Üç fizikçi hesaplamalarında, vakumda hareket ederken bozunan bir atomun sürtünme benzeri bir kuvvete maruz kaldığını fark ettiklerinde, oldukça şüphelendiler. Sonuçlar, fizik yasalarına aykırı gibi duruyordu: Tanımlamak gerekirse, vakum tamamıyla boş uzaydır ve içerisindeki nesnelere sürtünme kuvveti uygulamaz. Eğer bu durum doğruysa, sonuçlar görelilik ilkesiyle çelişecektir, çünkü iki farklı referans sistemindeki gözlemcilerin, atomu farklı hızlarda hareket ederken gözlemlediklerine işaret edeceklerdir. (Çoğu gözlemci atomu sürtünmeden dolayı yavaşlarken gözlemlerken, atomla hareket eden gözlemci bunu fark etmeyecektir.)

Glasgow Üniversitesi’nden fizikçiler Matthias Sonnleitner, Nils Trautmann ve Stephen M. Barnett Physical Review Letters dergisinde yayımladıkları makalede, bir şeylerin yanlış olduğunu ama ilk başta neyin yanlış olduğundan emin olamadıklarını ifade ettiler.

“Hesaplamalarımızdaki hatayı aramak için uzun zaman harcadık, hatta bu (basit) çözümü bulana kadar diğer garip etkileri keşfetmek için daha da uzun zaman harcadık” diyor Sonnleitner.

Özel Görelilik Her Yerde

Fizikçiler en sonunda, yapbozun eksik parçasının “kütle sapması” (İngilizce: mass defect) denilen, bu bağlamda asla ölçülemeyecek kadar küçük bir miktar fazladan kütle olduğunu fark ettiler. Bu kütle, Einstein’ın ünlü formülü E = mc^2’deki kütledir; bu formül, bir atom çekirdeğinin proton ve nötronların ayrılması için gereken enerji miktarını tanımlar. “İçsel bağlanma enerjisi” olarak bilinen bu enerji, genellikle daha büyük bağlanma enerjileriyle haşır neşir olan nükleer fizikte dikkate alınır, fakat genellikle atom optiği (burada söz konusu olan alan) bağlamında, çok düşük enerjilerden dolayı ihmal edilebilir olarak değerlendirilir.

Bu küçük ama önemli ayrıntı, araştırmacıların neler olduğuna dair oldukça farklı bir tablo çizebilmelerine olanak sağladı. Bozunan bir atom vakumun içinden geçerken, gerçekten de sürtünmeyi andıran bir tür kuvvete maruz kalır. Fakat gerçek bir sürtünme kuvveti atomun yavaşlamasına neden olurdu, fakat gerçekte olan bu değil.

Gerçekte olan şey ise; hareket eden atom bozunmadan dolayı kütle kaybettiği için, hız değil, momentum kaybetmesidir. Daha detaylıca açıklayalım. Vakum boş olmasına ve atoma herhangi bir kuvvet uygulamamasına karşın, yine de atomla etkileşim halindedir ve bu etkileşim uyarılmış atomun bozunmasına neden olur.  Hareket halindeki atom daha düşük enerji seviyelerine bozunduğu sürece, foton yayınlar, bu da belirli bir miktar kütleye denk gelen bir miktar enerjiyi kaybetmesine neden olur. Momentum da, kütle ve hızın bir ürünü olduğu için, kütledeki azalma, özel görelilikteki enerji ve momentum korunumuna göre beklenildiği gibi, atomun bir miktar momentum kaybetmesine neden olur. Yani atomun kütlesi (enerjisi) ve momentumu azalır, hızı sabit kalır.



Bu tablo daha önceki problemlerin hepsini çözüyor: Vakum ile atom arasında etkide bulunan hiçbir kuvvet yoktur ve farklı referans sistemlerindeki her iki gözlemci de, bozunmadan dolayı atom momentum kaybediyor olmasına rağmen aynı sabit hızla hareket ederken görür.

“Prensipte çalışmamızın altından yatan fizik uzun süredir bilinmekte, bu yüzden bulgularımız daha ziyade kavramsal önem taşımaktadır. Genellikle atomlar ile ışık arasındaki etkileri tanımlamakta kullanılan oldukça başarılı modelin, momentumda tuhaf sürtünme benzeri bir değişime yol açtığını göstermeyi başardık. Bu sonuç, sadece kütle-enerji eşdeğerliğini hesaba kattığımızda açıklanabilirdi. Fakat kimse, özel göreliliğin (E = mc^2), bu derece düşük enerjilerdeki atom-ışık etkileşmelerinde gerçekten de rol oynadığını beklemediği için, modele dahil edilmemişti. Bu yapboz böylelikle, özel göreliliğin bir parçasının, (göreli olmayan) kuantum optik alanına ait üzerinde iyice çalışılmış ve oldukça başarılı bir modele nasıl beklenmedik bir biçimde dahil olduğunu gösterdi” diye anlatıyor Sonnleitner.

Muhtemelen ilk defa bir atomun içsel enerjisi, kuantum optiği bağlamında kayda değer bir biçimde farklılığa neden oluyor. Fizikçiler, bu etkinin, fotonun kendiliğinden yayımlanmasıyla sınırlı olmadığının altını çiziyorlar. Etki ayrıca bir atom, foton yayımlayarak veya soğurarak içsel enerjisini değiştirdiğinde de meydana geliyor. Fakat bu durumlarda, atom hızla bağlantılı kuvvetlere de maruz kalıyor, bu da burada anlattığımız etkinin gizlenmesine neden oluyor. Şimdilik bu etkinin deneysel olarak ölçülmesi pek mümkün değil, çünkü söz konusu enerji günümüzdeki en hassas ölçüm teknikleriyle ölçülebilenden kabaca 1000 kat daha küçük.

Araştırmacılar gelecekte bu olayın, atom-ışık etkileşmelerinin geleneksel modeli üzerinde ne tür etkileri olabileceğini araştırmayı amaçlıyor.

---

Kaynak: Friction in the vacuum? < https://phys.org/news/2017-02-friction-vacuum.html >

Referans: Will a Decaying Atom Feel a Friction Force? < http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.053601 > DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.05360

---