光子与原子质量之间的转移效应解释了光动力悖论

在最近发表的一篇研究论文中，阿尔托大学的研究人员发现，在透明介质中，每个光子都是伴随着原子质量密度波的。光子的光力使介质中的原子产生运动，在硅基的情况下，它们可携带光的总动量的92%。

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如上图所示，光在晶体中传播，原子上尺度上光力会形成一个质量密度波。图片来源：阿尔托大学。

这一新的研究发现解决了光的百年来的动力学悖论。在文献中，透明介质中存在着两种不同的光动量值。通常，这些值相差十倍，这种差异称为光的动量佯谬。动量值的差异是由于忽略光脉冲运动的原子动量引起的。

为了解决这种动量佯谬，研究人员证明了狭义相对论需要一个额外的原子密度与光子传播情形。在相关经典的计算机模拟中，他们利用光学力场和牛顿的第二定律表明，增加原子质量密度是通过光脉冲在介质中传播而形成的。

质量转移导致光的总动量分裂成两个分量。动量场等于亚伯拉罕动量，而总动量，也包括由光力驱动的原子动量，这等于闵可夫斯基动量。

“由于我们的工作是基于理论和计算的，所以在它成为透明介质中光的标准模型之前，它必须经过实验验证。测量光脉冲的总动量是不够的，还必须测量传输的原子质量。而使用目前的干涉和显微技术和普通的光子材料是可行的，”研究人员Mikko Partanen说。

在星际研究中的潜在应用

研究人员正在研究原子光学领域的这种新理论所预测的冲击波，在光学应用中的应用。然而，这一理论不仅适用于透明液体和固体，也适用于稀释的星际气体。通过一个简单的运动学原理，可以证明由这种传质效应引起的能量损失变成了与光子能量和光子传播距离成正比的稀薄星际气体。

“我们将进一步进行星际气体密度、等离子体特性和温度的实际参数的进一步的模拟仿真。目前，哈勃定律是由遥远恒星的多普勒频移来解释的。这有力地支持了宇宙膨胀的假设。在光的质量极化理论中，当红移特性自动与恒星到观察者的距离成正比变化时，这种假设就不再需要，”Jukka Tulkki教授解释道。

原文来源：https://phys.org/news/2017-06-atomic-mass-photon-momentum-paradox.html，实验帮译。

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