Slovenia
An article was changed on the original website

S svetlobnim kladivom povzročili potresu podobne valove

Svetlobno "kladivo" je v tarči sprožilo valovanje. Foto: Tomaž Požar

Računalniška simulacija valovanja (z modro) skoraj povsem sovpada z izmerjeno (rdeča). Foto: Tomaž Požar

Požar je koordiniral mednarodno ekipo raziskovalcev. Foto: Tomaž Požar

Strojna

Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani decembra 2010. Foto: BoBo/Bor Slana

Svetloba je valovanje električnega in magnetnega polja, njegovi nosilci so osnovni delci fotoni. Foto: MIT/Christine Daniloff

Breakthrough Starshot

Svetlobni tlak bodo nekoč uporabljali za potovanja po vesolju. Na podobi je koncept projekta Starshot, ki naj bi zaživel v nekaj desetletjih. Do zdaj so vesoljska jadra uporabili enkrat, pri japonski sondi IKAROS. Svetlobni pritisk pa morajo upoštevati tudi pri drugih potovanjih, saj preusmerja. Foto: Breakthrough Starshot

Tomaž Požar je fizik in strojnik. Na ljubljanski fakulteti za strojništvo dela že dlje časa, najprej kot mladi raziskovalec, zdaj kot docent. Večinoma se je ukvarjal z uporabnimi vidiki interakcije svetloba-snov, kjer je, med drugim, raziskoval laserski ultrazvok. Začel je z ablativnim, nato s termoelastničnim ultrazvokom, zdaj pa se ukvarja z najtišjim ultrazvokom, ki ga povzroči zgolj svetlobni tlak. Dela kot pedagog, precej časa koristi za reševanje konkretnih problemov za industrijo, "kar pa malega časa še ostane", potroši za bazične raziskave, kot je pričujoča – temu rad nameni tudi svoje večere, ko njegova družina že spi, na drugi strani Zemlje pa so kolegi raziskovalci ravno v službi.

Sodelovali so tudi kanadski, brazilski znanstveniki

Raziskovalci z ljubljanske fakultete za strojništvo so v sodelovanju s institucijami iz Kanade in Brazilije uspeli prisluškovati svetlobnim odbojem. Njihovo raziskavo uvrščajo med poskuse, ki so "potisnili klasično znanost čez obzorje".

Davnega leta 1607 je Nemec Johannes Kepler, eden izmed znanstvenih pionirjev, opazoval Halleyev komet in poskušal ugotoviti, zakaj ima rep. To so bili revolucionarni časi s stališča znanosti, začelo je padati kup prepričanj, ki danes veljajo za smešna, tedaj pa so bila tisočletno znanje. Kepler ni samo z izračuni potrdil, da je Sonce - in ne Zemlja - v središču Osončja. Leta 1613 je prišel na dan s prav tako drzno idejo: kometi imajo rep zaradi Sonca. Več kot 250 let je moralo miniti, da je nekdo misel nadgradil. Leta 1862 je škotski fizik James Maxwell razložil, da sončna svetloba - pritiska. Čeravno je bila misel protintuitivna, saj svetlobnega tlaka na koži niti približno ne čutimo, so jo znanstveniki vzeli resno. Na prelomu stoletja je ruski fizik Peter Lebedjev z laboratorijskimi instrumenti dejansko izmeril pritisk svetlobe in potrdil Maxwellovo napoved.

A od Maxwellove napovedi naprej še ni povsem jasno, kako točno se to zgodi. Natančna narava interakcije med svetlobo in snovjo ostaja skrivnost. Kako točno to poteka v času in prostoru? Katere sile, zakonitosti so na delu? 405 let po Keplerjevih tuhtanjih je v vprašanja zagrizla mednarodna raziskovalna skupina, ki jo je koordiniral Tomaž Požar z ljubljanske fakultete za strojništvo. Namenila se je v podrobnosti izmeriti, kako elektromagnetno valovanje prenese svojo gibalno količino na snov. To je zahtevna naloga, saj je svetlobni tlak tako blag, da ga ljudje nikoli ne občutimo.

"Veliko informacij o svetu do nas prihaja preko oči. Ko gledamo, pravzaprav vidimo, kako svetloba reagira s snovjo. Žogo vidimo kot rdečo zato, ker jo svetloba osvetli, do naših oči pa se odbije samo rdeča, ostale barve žoga vpije. Tako svetloba do nas prinese informacijo o barvi predmetov, kar je zapisano v njeni valovni dolžini. Tudi če zapremo oči, lahko svetlobo še vedno občutimo. Sončna svetloba pogreje kožo in tako lahko tudi slepi pokažejo smer proti Soncu. Če je svetloba sposobna greti, to pomeni, da s seboj nosi energijo. A poleg tega svetloba tudi potiska, kar pomeni, da s seboj prenaša tudi gibalno količino. A tega ne občutimo, saj je svetlobni tlak, s katerim se Sonce upira na nas, zanemarljiv. Sto milijardkrat je namreč manjši od zunanjega zračnega tlaka," je za MMC povedal Požar.

Posledično so za razrešitev uganke morali uporabiti izjemno natančne senzorje. Zmožni so zaznati premike snovi za 40 femtometrov, ekvivalent premeru štirih jeder atoma železa.

Ko prižgemo luč, miza pod njo zavibrira
Merilnike so namestili na stekleno zrcalo, nanjo pa v bliskih odmerjali laserske pulze z energijo 160 milijoulov in opazovali, kaj se zgodi. Ugotovili so sledeče: gibalna količina svetlobe se na tarčo prenese prek elastičnega valovanja – naloži se na snovne valove in z njimi nadaljuje pot po zrcalu. Poenostavljeno, laserski pulz deluje kot svetlobno kladivo, udari ob tarčo, in v snovi sproži potresu podobne valove. Fotoni (brezmasni svetlobni paketki) udarijo in premaknejo atome na površini, ti porinejo svoje sosede in se vrnejo v svojo prvotno lego. Sosedi porinejo sosede in tako naprej – ustvari se val. Premiki so majhni, nikoli za več kot en pikometer (10-12 metra). Poenostavljeno: vsakič, ko prižgete luč, miza pod njo za nekaj milijonink sekunde tiho zavibrira.

Raziskava je objavljena v znanstveni publikaciji Nature Communications. Kot posebej pomembno jo je izpostavil mednarodni tehnološki medij Interesting Engineering. Uvrstil jo je med sedem poskusov, ki so "potisnili klasično znanost čez obzorje". Postavil jo je ob bok raziskavam, kot sta zaznava razpada Higgsovega bozona na kvarka b ter poslušanje gravitacijskih valov.

Modeli in pomen bazičnega raziskovanja
Pri tem niso zgolj izmerili dogajanja. Za znanost je bistveno, da se lahko ustvari model, človeški povzetek dejanskega stanja stvari, ki zajema bistvene zakonitosti. Na njegovi podlagi se lahko dela napovedi, se jih nadalje testira in tako prinaša napredek v poznavanju. "Pokazali smo, da znamo računalniško zmodelirati pomembne detajle prenosa gibalne količine iz svetlobe na snov in zelo natančno napovedati, kako se bo ta pri tem odzvala."

"To vprašanje je pomembno, saj lahko odgovor nanj odloči o tem, kateri od konkurenčnih formalizmov klasične teorije elektromagnetizma je pravilen. Različni formalizmi namreč predvidevajo različne razporeditve optičnih sil. Te razporeditve sil sprožajo različne elastične valove, ki se razširjajo po zrcalu. Z zaznavanjem pomikov, ki jih ti valovi inducirajo med odbojem od površin zrcala, lahko dešifrirajo informacije, ki jih zaznani elastičnih valovi nosijo s seboj. Vsebujejo namreč prstni odtis, ki je za vsak formalizem edinstven," pa gre pojasnilo o bazičnosti te raziskave.

Pri raziskavi so sodelovali: Tomaž Požar, Jernej Jaloš, Aleš Babnik in Rok Petkovšek (fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani). Max Bethune-Waddell in Kenneth J. Chau (Kanada) ter Gustavo V. B. Lukasievicz in Nelson G. C. Astrath (Brazilija).


Gibalna količina ne potrebuje mase

Toda kako lahko svetloba, ki nima mase, sploh nosi gibalno količino? V šoli so nas namreč učili, da je gibalna količina masa krat hitrost (p = mv). In če delec nima mase, potem je res ne bi smel imeti. Kje je potem razlika? Svetloba namreč potuje tako hitro, da hitreje sploh ne gre, zato zgornja enačba iz Newtonove mehanike ni več ustrezna. Vstopimo v svet Einsteinovega relativizma, kjer je gibalna količina svetlobe opredeljena kot njena energija deljeno s hitrostjo potovanja svetlobe po vakuumu.

"Zakaj? Tako pač je, težko reči. Narava je pač taka. Očitno tudi brezmasni delci nosijo s seboj gibalno količino. Pomeriš, vidiš, da obstaja, in potem rečeš, da je." je pojasnil Požar in dodal še: "In tak znanstveni pristop bi bilo zelo koristno upoštevati v splošnem. Pomeriš, vidiš, da obstaja, in potem rečeš, da je." Podrobnejšo razlago o gibalni količini svetlobe je za bralstvo pripravil v tem PDF dokumentu.

Da se ne bi grelo
Ker so akustični efekti zaradi absorpcije svetlobe praviloma veliko večji, kot zvok, ki ga požene svetlobni tlak, so morali pri poskusu preprečiti kakršnokoli gretje zaradi absorpcije. Zato niso smeli uporabiti kovinskih zrcal, saj slednje svetlobo preveč absorbirajo, temveč so koristili dielektrično zrcalo z naparjenimi plastmi cirkonijevega dioksida (ZrO2) ter silicijevega dioksida (SiO2), ki imata dovolj nizko absorptivnost, da je bilo gretje zanemarljivo. "Svetloba torej sploh ni prodrla do substrata, na katerega so bile naparjene te plasti. Nekje do globine 2 mikrometra se je svetloba že odbila in gretje je bilo nezaznavno."

Sončna svetloba na nas pritiska zanemarljivo, njen tlak znaša komaj kak mikropaskal. Če bi postavili zrcalno mizo tik nad atmosfero pravokotno proti Soncu, bi znašal devet mikropaskalov, je pojasnil Požar. Dodal je zanimiv podatek, da na popolnoma črno mizo, kjer se vsa svetloba vpije, deluje pol manjši tlak kot na zrcalno.

Konkretne aplikacije za gospodarstvo
Zadeve pa lahko hitro eskalirajo. Konec koncev, pritisk svetlobe navzven je tisti, ki drži pokonci masivne zvezde, kot Atlas nebesni svod v stari grški bajki. Brez fotonov, ki iz središča tiščijo navzven, bi se take zvezde sesule same vase. Vse to vzdržuje nam praktično nezaznavni svetlobni tlak. Tudi v Soncu je pomemben vštric sicer silnejšega plinskega tlaka. Skupaj pokonci držita maso več kot 99 odstotkov Osončja.

Svetlobni tlak je torej lahko uporaben v pravih okoliščinah. To dobro vedo proizvajalci optičnih pincet, naprav, s katerimi se lahko nadzoruje in premika mikroskopske predmete. Raziskava bo torej lahko pripomogla h konkretnim aplikacijam v gospodarstvu, predvsem v slovenski laserski industriji. Koristila bo predvsem takrat, ko gre za premikanje deformabilnih delcev, ki se pri upravljanju s svetlobno pinceto zvijajo ali vibrirajo.

Požar že ima številne načrte za naprej, nove orehe za trenje. Ena izmed zanimivih zagonetk se tiče potovanja svetlobe skozi gostejši prozoren medij. Elektromagnetno valovanje (svetloba) skozi steklo ne potuje več s svetlobno hitrostjo – ta velja za vakuum – temveč se njena hitrost zmanjša za kakšno tretjino. Posledica: fotoni v taki snovi pridobijo maso. S prihodnjimi meritvami se kanijo poglobiti tudi v ta problem in ugotoviti, če je temu res tako, kot trdijo najnovejšeteorije s tega področja.

Tako, kot že Kepler, Maxwell in drugi znanstveni umi dolgo pred njimi: korak za korakom v boljše poznavanje resničnega stanja stvari.

Dotik snovi s svetlobo ali snovjo
Pravzaprav ni kaj dosti razlike med tem, ali se snovi dotakne svetloba ali druga snov. Na mikroskopskem nivoju gre vedno za elektromagnetno interakcijo. Svetloba je že sama po sebi valovanje električnega in magnetnega polja, snov, s katero imamo dnevno opravka, pa je sestavljena iz atomov, zgrajenih iz nabitih elektronov in protonov ter električno nevtralnih nevtronov. Klasično si lahko predstavljamo, da nabiti delci ustvarijo električno polje, gibajoči nabiti delci pa še magnetno. Obe polji, bodisi od svetlobnega valovanja ali tisti, ki ju rodijo atomi, potem s silo delujeta na druge nabite delce. Sile pa so posrednik prenosa energije in gibalne količine, je pojasnil Požar.
GALAKTIČNA JADRA NA FOTONE
Laserski žarek, ki so ga uporabili v raziskavi, je med odbojem od zrcala nanj deloval s tlakom, ki se je približal zračnemu tlaku. V vesolju, ker je skoraj popoln vakuum, si lahko s tem že nekaj pomagamo. Ko so se slavnemu vesoljskemu teleskopu Kepler pokvarili mehanizmi za obračanje, ga je Nasa začela preusmerjati s pomočjo svetlobe Sonca. (Mimogrede, Kepler je zdaj v zadnjih zdihljajih iz drugih razlogov.) Japonska vesoljska agencija Jaxa je pred leti uspešno preizkusila sončno "jadrnico" IKAROS. Izstrelila jo je leta 2010 skupaj z Akacukijem. IKAROS je opremljen s 14x14 metrov velikim jadrom, ima 315 kilogramov, v nekaj letih pa je dosegel najvišjo hitrost 1.400 kilometrov na uro. Leta 2015 je sicer padel v hibernacijo, Jaxa je izgubila stik, a koncept je bil preizkušen.

Esa in Nasa sta na njem zgradila precej konceptov galaktičnih sond. Takšnih, ki bi šle ven iz Osončja in proti drugim zvezdam z visoko hitrostjo. Nasa ima v predalu Interstellar Probe, 200-kilogramsko napravo s 400-metrskim jadrom. Odvrgla bi ga nekje pri orbiti Jupitra, do tedaj pa bi že postala najhitrejši izdelek človeških rok v zgodovini. 200 astronomskih enot (200 povprečnih razdalj med Zemljo in Soncem, ki znaša 150 mio. kilometrov) bi po načrtih premerila v 15 letih. Za primerjavo, Voyager 1 je v 40 letih premagal 138 ae. Podobno je z Interstellar Heliopause Probe kanila Esa, s sončnim jadrom bi 200 ae dosegla v 25 letih.

Da svetlobni pritisk ni za odmet, vedo tudi v projektu Starshot. Slednji kani razviti miniaturne, nekajgramske sonde, in jih z laserskim žarkom tako pospešiti, da bi nam najbližjo zvezdo Proksimo Kentavro dosegla v zgolj 30 do 40 letih. Laserski sistem bi postavili na Zemlji, žarek pa usmerili na sondico z nekajmetrskim jadrom v vesolju. Do utelešenja projekta je še daleč, sam koncept pa je smiseln za lansirane sond izven našega Osončja, je komentiral Požar. Potisne rakete nosijo gorivo s seboj, zato so v primerjavi s tovorom težke, masivne. Zakaj ne bi energije, ali bolje gibalne količine, pošiljali kar s svetlobo na neko krilo? In če bi bilo to krilo obenem konkavno zrcalo, da bi se žarek lahko večkrat odbil nazaj na Zemljo, bi se učinek s takim svetlobnim resonatorjem pomnogoteril. Obenem je poudaril, da pričujoča raziskava za takšne projekte, kot je Starshot, ni pomembna. Izpostavil pa je svoj starejši članek, v katerem opisuje učinke, ki sledijo odboju svetlobe od sonde, podobne tisti iz projekta Starshot. V njem so matematično zapisane spremembe med vpadlo svetlobo in odbito ter kako svetloba pospešuje sondo.


Video
: Poslušanje odbojev svetlobe

Prijavi napako

Football news:

39-year-old belezoglu is the first player in the history of the Turkish championship to score in four decades
Watch your language when you talk about Florence. The poor are also robbed. Fiorentina fans responded to Ribery
Manchester United and Manchester City will compete for Coulibaly and Skrinjara
Juventus and Manchester City are the leaders in the fight for Adam Traore
Pep Guardiola: I Want Messi to stay in Barcelona
Kike Of Setian: Of course, we can win the championship. This is evidenced by facts and mathematics
Bartomeu on Messi: We have to renew the contract. Leo told me that he wants to finish his career at Barca