się do osiągnięcia jeszcze niższych temperatur. Urządzenia fotoniczne, przetwarzające informację za pomocą światła, wymagają precyzyjnego sterowania interakcjami światło-materia, co może zyskać na lepszym zrozumieniu tych mechanizmów.
Czytaj także: Materia powstaje ze światła? Naukowcy znaleźli na to najmocniejszy eksperymentalny dowód, jaki dotychczas przedstawiono
Odkrycie rzuca nowe światło na fundamentalny dualizm korpuskularno-falowy światła. Choć światło można opisać jako falę, nosi ono wyraźnie cząsteczkowy charakter. Spin łączy geometrię załamania z mechaniką transferu pędu, pokazując, jak różne aspekty natury światła są ze sobą powiązane.
Rozwiązanie problemu, który nurtował fizyków przez ponad stulecie, pokazuje, że czasem odpowiedź kryje się w głębszych symetriach, które wcześniej umykały uwadze. Światło nie tylko się załamuje i wywiera nacisk, ale również “drży”, a jego spin łączy wszystkie te zachowania w spójną całość. To przypomina nam, że nawet najbardziej podstawowe zjawiska mogą skrywać niespodzianki, czekające na swoje odkrycie.