Newton oszukał nas wszystkich. Światło może łamać trzecią zasadę dynamiki
Isaac Newton oszukał nas wszystkich. Impulsy lasera stworzone by przyspieszać się wokół pętli światłowodu, łamią jedno z podstawowych praw fizyki. Nie każda akcja musi mieć równą i przeciwną reakcję. Świetlny trick może być podstawą do stworzenia zaawansowanego napędu statków kosmicznych przyszłości.
Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona oddziaływania ciał są zawsze wzajemne. Siły wzajemnego oddziaływania dwóch ciał mają takie same wartości, taki sam kierunek, ale przeciwne zwroty i różne punkty przyłożenia. Okazuje się, że nie zawsze tak jest.
Po uderzeniu jednej bili w drugą, powinny one odbić się one od siebie. Ale jeżeli jedna z tych bili ma negatywną masę, tuż po zderzeniu są one przyspieszane w tym samym kierunku. Efekt ten może być użyteczny w hipotetycznym silniku, w którym negatywna i pozytywna masa przyspieszają się bez końca. NASA już jakiś czas temu chciała wykorzystać to zjawisko do budowy lepszego napędu statków kosmicznych przyszłości (tzw. diametric drive). Ale pojawiła się poważna przeszkoda - zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, materia nie może mieć negatywnej masy. Nawet antymateria, zbudowana z cząstek o przeciwnym ładunku i spinie do tych z "normalnego" świata, ma pozytywną masę.
Teraz Ulf Peschel z niemieckiego University of Erlangen-Nuremberg opisał diametric drive używając tzw. efektu masy. Ponieważ fotony poruszają się z prędkością światła, nie mają masy spoczynkowej. Jednak impuls lasera uderzający w powierzchnię kryształu może wygenerować odbity foton, który z kolei zostanie cofnięty przez jedną cząstkę padającą na warstwę materiału. Opóźnienie części impulsu powoduje, że światło rozprzestrzenia się wolniej przez postawioną barierę.
Kiedy materiał spowalnia szybkość impulsu proporcjonalnie do niesionej przez niego energii, fotony zachowują się tak, jakby miały masę - jest to tzw. masa efektywna. W zależności od kształtu fal świetlnych i struktury kryształu, impulsy światła mogą mieć również negatywną masę efektywną. By uzyskać taki impuls, potrzebny jest jednak kryształ, który długo absorbuje światło.
Peschel stworzył serię laserowych impulsów w dwóch pętlach światłowodu. Impulsy rozdzieliły się między pętlami na punkty kontaktowe, a fotony poruszały się wokół pojedynczej pętli w tym samym kierunku. Kluczowe jest, że jedna z pętli była nieznacznie dłuższa, przez co światło ją obiegające było nieco opóźnione w stosunku do drugiej. W efekcie, udało się stworzyć impulsy z pozytywną i negatywną masą efektywną.
Odkrycie może zostać wykorzystane do stworzenia komunikacji optycznej o znacznie większej przepustowości. Może również stać się podstawą do budowy napędu, który zabierze nas w podróże międzyplanetarne.
