In una recente pubblicazione, I ricercatori della Aalto University mostrano che in un mezzo trasparente ogni fotone è accompagnato da un'onda di densità di massa atomica. La forza ottica del fotone mette in movimento gli atomi medi e li fa trasportare il 92% della quantità di moto totale della luce, nel caso del silicio.

La nuova scoperta risolve il paradosso del centenario della luce. Nella letteratura, sono esistiti due diversi valori per la quantità di moto della luce nel mezzo trasparente. Tipicamente, questi valori differiscono di un fattore dieci e questa discrepanza è nota come paradosso del momento della luce. La differenza tra i valori del momento è causata dal trascurare il momento degli atomi che si muovono con l'impulso luminoso.

Per risolvere il paradosso del momento gli autori dimostrano che la teoria della relatività speciale richiede una densità atomica extra per viaggiare con il fotone. Nelle relative simulazioni al computer classiche, usano il campo di forza ottico e la seconda legge di Newton per mostrare che un'onda di maggiore densità di massa atomica si sta propagando attraverso il mezzo con l'impulso luminoso.

Il trasferimento di massa porta alla scissione della quantità di moto totale della luce in due componenti. La quota di quantità di moto dei campi è uguale alla quantità di moto di Abraham mentre la quantità di moto totale, che include anche il momento degli atomi spinti in avanti dalla forza ottica, è uguale alla quantità di moto di Minkowski.

"Poiché il nostro lavoro è teorico e computazionale deve essere ancora verificato sperimentalmente, prima che possa diventare un modello standard di luce in un mezzo trasparente. Non basta misurare la quantità di moto totale di un impulso luminoso, ma bisogna anche misurare la massa atomica trasferita. Ciò dovrebbe essere possibile utilizzando le attuali tecniche interferometriche e microscopiche e materiali fotonici comuni, "dice il ricercatore Mikko Partanen.

Potenziali applicazioni interstellari della scoperta

I ricercatori stanno lavorando su potenziali applicazioni optomeccaniche rese possibili dall'onda d'urto ottica degli atomi prevista dalla nuova teoria. Però, la teoria si applica non solo ai liquidi e ai solidi trasparenti, ma anche al gas interstellare diluito. Utilizzando una semplice considerazione cinematica si può dimostrare che la perdita di energia causata dall'effetto di trasferimento di massa diventa per il gas interstellare diluito proporzionale all'energia del fotone e alla distanza percorsa dalla luce.

"Ciò richiede ulteriori simulazioni con parametri realistici per la densità del gas interstellare, proprietà e temperatura del plasma. Attualmente la legge di Hubble è spiegata dal fatto che lo spostamento Doppler è maggiore rispetto alle stelle lontane. Questo supporta efficacemente l'ipotesi dell'espansione dell'universo. Nella teoria del polaritone di massa della luce questa ipotesi non è necessaria poiché il redshift diventa automaticamente proporzionale alla distanza dalla stella all'osservatore, " spiega il professor Jukka Tulkki.