Il cambiamento di momento simile all'attrito scoperto nel nuovo studio può essere modellato da un dispositivo in movimento che emette fotoni in direzioni opposte. Un osservatore può misurare le frequenze dei fotoni, e usando l'effetto Doppler, calcolerà una variazione di quantità di moto ma nessuna variazione di velocità. Credito:Sonnleitner et al. ©2017 American Physical Society
(Phys.org)—Quando tre fisici hanno scoperto per la prima volta attraverso i loro calcoli che un atomo in decadimento che si muove nel vuoto sperimenta una forza simile all'attrito, erano molto sospettosi. I risultati sembravano andare contro le leggi della fisica:il vuoto, per definizione, è uno spazio completamente vuoto e non esercita attrito sugli oggetti al suo interno. Ulteriore, se è vero, i risultati contraddirebbero il principio di relatività, poiché implicherebbero che osservatori in due sistemi di riferimento diversi vedrebbero l'atomo muoversi a velocità diverse (la maggior parte degli osservatori vedrebbe l'atomo rallentare a causa dell'attrito, ma un osservatore che si muove con l'atomo non lo farebbe).
Scrivendo in Lettere di revisione fisica , i fisici Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann, e Stephen M. Barnett dell'Università di Glasgow sapevano che qualcosa doveva essere sbagliato, ma all'inizio non erano sicuri di cosa.
"Abbiamo passato anni a cercare l'errore nel calcolo e abbiamo passato ancora più tempo ad esplorare altri strani effetti finché non abbiamo trovato questa soluzione (piuttosto semplice), "Sonnleitner ha detto Phys.org .
I fisici alla fine si sono resi conto che il pezzo mancante del puzzle era una piccola quantità di massa extra chiamata "difetto di massa", una quantità così piccola che non è mai stata misurata in questo contesto. Questa è la massa nella famosa equazione di Einstein E =mc 2 , che descrive la quantità di energia necessaria per scomporre il nucleo di un atomo nei suoi protoni e neutroni. Questa energia, chiamata "energia di legame interna, " è regolarmente contabilizzato nella fisica nucleare, che si occupa di maggiori energie di legame, ma è tipicamente considerato trascurabile nel contesto dell'ottica atomica (il campo qui) a causa delle energie molto più basse.
Questo sottile ma importante dettaglio ha permesso ai ricercatori di dipingere un quadro molto diverso di ciò che stava accadendo. Come un atomo in decadimento si muove attraverso il vuoto, sperimenta davvero una sorta di forza simile all'attrito. Ma una vera forza di attrito farebbe rallentare l'atomo, e questo non è quello che sta succedendo.
Quello che sta realmente accadendo è che, poiché l'atomo in movimento perde un po' di massa mentre decade, perde slancio, non velocità. Per spiegare più in dettaglio:Sebbene il vuoto sia vuoto e non eserciti alcuna forza sull'atomo, interagisce ancora con l'atomo, e questa interazione provoca il decadimento dell'atomo eccitato. Quando l'atomo in movimento decade a uno stato energetico inferiore, emette fotoni, facendogli perdere un po' di energia corrispondente ad una certa quantità di massa. Poiché la quantità di moto è il prodotto di massa e velocità, la diminuzione della massa fa sì che l'atomo perda un po' di momento, proprio come previsto in base alla conservazione dell'energia e della quantità di moto nella relatività ristretta. Quindi, mentre la massa dell'atomo (energia) e la quantità di moto diminuiscono, la sua velocità rimane costante.
Questa immagine risolve entrambi i problemi precedenti:non ci sono forze che agiscono tra il vuoto e l'atomo, e due osservatori in sistemi di riferimento diversi vedrebbero entrambi l'atomo muoversi alla stessa velocità costante, anche se l'atomo perderebbe slancio a causa del decadimento.
"In linea di principio, la fisica alla base del nostro lavoro è nota da tempo, quindi il nostro risultato è di importanza piuttosto concettuale:abbiamo mostrato che il modello di grande successo generalmente utilizzato per descrivere l'interazione tra atomi e luce può dare questo strano cambiamento di momento simile a un attrito, " ha detto Sonnleitner. "Questo risultato può essere spiegato solo quando includiamo l'equivalenza tra massa ed energia. Ma poiché non ci si aspetterebbe che questo aspetto della relatività ristretta (E =mc 2 ) gioca effettivamente un ruolo nelle interazioni atomo-luce a queste basse energie, questo non è stato incluso nel modello. Quindi questo puzzle ha mostrato come un pezzo di relatività speciale entri inaspettatamente in un modello ben studiato e di grande successo dall'ottica quantistica (non relativistica).
L'effetto è probabilmente la prima volta che l'energia di legame interna di un atomo ha fatto una differenza così significativa in un contesto ottico quantistico. I fisici sottolineano che l'effetto non si limita all'emissione spontanea di un fotone, ma che si verifica ogni volta che un atomo cambia la sua energia interna, come quando emette o assorbe un fotone. Ma in questi casi, l'atomo vedrà anche forze reali dipendenti dalla velocità, che nasconderebbe l'effetto qui discusso. Per ora, misurando sperimentalmente l'effetto non è probabile, poiché l'energia coinvolta è di circa tre ordini di grandezza inferiore a quella che può essere rilevata dalle attuali tecniche di misurazione più precise.
Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di indagare sull'impatto che questo effetto può avere sul modello convenzionale delle interazioni atomo-luce.
"Cercheremo di estendere il modello di successo attualmente utilizzato per descrivere le interazioni atomo-luce per includere la possibilità di una massa variabile, " Disse Sonnleitner. "Naturalmente questa sarà solo una piccola correzione, ma dovrebbe aiutare a completare il quadro. Non è mai sbagliato rivisitare, ripensare e, se necessario, modificare una teoria consolidata."
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