@ 2017.03.30 , 20:00

真空中的摩擦

三位物理科学家通过他们的计算发现,一个真空中运动的衰变原子会受到类似于摩擦力的阻力,他们起初对此深表怀疑。这个结果似乎违背了物理法则:真空的定义是完全虚无的空间,无法对其中的物体施加摩擦力。进一步,如果这是真的,那么结果将与相对论矛盾,因为这意味着在两个不同坐标系中的观察者将会看到原子以不同的速度运动(大部分观察者将会看到原子因为摩擦力减速,但是跟随原子运动的观察者不会看到这一现象)。

英国格拉斯哥大学的物理学家Matthias Sonnleitner,Nils Trautmann及Stephen M. Barnett知道某些地方肯定搞错了,但首先他们对此并不确定。

Sonnleitner说道:“我们花了好几年寻找计算中的错误,甚至花了更多的时间探索其他奇怪的效应,然后我们找到了这个(十分简单)的解决方法。”

物理学家们最终认识到丢失的那一块拼图就是名为“质量亏损”的一丢丢额外质量——这个质量小到以前在这个背景下从未被考虑过。这是爱因斯坦著名的质能转换方程中的质量,该方程描述了用于打破原子核分解为质子和中子所需的能量。该能量被称为“内部结合能”,是核物理中通常考虑的概念,但在原子光学领域(该研究中的领域)由于能量相对过低,通常被认为忽略不计。

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研究中发现的疑似由摩擦力引起的动量改变可被建模为向相反方向发射光子的运动设备。观察者可测量光子频率,利用多普勒效应,计算得到变化的动量和不变的速度。

这个细微但是重要的细节使研究者重构了一副完全不同的情景。随着衰变原子在真空中运动,该原子的确遇到了类似于摩擦力的某种力。但是真正的摩擦力会导致原子减速,但这个并没有发生。真正发生的是,由于运动的原子在衰变的过程中损失了一丢丢质量,它损失了动量,但并不是速度(说到这里其实已经很明显了)。更详细地说,尽管真空完全空虚,对原子不存在任何作用力,但其仍然与原子相互作用,并导致了受激原子衰变。随着运动原子衰变到更低的能量状态,它放射出光子,损失了对应一定质量的一丢丢能量。由于动量是质量与速度的乘积,质量的减少引起原子动量的损失,所以当原子质量和动量降低时,速度就保持不变。该研究发现已被发表在物理评论快报上。

新的解释解决了早先的问题:真空和原子之间不存在作用力,在不同坐标系中的观察者均会看到原子以恒定速度运动,即使原子因为衰变会损失动量。

Sonnleitner说道:“原则上,我们的工作背后的物理原理早已广为人知,所以我们的结果主要是概念上的价值:我们的研究表明曾用于描述原子和光之间相互作用的十分成功的模型会给出十分奇怪的类似于摩擦力引起的动量变化,只有将质量和能量之间的等价关系考虑进来才能解释这一结果。但是由于通常研究者不会想到在如此小的能量等级上,狭义相对论实际上会对原子-光相互作用产生影响,在设计以前模型的时候并没有考虑该因素。所以这个难题显示了狭义相对论是如何出人意料地影响曾经十分成功的(非相对论的)量子光学领域的模型。”

这可能是首次发现原子的内部结合能对量子光学研究具有重要的影响。物理学家们强调这种影响不仅限于自发发射光子,而且发生在原子改变内部能量的时候,比如放射或者吸收光子的时候。但在那些情况中,原子会遇到与速度相关的力,这将掩饰这里讨论的影响。目前,由于这个能量大约比当前最精确的测量技术所能检测到的极限幅度还要小三阶,因此不大可能通过实验加以测量。

未来,研究者将研究该影响对传统原子-光作用模型的影响。Sonnleitner说:“我们将试着考虑质量变化的可能,扩展当前使用的成功模型,以更好地描述原子-光相互作用。自然这仅仅是一个相对较小的修正,但可以帮助完善该理论。重新研究,重新思考从来不是错误的,在必要的时候,甚至可以修改已有的理论。”

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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