Впервые экспериментально доказано, что свет может толкать жидкость

Когда свет падает на поверхность жидкости, часть света отражается, а оставшийся пучок проходит внутрь среды. Новый эксперимент показал, что поверхность жидкости может изгибаться вовнутрь, а значит, свет толкает среду, в соответствии с теорией Абрахама

Когда свет падает на поверхность жидкости, часть света отражается, а оставшийся пучок проходит внутрь среды. Новый эксперимент показал, что поверхность жидкости может изгибаться вовнутрь, а значит, свет толкает среду, в соответствии с теорией Абрахама
(иллюстрация Zhang, et al.).

(А) Импульс света Минковского: поверхность выпирает под тянущим воздействием света. (B) Импульс света Абрахама: поверхность прогибается под толкающим воздействием пучка излучения

(А) Импульс света Минковского: поверхность выпирает под тянущим воздействием света. (B) Импульс света Абрахама: поверхность прогибается под толкающим воздействием пучка излучения
(иллюстрация Zhang, et al.).

Когда свет падает на поверхность жидкости, часть света отражается, а оставшийся пучок проходит внутрь среды. Новый эксперимент показал, что поверхность жидкости может изгибаться вовнутрь, а значит, свет толкает среду, в соответствии с теорией Абрахама
(А) Импульс света Минковского: поверхность выпирает под тянущим воздействием света. (B) Импульс света Абрахама: поверхность прогибается под толкающим воздействием пучка излучения

Международная команда физиков из Университета Гуанчжоу в Китае и Института Вейцмана в Израиле, работающая во главе с Ульфом Леонхардтом (Ulf Leonhardt) впервые продемонстрировала толкающее давление света на жидкость. Результаты исследования и выводы из своей работы учёные изложили в статье, опубликованной в издании New Journal of Physics.

Дискуссия о природе давления или, как его ещё называют физики, импульса света, восходит к 1908 году. Тогда знаменитый немецкий учёный Герман Минковский  выдвинул гипотезу о том, что свет воздействует на жидкости, такие как масло или вода, притягивая их на себя. Однако в 1909 году физик Макс Абрахам (Max Abraham) опроверг эту гипотезу и теоретически доказал, что свет оказывает толкающее давление на жидкости.

"Учёные спорили на протяжении столетия о природе импульса света и его воздействия на среду. Мы обнаружили, что импульс света не является основной физической величиной, но она проявляется во взаимодействии между светом и материей и зависит от способности света деформировать материю.

Если среда движется под воздействием пучка излучения, то прав Минковский, и свет оказывает тянущее давление. Если же среда неподвижна, то прав Абрахам, и свет оказывает толкающее давление на жидкости", — рассказывает Леонхардт.

Два различных типа давления могут быть идентифицированы экспериментально, путём освещения поверхности жидкости световым лучом. Необходимо только проследить за тем, как ведёт себя жидкость — поднимается или опускается. В первом случае окажется, что свет тянет жидкую среду на себя, а во втором — наоборот. Добавим, что обе теории согласуются в пустом пространстве (когда показатель преломления среды эквивалентен единице), но расходятся в том случае, если показатель преломления больше 1.

В своём эксперименте Леонхардт и его коллеги продемонстрировали, что поверхность жидкости можно заставить изогнуться внутрь, что будет соответствовать толкающему давлению света, и сделать это при помощи относительно широкого пучка излучения в относительно крупном контейнере. Эти два фактора заставляют свет формировать структуру потока в жидкости.

Исследователи показали, что толкающее давление света проявляется как в воде, так и в масле, которые имеют различные показатели преломления. Таким образом им удалось подтвердить теорию Абрахама.

Авторы нового исследования отмечают, что в предыдущих экспериментах их коллеги доказывали лишь правоту Минковского, демонстрируя тянущее давление света. Однако, по их словам, прежде учёные использовали более узкие световые лучи и небольшие контейнеры с жидкостью.

Леонхардт и его команда решили повторить свой эксперимент и, как только они использовали узкий луч и малый контейнер, проявилось тянущее давление света. Это означает, что характер давления зависит не только от света, но и от самой жидкости, поясняют исследователи.

Чтобы понять природу импульса света, Леонхардт предлагает провести аналогию с игрой в бильярд. По его словам, импульс света несколько отличается от него по энергии, и это различие имеет важные аспекты.

"Представьте себе игру в бильярд. Игрок берёт кий и ударяет по белому шару, который, в свою очередь, должен толкнуть шар цветной, а он может толкнуть ещё несколько шаров. Во всей этой цепочке толкающих движений передаётся импульс, изначально сообщённый игроком кию.

Свет также может толкать материю, хотя эти толчки будут микроскопическими, почти незаметными. В некоторых случаях, впрочем, толчки света могут быть очень значительными для среды. К примеру, вспомним хвосты комет.

Великий астроном Иоганн Кеплер предположил сотни лет назад, что хвост кометы — это материя, вытолкнутая с поверхности её ядра светом, поскольку он смотрит всегда в противоположную сторону от Солнца. Сегодня мы знаем, что Кеплер был отчасти прав, так как материя сталкивается солнечным ветром с ядра кометы и формируется хвост.

Так вот, импульсом мы называем способность света приводить материю в движение, и это понятие действительно тесно связано с энергией света, хотя и отличается от него", — поясняет Леонхардт.

Результаты данного исследования имеют как фундаментальное, так и практическое значение для науки. С точки зрения фундаментальных теорий, физики теперь лучше будут понимать природу света. Леонхардт и его коллеги ответили на вопрос о том, увеличивается или уменьшается импульс света с увеличением показателя преломления среды: результат зависит от способности свет привести в механическое движение жидкость, и если пучок света на это способен, то импульс уменьшается, а если нет — то увеличивается.

Что же касается практического значения нового исследования, то оно может пригодиться в развитии инновационной технологии инерциально удерживаемого термоядерного синтеза, которая подразумевает использование силы светового импульса для инициации ядерного синтеза.

Последняя работа также повлияет на оптические технологии в целом, в том числе и на развитие оптических пинцетов и наноинженерии.