真空中的摩擦

三位物理科學家通過他們的計算髮現，一個真空中運動的衰變原子會受到類似於摩擦力的阻力，他們起初對此深表懷疑。這個結果似乎違背了物理法則：真空的定義是完全虛無的空間，無法對其中的物體施加摩擦力。進一步，如果這是真的，那麼結果將與相對論矛盾，因為這意味著在兩個不同坐標系中的觀察者將會看到原子以不同的速度運動(大部分觀察者將會看到原子因為摩擦力減速，但是跟隨原子運動的觀察者不會看到這一現象)。

英國格拉斯哥大學的物理學家Matthias Sonnleitner，Nils Trautmann及Stephen M. Barnett知道某些地方肯定搞錯了，但首先他們對此並不確定。

Sonnleitner說道：「我們花了好幾年尋找計算中的錯誤，甚至花了更多的時間探索其他奇怪的效應，然後我們找到了這個(十分簡單)的解決方法。」

物理學家們最終認識到丟失的那一塊拼圖就是名為「質量虧損」的一丟丟額外質量——這個質量小到以前在這個背景下從未被考慮過。這是愛因斯坦著名的質能轉換方程中的質量，該方程描述了用於打破原子核分解為質子和中子所需的能量。該能量被稱為「內部結合能」，是核物理中通常考慮的概念，但在原子光學領域(該研究中的領域)由於能量相對過低，通常被認為忽略不計。

研究中發現的疑似由摩擦力引起的動量改變可被建模為向相反方向發射光子的運動設備。觀察者可測量光子頻率，利用多普勒效應，計算得到變化的動量和不變的速度。

這個細微但是重要的細節使研究者重構了一副完全不同的情景。隨著衰變原子在真空中運動，該原子的確遇到了類似於摩擦力的某種力。但是真正的摩擦力會導致原子減速，但這個並沒有發生。真正發生的是，由於運動的原子在衰變的過程中損失了一丟丟質量，它損失了動量，但並不是速度(說到這裡其實已經很明顯了)。更詳細地說，儘管真空完全空虛，對原子不存在任何作用力，但其仍然與原子相互作用，並導致了受激原子衰變。隨著運動原子衰變到更低的能量狀態，它放射出光子，損失了對應一定質量的一丟丟能量。由於動量是質量與速度的乘積，質量的減少引起原子動量的損失，所以當原子質量和動量降低時，速度就保持不變。該研究發現已被發表在物理評論快報上。

新的解釋解決了早先的問題：真空和原子之間不存在作用力，在不同坐標系中的觀察者均會看到原子以恆定速度運動，即使原子因為衰變會損失動量。

Sonnleitner說道：「原則上，我們的工作背後的物理原理早已廣為人知，所以我們的結果主要是概念上的價值：我們的研究表明曾用於描述原子和光之間相互作用的十分成功的模型會給出十分奇怪的類似於摩擦力引起的動量變化，只有將質量和能量之間的等價關係考慮進來才能解釋這一結果。但是由於通常研究者不會想到在如此小的能量等級上，狹義相對論實際上會對原子-光相互作用產生影響，在設計以前模型的時候並沒有考慮該因素。所以這個難題顯示了狹義相對論是如何出人意料地影響曾經十分成功的(非相對論的)量子光學領域的模型。」

這可能是首次發現原子的內部結合能對量子光學研究具有重要的影響。物理學家們強調這種影響不僅限於自發發射光子，而且發生在原子改變內部能量的時候，比如放射或者吸收光子的時候。但在那些情況中，原子會遇到與速度相關的力，這將掩飾這裡討論的影響。目前，由於這個能量大約比當前最精確的測量技術所能檢測到的極限幅度還要小三階，因此不大可能通過實驗加以測量。

未來，研究者將研究該影響對傳統原子-光作用模型的影響。Sonnleitner說：「我們將試著考慮質量變化的可能，擴展當前使用的成功模型，以更好地描述原子-光相互作用。自然這僅僅是一個相對較小的修正，但可以幫助完善該理論。重新研究，重新思考從來不是錯誤的，在必要的時候，甚至可以修改已有的理論。」

[CliffBao via phys]

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！