"Raziskovanje je lahko dolgotrajen proces, zato se čustva pričakovanj nabirajo počasi, udarijo pa takrat, ko slutiš, da bo tokrat res uspelo. Vse je pripravljeno, pomenljivo se spogledaš s kolegom, poženeš eksperiment, prikaže se signal, v njem tisto, ker že leta iščeš, in rečeš, to bo to," je čustveni del nove raziskave opisal Tomaž Požar z ljubljanske strojne fakultete.

Sorodna novica S svetlobnim kladivom povzročili potresu podobne valove

Požar je del mednarodne raziskovalne skupine, ki želi razumeti interakcijo svetlobe s snovjo. Pred štirimi leti so prvi izmerili, kako svetloba pri odboju od zrcala sproži elastične valove in s tem snov strese. Odtlej so iskali način, kako delo nadgraditi. In kot kaže, so ga našli. Izmerili so, kako laserski žarek pri potovanju skozi vodo sproži pojav elektrostrikcije, ki tekočino stiska, kot bi poskušali iz tube iztisniti zobno kremo, in pri tem izločili druge moteče vplive. Poleg tega so napisali sistem enačb, formalizem, ki izmerjeni pojav ter druge pojave, ki jih povzroči svetloba v stiku s snovjo, po njihovih trditvah opiše bolje kot poprejšnje enačbe. Gre za čisti eksperiment s področja bazične znanosti. "Usedli smo se, poračunali in potem smo se vprašali ... Uh, kako to predstaviti javnosti?"

Pa poskusimo. Problem, ki ga rešujejo, izhaja iz 19. stoletja in še vedno ni v celoti razrešen.

Davnega leta 1873 je fizik James Clerk Maxwell zapisal svoje slavne enačbe elektrodinamike. Opisal je povezave med električnim in magnetnim poljem, kako se ustvarjata in izničita, kako se pretakata med seboj. Ampak Maxwell je imel problem. "Maxwellove enačbe nič ne govorijo, kako bo svetloba delovala na snov. Ko začneš govoriti o tem, vpelješ sile," je pojasnil Požar. Opis teh sil tako tedaj kot danes še vedno ni popolnoma dorečen.

Maxwell je napovedal, da mora svetloba imeti gibalno količino in torej pritiskati na snov. To je 30 let pozneje, leta 1899, eksperimentalno potrdil ruski fizik Peter Lebedjev. V iskanju splošne teorije sklopitve med elektromagnetnim poljem in snovjo, ki ne opisuje samo svetlobnega tlaka, so teoretiki zapisali številne različice in vsak je verjel, da je njegova prava. Te različice se imenujejo formalizmi. So izpeljanke, domneve, kako s sistemom enačb teoretično opisati delovanje električnega in magnetnega polja na snov ob upoštevanju vseh drugih dokazano veljavnih fizikalnih zakonitosti.

Eden izmed trših orehov je bilo vprašanje o longitudinalnih silah, ki povzročajo svetlobni tlak in s katerimi je neposredno povezan prenos gibalne količine na dielektrični medij, ali poenostavljeno, na neprevodnik. Recimo, zelo čisto vodo. To ni bila zgolj uganka v slonokoščenem stolpu. Razvila se je v razvpito javno razpravo dveh nemških znanstvenih avtoritet, Hermanna Minkowskega in Maxa Abrahama. Vsak je zapisal svojo različico enačbe in jo srdito zagovarjal, kar je pripeljalo do t. i. polemike Abraham-Minkowski. Ker se je tedaj porajala tudi kvantna teorija, so lonček pristavile avtoritete, kot sta Albert Einstein in Jakob Laub. Veliko zvenečih imen. Toda razprava se nikoli ni popolnoma zaprla. Zmagovalec še dandanes ni popolnoma znan. Razlog? Vsako teorijo, vsak formalizem je treba pretresti s poskusom. Z mnogimi poskusi. Eksperiment je tisti, ki loči seme od plev. In v tem primeru je bilo – in še vedno je – stvari precej težko izmeriti.

Marsikaj je seveda že znanega. Svetloba oziroma njeni delci, fotoni, pritiskajo. To je že dolgo dokazano. Zato denimo načrtujejo vesoljska plovila, ki jih bodo gnali laserski žarki z Zemlje. Znano je tudi, da svetenje na vodno gladino na mestu njenega vstopa ali izstopa povzroči izboklino. To je prvi pokazal Arthur Ashkin, ki je kot 96-letnik dobil Nobelovo nagrado za odkritje optične pasti, ki je pozneje vodilo do optične pincete, zdaj nepogrešljivega orodja za mikromanipulacijo drobnih delcev. Svetloba lahko snov greje (prek vsrkavanja). Lahko tudi spreminja kemično sestavo tarče. Zadnji pomemben učinek je povezan z dvojno naravo svetlobe. Svetloba je hkrati delec, foton, in elektromagnetno valovanje. Potovanje svetlobe si lahko zamislimo kot gibanje delca, fotona, ali kot motnjo v elektromagnetnem polju. In ker je snov sestavljena iz nabitih delcev, svetloba nanjo vpliva preko interakcije električnega in magnetnega polja z nabitimi gradniki snovi.

Abraham in Minkowski sta skušala odgovoriti na vprašanje, kako svetloba vpliva na dielektrično snov. Dielektrik je – poenostavljeno povedano – neprevodnik, ki je v nasprotju s kovinami izolator. Je material, ki se v električnem polju polarizira, kar pomeni, da se znotraj njega prerazporedi električni naboj, a ne odteče. Ima pa še eno zanimivo lastnost. V električnem polju se tudi poveča ali skrči, saj pride zaradi prerazporeditve naboja tudi do dimenzijskih sprememb. Sicer se prostornina spremeni izjemno malo, a v fiziki je to pomembno. Pojav se imenuje elektrostrikcija.

Mednarodna raziskovalna skupina je želela izmeriti, kako točno elektrostrikcija poteka in kakšne so sile. Kar štiri leta je iskala pot in snovala eksperiment, ki bi (dovolj) utišal vse druge učinke in izpostavil zgolj ta pojav.

Kako je bil videti ta eksperiment? Zelo grobo: v posodo so nalili vodo in skoznjo posvetili s kratkotrajnim laserskim žarkom visoke energije. Pa podrobneje: za utišanje neželenih učinkov so morali postoriti še marsikaj. Uporabili so izjemno čisto vodo, da se je čim manj segrela; nečistoče bi namreč absorbirale dodatno energijo. Nadalje so uporabili specifično zeleno barvo laserskega žarka pri 532 nanometrih, ki zlahka prehaja skozi vodo. Primer: moč infrardečega laserskega žarka pri 1064 nanometrih se prepolovi že po petih centimetrih, žarka pri 532 nanometrih pa se razpolovi šele po štirinajstih metrih potovanja skozi vodo. Izkoristili so tudi zanimivo lastnost vode: da je najgostejša pri štirih stopinjah Celzija. Pri tej temperaturi se ob segretju ne širi in ne oddaja termoelastičnih valov. Kako pa so odpravili izboklino na površju? Posodo so tesno zaprli z vseh strani. Tako so ustvarili "tubo zobne kreme" in jo zaprli. S tem so lahko opazovali zgolj sile v notranjosti med stiskanjem.

Ker je žarek svetil zgolj 9 nanosekund, je bila vršna moč zelo visoka, v tistem trenutku je bila "podobna sončni elektrarni s površino 1000 kvadratnih metrov, kar pa ni pri bahanju z močjo laserskih bliskov nič posebnega", je pojasnil Požar. "A vseeno se v tako močnih električnih poljih molekule malo raztegnejo, hkrati pa se prerazporedijo tudi naboji. V našem primeru so se vodne molekule razporedile tako, da so se malenkost skrčile proti osi laserskega žarka." Zgodila se je elektrostrikcija. Svetloba je začela pritiskati vodo proti osi laserskega žarka, navznoter, kot bi z roko zaobjel tubo paste in jo stisnil. In ko je laser ugasnil, se je pritisk sprostil in razposlal akustični val navzven s hitrostjo 1500 metrov na sekundo. Trajal je med 10 in 250 nanosekundami. Kako so ga zaznali? Z metodo fotoinduciranega lečenja, to je, z opazovanjem odklona dodatne rdeče, precej šibkejše laserske svetlobe, ki je nenehno svetila vzdolž smeri vzbujevalnega žarka.

Tako so natančno izmerili učinek elektrostrikcije in minimizirali vse druge.

Video: Animacija tlačnih valov v vodi

Nato so podatke vnesli v zgoraj omenjene formalizme in tako eksperimentalno preverili, kateri držijo. Ugotovili so, da če se upoštevajo vse sile – na površini in znotraj snovi –, dajo vse dozdajšnje enačbe pravilne rezultate, ki se ujemajo z meritvami. Če pa notranje in zunanje sile ločiš, potem se stvari razpletejo, napovedi se ločijo, je razlagal Požar. Izide eksperimenta je pravilno opisal samo Einstein-Laubov formalizem. "Vendar za Einstein-Lauba že vemo, da ni v redu, ker za magnetne snovi zagotovo ni ustrezen, saj nima namreč člena, ki bi opisoval magnetostrikcijo in nemogoče je, da jo bo potem pravilno opisal." Tako sta formalizma, ki sta ju uvedla zgoraj omenjena Abraham ter Minkowski, spodletela. "Mi zdaj vemo, zakaj od teh dveh ni imel prav. Ne eden ne drugi namreč ne napoveduje elektrostrikcije, drugi pa se praviloma motijo v amplitudi izsevanih valov."

Raziskovalna skupina, katere del je Požar, je zato predlagala nov formalizem. Nov zastavljeni sistem enačb: mikroskopski Ampèrov formalizem. Ta je poleg teorije Einstein-Lauba eksperiment kot edina dobro opisala, a nima prej omenjene pomanjkljivosti pri opisu učinkovanja svetlobe na magnetne snovi.

A spet ni nujno, da je pravi, je le trenutno najboljši kandidat. Zdaj mora kakšna druga skupina radovednih znanstvenikov eksperiment najprej ponoviti in tako preveriti, ali se izidi replicirajo. Ni nujno, da je enačba prava – tudi zato, ker je še veliko neznank. Manjkajo neposredne meritve prenosa vrtilne količine, manjkajo ustrezne meritve longitudinalne sile, manjka magnetostrikcija, je našteval Požar. Spet bo treba vložiti leta dela, se odločiti za nove eksperimente in delček za delčkom graditi sestavljanko. Najti način, kako izolirati navedene dejavnike. Požar se je sicer lotil novega raziskovalnega področja; je pa prepričan, da bo naprej rinila raziskovalna skupina iz Brazilije in da bodo tudi druge ekipe eksperimentalcev zagrizle v to jabolko.

In kaj vse to pomeni? Kaj je svet s tem početjem pridobil? To ni velik korak naprej. Je pa košček v mozaiku povzetka resničnega stanja stvari, ki ga neutrudno sestavljajo znanstveniki. Že stoletja. In tokrat je bil en drobec mozaika očitno napačno postavljen. Morda je bil že skoraj na pravem mestu, a ga je bilo treba le malce zasukati. Ne le v teoriji, ugotovitve bodo uporabne tudi v praksi, meni Požar. Pri optičnih pincetah. Optične pincete so uporabne pri laboratorijskih raziskavah mikrometrskih tarč, recimo celic. Celica se lahko zgrabi s snopom svetlobe in premika naokoli, in pri tem je treba paziti, da se ne poškoduje. Poznavanje drobnih sil je pri tem pomembno.

Video: Ponazoritev uporabe optičnih pincet (žarek ni viden)