Когда вы направляете луч фонарика в стакан с водой, свет преломляется. Это простое наблюдение, известное с древних времён, скрывает одну из старейших загадок физики: что происходит с импульсом света, когда он входит в среду?
В квантовой физике свет — это не только волна, но и частица, несущая энергию и импульс. Более века учёные спорят, больше ли импульс света внутри вещества, чем в пустом пространстве, или меньше. Два конкурирующих ответа известны как импульс Минковского (больший и объясняющий, как свет преломляется) и импульс Абрахама (меньший и соответствующий реальному воздействию света на среду).
Споры не утихали, потому что эксперименты подтверждали обе стороны. Одни установки измеряли большее значение импульса Минковского, другие поддерживали Абрахама, оставляя физиков в недоумении.
На первый взгляд, дебаты об импульсе Абрахама и Минковского могут показаться технической перепалкой. Но они затрагивают глубокий вопрос: как мы определяем импульс в системах, где волны и частицы переплетаются? Ответ формирует не только наше понимание фундаментальной физики, но и технологии, такие как оптические пинцеты, лазерное охлаждение и фотонные устройства, основанные на точном управлении взаимодействием света и вещества.
Когда я начал этот проект, я поставил перед собой цель пересмотреть эту столетнюю полемику. Я обнаружил, что решение заключается не в выборе между Абрахамом и Минковским, а в признании того, что оба правы — как только мы учитываем спин в картине. Моя работа опубликована в журнале Physical Review A.
Спин — это внутреннее «вращение» световых волн, квантовое свойство, столь же фундаментальное, как энергия или импульс. Проецируя импульс на спин, я нашёл единое описание: импульс Минковского соответствует величине этого спин-проектируемого импульса, в то время как импульс Абрахама — это его математическое ожидание — среднее значение, которое фактически приводит в движение и напрямую связано с силой Лоренца, действующей на среду.
Это переосмысливает проблему: Абрахам и Минковский — не соперники, а дополняющие друг друга аспекты одной и той же структуры спин-импульса.
Чтобы получить этот результат, я написал уравнения движения света в среде в форме, аналогичной знаменитому уравнению Дирака, которое описывает релятивистские квантовые частицы.
Этот подход делает спин хорошим квантовым числом для света, позволяя нам чётко различать роли импульса Минковского и Абрахама. Он также предсказывает дрожание света — колебание, подобное зитербевегунг, которое давно связывают с дираковскими частицами, такими как электроны.
Для меня этот путь был не только о решении столетней загадки. Он показывает, как давние вопросы в физике иногда можно переосмыслить, взглянув на них через призму более глубокой симметрии — в данном случае спина света.
Что меня больше всего волнует, так это то, что эта структура наконец объединяет две точки зрения. Вместо того чтобы Абрахам и Минковский находились в конфликте, они описывают разные аспекты одной и той же основополагающей структуры. Свет преломляется, толкает и даже дрожит. Его спин связывает эти явления, соединяя геометрию преломления с механикой передачи импульса.
Для меня это подтверждает нечто глубокое: свет, хотя и описывается как волна, несёт в себе отчётливо корпускулярные свойства.
Эта статья является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных исследовательских статей.
Adam B. Cahaya — доцент кафедры физики в Университете Индонезии. Исследования Кахайи сосредоточены на теоретической физике конденсированных сред с особым акцентом на динамику спина.
Кахайя получил степень бакалавра, магистра и доктора наук в области физики в Университете Тохоку, Япония, где изучал динамику спина и их роль в спинтронных устройствах следующего поколения. С тех пор работа Кахайи расширилась и теперь включает исследование квантовых явлений и динамики спина в наноразмерных системах конденсированных сред — не только спина движущихся электронов, но и поведения магнонов и фотонов.