Svetloba obarva svet, a ga tudi premika

Če vzamemo zalet in se z vso silo zaletimo v zid, bomo še kako občutili, da se je z nasprotno enako silo v nas zaletel tudi zid. Tretji Newtonov zakon, saj se spomnimo, mar ne? A te predstave brž postanejo precej manj jasne, ko enega od trkajočih predmetov zamenja svetloba. Ta namreč pri potovanju skozi prostor prej ali slej trči ob kak predmet, ki se na trk odzove.

Nemški astronom Johannes Kepler je že na začetku 17. stoletja razmišljal o tem, da Sonce oziroma njegova svetloba povzroča neko silo na predmete, ob katere trči. In da je prav ta svetlobni tlak kriv za to, da imajo kometi dva repa in da sta vedno usmerjena proč od Sonca. Škot James Clerk Maxwell je leta 1873 prvi zapisal, da je svetloba elektromagnetno valovanje, ki pa s seboj nosi tudi svojo gibalno količino, to je sposobnost povzročiti gibanje, čeprav so njegovi nosilci fotoni brez mase.



Danes vemo, da se ob takem trku na snov prenese energija, poleg nje pa še gibalna količina, če se telo premakne, in vrtilna količina, če se zavrti. Prav tako vemo, kolikšna je skupna sila, ki deluje na snov, ne pa tudi, kako so sile razporejene po njej. Sto petdeset let po Maxwellovih dognanjih so sodobni laboratoriji dovolj opremljeni, da je vse to mogoče izmeriti. Ker je gibalna količina svetlobe tako majhna, je za njeno merjenje potrebna zelo občutljiva oprema, ki prej še ni bila na voljo.

Zrcalce, zrcalce na steni, povej ...

Prav te naloge, torej, kako so sile ob trku svetlobe s snovjo razporejene po materialu, so se lotili raziskovalci Tomaž Požar, Jernej Laloš, Aleš Babnik in Rok Petkovšek z ljubljanske fakultete za strojništvo, v sodelovanju s še tremi znanstvenimi ustanovami iz Kanade in Brazilije.



Interakcijo svetlobe s trdno snovjo z vidika prenosa gibalne količine so merili s posebnim zrcalom, opremljenim z akustičnimi tipali in izoliranim, da so zunanje motnje kar najmanj vplivale na rezultate. Ker gibalne količine svetlobe ni mogoče izmeriti neposredno, so z laserskimi pulzi obstreljevali površino zrcala in prisluškovali elastičnim valovom, ki so nastali ob trku in potovali po površini in notranjosti zrcala.

Ob trku svetlobe v mirujoč predmet se po njegovi površini sprožijo koncentrični valovi, podobni tistim, ki jih povzroči kamenček, ko ga vržemo v ribnik, oziroma po obliki še bolj podobni tistim, ki nastanejo pri trku kometa z Zemljo, saj je valovanje v trdninah še bolj raznoliko kot v kapljevinah. Zrcalo so v poskusu uporabili zato, ker v nasprotju z drugimi snovmi, ki svetlobo delno absorbirajo, skoraj vso odbije nazaj v prostor in se pri tem le zanemarljivo segreje.

Več teorij, nobena preverjena

Za kako nepredstavljivo majhne učinke gre, ponazori podatek, da je vsak laserski blisk trajal samo nekaj milijardink sekunde, ob trku svetlobe v zrcalo pa so atomi v njem zanihali za manj kot stotinko svojega premera. Z merjenjem teh premikov so znanstveniki ugotovili, kako se gibalna količina, ki jo s sabo nosi svetloba, prenese na trdno snov. O tem sicer obstajajo različne hipoteze oziroma klasične teorije elektromagnetizma, od katerih vsaka govori o drugačni razporeditvi optičnih sil, ki ob trku svetlobe v trdno snov povzročijo različne odzive v obliki valov.

Prav to je bil eden ključnih motivov za eksperiment, pravi vodja raziskave Tomaž Požar: »Maxwell je svoja prvotna dognanja objavil pred skoraj 150 leti in čas je, da izmed sodobnih različic klasične teorije elektromagnetizma končno izberemo tisto, ki najbolje opiše eksperimentalna opažanja. Vsi ti formalizmi, ki govorijo o tem, kako se energija, gibalna in vrtilna količina prenašajo iz svetlobe na snov in obratno – obstaja vsaj pet takih, ki jih pogosto uporabljamo – so skladni z Maxwellom in vsi ponudijo enako skupno silo, ki deluje na objekt. Razlikujejo se le v porazdelitvi teh sil v času in prostoru. In mi smo bili prvi, ki nam je z zaznavanjem elastičnih valov uspelo izmeriti to porazdelitev.«

Elastični valovi, ki jih trk svetlobe povzroči, so namreč različni za različne formalizme. In če znamo valove izmeriti, dobimo razlago, kako svetloba vpliva na snov. Kot pravi Požar: »Svetloba pusti prstni odtis, ko se od česa odbije. Temu prstnemu odtisu se da akustično prisluhniti in ga izmeriti. Podobno kot počnejo v medicini z diagnostičnim ultrazvokom.«

Svetlobna pinceta

Kaj pa praktična uporaba njihovega poskusa? En tak primer je miniaturna optična pinceta, s katero lahko ob pomoči gibalne količine svetlobe premikamo majhne predmete, ki jih, denimo, opazujemo pod mikroskopom. Postopek premikanja objektov z optično pinceto je znan že nekaj časa, podroben opis deformacij in vibracij teh predmetov, ki jih pri premikanju povzroči svetloba, pa še nima ustreznega konsenza.

Primerov je še kar nekaj; dognanja raziskave bodo lahko s pridom uporabili pri uporabi laserjev v medicini. Za zdaj so zadovoljni, da so oblikovali celotno metodo, ki bo omogočala nadaljnje raziskave. Da gre za res veliko reč, priča tudi veliko zanimanje znanstvene skupnosti, potem ko je bil članek o raziskavi objavljen v ugledni znanstveni reviji Nature Communications.