Радиационное давление с отдачей. Ученые доказали 90-летнюю теорию

Еще в 16 веке великий ученый Йоханнес Кеплер предположил, что солнечный свет оказывал определенное давление, поскольку хвост комет, которые он наблюдал, неизменно указывал в сторону от солнца. В 2010 году японский космический зонд Ikaros впервые использовал солнечный парус, чтобы использовать силу солнечного света и набрать небольшую скорость.

Физически и интуитивно, давление света или излучения может быть объяснено характеристикой частиц света: легкие частицы (фотоны) ударяют атомы тела и передают часть своего собственного импульса (массы, умноженной на скорость) на это тело, которое таким образом становится быстрее.

Однако, когда в 20-м веке физики изучали этот перенос импульса в лаборатории во время экспериментов на фотонах с определенной длиной волны, которые выбивали отдельные электроны из атомов, они встретились с удивительным явлением: импульс выброшенного электрона был больше, чем у фотон, который ударил его. Это на самом деле невозможно - со времен Исаака Ньютона было известно, что в системе для каждой силы должна существовать равная, но противоположная сила: отдача, так сказать. По этой причине немецкий ученый Арнольд Зоммерфельд в 1930 году пришел к выводу, что дополнительный импульс выброшенного электрона должен исходить от атома, который он оставил. Этот атом должен лететь в противоположном направлении; другими словами, к источнику света, Однако это было невозможно измерить с помощью инструментов, доступных в то время.

Девяносто лет спустя физики в команде докторанта Свена Грундмана и профессора Рейнхарда Дёрнера из Института ядерной физики впервые смогли измерить этот эффект с помощью реакционного микроскопа COLTRIMS, разработанного во Франкфуртском университете им. Гёте. Для этого они использовали рентгеновские лучи на ускорителях DESY в Гамбурге и ESRF во французском Гренобле, чтобы выбивать электроны из молекул гелия и азота. Они выбрали условия, которые потребовали бы только один фотон на электрон. В реакционном микроскопе COLTRIMS они смогли определить импульс выброшенных электронов и заряженных атомов гелия и азота, которые называются ионами, с беспрецедентной точностью, пишет phys.org.

Профессор Рейнхард Дёрнер объясняет:

«Мы смогли не только измерить импульс иона, но и увидеть, откуда он взялся, а именно - по отдаче выброшенного электрона. Если фотоны в этих столкновительных экспериментах имеют низкую энергию, импульсом фотона может быть пренебрегают для теоретического моделирования. Однако при высоких энергиях фотонов это приводит к неточности. В наших экспериментах нам теперь удалось определить энергетический порог для момента, когда импульсом фотона больше нельзя пренебрегать. Наш экспериментальный прорыв позволяет нам теперь ставить много дополнительных вопросов, например, что меняется, когда энергия распределяется между двумя или более фотонами».