av David Harris
stoppa mig inte nu
(bild: Ellinor Hall / Johner / Corbis)
en boll som snurrar i vakuum bör aldrig sakta ner, eftersom inga yttre krafter verkar på den. Det var åtminstone vad Newton skulle ha sagt. Men vad händer om vakuumet i sig skapar en typ av friktion som sätter bromsarna på snurrande föremål? Effekten, som snart kan upptäckas, kan verka på interstellära dammkorn.
i kvantmekanik säger osäkerhetsprincipen att vi aldrig kan vara säkra på att ett uppenbart vakuum verkligen är tomt. Istället, rymden fizzing med fotoner som ständigt poppar in och ut ur existens innan de kan mätas direkt. Även om de bara verkar flyktigt, utövar dessa ”virtuella” fotoner samma elektromagnetiska krafter på föremålen de stöter på som vanliga fotoner gör.
annons
nu, Alejandro Manjavacas och F. Javier Garc Bisexa de Abajo från Institute of Optics vid Spanish National Research Council i Madrid säger att dessa krafter bör sakta ner snurrande föremål. Precis som en frontalkollision packar en större stans än en kran mellan två bilar bakom varandra, kolliderar en virtuell foton som träffar ett objekt i motsatt riktning mot sin snurrning med större kraft än om den träffar i samma riktning.
så med tiden kommer ett snurrande objekt gradvis att sakta ner, även om lika många virtuella fotoner bombarderar det från alla sidor. Den rotationsenergi som den förlorar emitteras sedan som verkliga, detekterbara fotoner (Physical Review a, doi: 10.1103/PhysRevA.82.063827).
effektens styrka beror på objektets smink och storlek. Föremål vars elektroniska egenskaper hindrar dem från att lätt absorbera elektromagnetiska vågor, såsom guld, kan bromsa lite eller inte alls. Men små partiklar med låg densitet, som har mindre rotationsmoment, saktar dramatiskt ner.
retardationshastigheten beror också på temperaturen, eftersom ju varmare det är desto mer virtuella fotoner dyker in och ut ur existensen, vilket ger friktionen. Vid rumstemperatur skulle ett 100-nanometerbrett grafitkorn, det slag som är rikligt i interstellärt damm, ta ungefär 10 år att sakta ner till ungefär en tredjedel av sin initiala hastighet. Vid 700 kcal C, en medeltemperatur för heta områden i universum, skulle samma hastighetsminskning ta bara 90 dagar. I det kalla interstellära rummet skulle det ta 2, 7 miljoner år.
kan denna effekt testas i labbet? Manjavacas säger att experimentet skulle kräva ett ultrahögt vakuum och hög precisionslasrar för att fånga nanopartiklarna, förhållanden som är ”krävande men nås inom överskådlig framtid”.
John Pendry från Imperial College i London kallar analysen ett” fint arbete ” och säger att det kan ge insikter om huruvida kvantinformation någonsin förstörs, till exempel när den faller i ett svart hål. Han säger att de verkliga fotonerna som emitteras under retardationsprocessen bör innehålla information om kvanttillståndet hos den snurrande partikeln, mycket som fotonerna trodde att fly från svarta hål som Hawking-strålning tros koda information om hålen.
”Detta är en av de få elementära processerna som omvandlar det som verkar vara rent klassisk mekanisk energi till ett starkt korrelerat kvanttillstånd”, säger Pendry.
hur man flyter över ett vakuum
Houdini skulle vara stolt. Det verkar som om det finns ett sätt att levitera ett objekt i ett vakuum bara genom att kanalisera kvantfluktuationerna.
tricket involverar Casimir-effekten, där föremål som är mycket nära varandra dras samman tack vare kvantfluktuationer i vakuumet mellan och runt dem. När två plattor bringas allt närmare varandra, till exempel, kan färre fluktuationer uppstå i gapet mellan dem. Fluktuationer på deras yttre sidor fortsätter dock som normalt. Denna tryckskillnad på vardera sidan av plattorna tvingar dem att hålla ihop.
under de senaste åren har fysiker försökt utveckla sätt att vända Casimir-effekten och avvisa närliggande föremål, vilket får dem att levitera. Tidigare förslag har inkluderat att infoga olika material mellan föremålen som ska avvisas – såsom exotiska metamaterial, som böjer elektromagnetiska vågor på motsatt sätt till det förväntade, vilket vänder Casimir-effekten.
nu beskriver Stanislav Maslovski och M Ubigrio Silveirinha vid universitetet i Coimbra i Portugal ett sätt att avvisa föremål utan fyllnadsmaterial. Deras inställning, som beskrivs i ett papper för att visas i Physical Review A, använder 40-nanometer breda silverstavar som fastnar i ett substrat som ljus på en tårta.
de metalliska ”ljusen” skulle kanalisera fluktuationerna mellan dem och skjuta allt som placeras där borta. Så om en perforerad metallstång sänktes över ljusen, med ett ljus som pekar genom varje hål, ska stången flyta, avstötas i alla riktningar av ljusen mellan och runt varje hål.
mer om dessa ämnen:
- kosmologi
