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 nameni 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.
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. Čeprav je bila misel protiintuitivna, 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 tedaj 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 prek 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, preostale 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. Poleg tega svetloba 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, nanj 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). V praksi: 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 ključno, da se lahko ustvari model, človeški povzetek dejanskega stanja stvari, ki zajema bistvene zakonitosti. Na njegovi podlagi se lahko delajo napovedi, se nadalje testirajo in tako se 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 elastični 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 Laloš, 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 gibalne količine 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 kakršno koli gretje zaradi absorpcije. Zato niso smeli uporabiti kovinskih zrcal, saj ta svetlobo preveč absorbirajo, temveč so uporabili dielektrično zrcalo z naparjenimi plastmi cirkonijevega dioksida (ZrO2) ter silicijevega dioksida (SiO2), ki imata dovolj nizko vpojnost, 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 skupaj s sicer silnejšim plinskim tlakom. 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 nadzorujejo in premikajo mikroskopski predmeti. 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 zadeva potovanje 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 nameravajo poglobiti tudi v ta problem in ugotoviti, ali je res tako, kot trdijo najnovejše teorije s tega področja.
Tako kot že Kepler, Maxwell in drugi znanstveni umi dolgo pred njimi: korak za korakom v boljše poznavanje resničnega stanja stvari.
Pravzaprav ni kaj dosti razlike med tem, ali se snovi dotakne svetloba ali druga snov. Na mikroskopski ravni 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 tisto, ki ju rodijo atomi, potem s silo delujeta na druge nabite delce. Sile pa so posrednik prenosa energije in gibalne količine, je pojasnil Požar.
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 14 x 14 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. Ta namerava 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 zunaj 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
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 nameni 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.
Komentarji so trenutno privzeto izklopljeni. V nastavitvah si jih lahko omogočite. Za prikaz možnosti nastavitev kliknite na ikono vašega profila v zgornjem desnem kotu zaslona.
Prikaži komentarje