Nova forma svjetlosti

Fizičari sa Trinity College Dublin's School of Physics i CRANN instituta sa Trinity College otkrili su svjetlost koja ima neka vrlo neobična svojstva tako da mirne duše možemo reći da se radi o "novoj formi svjetlosti".

Nemam snage komentarisati kako je ova vijest zvučala u domaćim medijima, jer je odveć smiješno. Ali priznajem da je malo neudobno objasniti šta je zapravo otkriveno.

Kyle Ballantine, doktorant na Trinitiju, Paul Eastham, profesor na School of Physics te John Donegan, koji je profesor na CRANN su pronašli svjetlost  čiji fotoni - najmanji "paketi", kvanti  energije imaju angularni momenat koji iznosi svega polovinu Plankove konstante, što ne odgovara dosadašnjoj paradigmi kako fotoni mogu imati angularni momenat koji je ravan umnošku Plankove konstante. Rad je objavljen u časopisu Science Advanced, pod ultra-zanimljivim naslovom "There are many ways to spin a photon: Half-quantization of a total optical angular momentum"

Nije baš često da se rad iz oblasti teorijske fizike i kvantne fizike nađe objavljen u Science, pa kad se to desi, treba četvere oči otvoriti i vidjeti o čemu se radi. A dešava se to da se svjetlost može ponašati na neke neočekivane načine. Suštinski, svjetlost je oscilacija - mi je doživljavamo kao prav snop zraka, ali radi se o fotonima koji osciliraju određenom frekvencijom, ponavljajući svoj položaj u nekom ritmu. Što je frekvencija veća (tj. talasna dužina manja), to je energija fotona veća. Jedan od parametara svjetlosti, tj. različitih dijelova elektromagnetnog spektra jeste i momenat impulsa (ugaoni momenat / angularni momenat, eng. angular momentum), koji pokazuje koliko se nešto okreće. Do sada smo poznavali svjetlost koja ima momentar impulsa koji je cjelobrojni umnožak Plankove konstante (u redukovanoj formi, ћ). Меđutim, ova trojica Iraca su demonstrirali kako postoji svjetlost čiji  je momenat impulsa pola vrijednosti Plankove konstante. 

I sad ide onaj čuveni dio u kojem trebam objasniti zašto je ovaj naučni rad važan za običnog čovjeka. Huh. Naučnicima je jasno da se foton vrti dok ide od izvora svjetlosti ka predmetu, oku i sl. Ali im je do sada bila potpuna nepoznanica da taj moment impulsa za fotone može biti nešto što nije cijeli broj. Ovo otkriće može unaprijediti optičke instrumenti i komunikaciju te poboljšati performanse kompjutera, omogućiti brži i sigurniji internet. Naravno - jasno je meni - ne mora međed znati suštinu meda da bih ga jeo, pa ni Homo vulgaris šta je momenat impulsa da bi koristio svjetlo i računare, ali eto, bilo bi lijepo malo se potruditi i obrazovati. 

U ovom slučaju, naučnici su otkrili da nešto, za šta su mislili da je dokazano i fiksirano, može biti promijenjeno. Samo otkriće je bazirano na eksperimentu kojeg su u 19. vijeku ,(1830.) izveli matematičar William Rowan Hamilton i fizičar Humphrey Lloyd, ali nisu mogli objasniti posmatrani fenomen da svjetlost, kada prolazi kroz neke kristale (dvosovinske) pravi svijetle i tamne krugove. Uglavnom, ovo otkriće je prodrmalo svo naše znanje o svjetlosti i prirodi fotona - na jedan dobar način.

Ipak - da ne požurimo sa zaključcima i radovanjem - drugi tim fizičara će trebati replicirati rad Iraca.

Zapravo, problem u tumačenju značaja ovog otkrića leži u tome da nije jednostavno objasniti šta je to momenat impulsa (= ugaoni momenat). Ako kažem da postoji nekoliko vrsta momenata impulsa - totalni (J), orbitalni (L) i spin (S), te da je J=L+S, nisam mnogo pomogla, kao ni kad kažem da L=rxp, a p=mv.. Međutim, ako kažem da je momenat impulsa zapravo moment sile koji se javlja kada se neko tijelo kreće oko neke tačke, poput, recimo Zemlje koja se kreće oko Sunca, te da, prema zakonu o očuvanju angularnog momentuma, ova veličina ostaje konstantna, slika onoga o čemu razgovaramo postaje manje mutna. 

Zapravo, momenat impulsa u kvantnoj fizici analogan je momentu impulsa u  klasičnoj mehanici, s tom razlikom što služi za opisivanje prirode subatomskih čestica, a ne tijela koja se kreću oko određene tačke, poput točka, Zemlje i sl. Kao i moment impulsa kod ovih tijela, i moment impulsa subatomskih čestica jeste konstanta i to je pokazala Emmy Noether (Emi Neter), još jedna velika naučnica - matematičarka o čijem radu nedovoljno učimo,  1915. u teoremi koja se njoj u čast zove Noetherina teorema. Kada se moment impulsa spominje u terminima kvantne fitzike, to se odnosi ili na totalni momentum - J, ili na orbitalni momentum L.

E, ako već do sad niste odustali od čitanja, još da se pozabavimo predivnom Plankovom konstantom, h, koja se spominje u ovom otkriću "čudne svjetlosti". Plankova konstanta je veličina, krucijalna za kvantnu fiziku, a koja povezuje energiju čestice fotona i frekvenciju E=hf. Plankova konstanta se može javiti i u formi ћ=h/2π i tada je nazivamo reducirana forma Plankove konstante ili Dirakova konstanta, a u toj se formi koristi onda kada se frekvencija iskazuje u radijanima u sekundi - dakle, kada se radi o nekom kružnom gibanju oko određene tačke.

Moment impulsa subatomskih čestica, koji odgovara njihovom kretanju kroz prostor, je uvijek cjelobrojni umnožak od , dok same subatomske čestice imaju i svoj spin, tj. unutrašnji momenat impulsa koji predstavlja svojstvo imanentno toj čestici i nema veze sa kretanjem te čestice u prostoru. Elektron, čak i da se nekako ne kreće, imao bi taj spin. Fizičari kažu za spin kako je to "intrinzička forma momenta impulsa".  Ovaj unutrašnji moment impulsa - spin je ono svojstvo po kojem se čestice dijele na one kojima je spin sijeli broj (bozoni) i one kojima je spin polovičan broj (fermioni). Recimo, shematski, spin elektrona se obično objašnjava ovako: 

pri čemu dva elektrona u istoj orbitali ne mogu imati istu vrijednost spina - recimo, u 1s2 orbitali ne mogu biti dva elektrona sa spinom čija je vrijednost +1/2 .

Spin fotona je cijeli broj i to 1.

O mogućnosti neobičnih otkrića u ovoj oblasti se spekulira još od 80-tih, a jedno od tih otkrića bi bile čestice koje imaju samo dio svog ugaonog momenta, što je prilično neobično. Profesor Donegan je siguran u to da će ovo otkriće imati velikog utjecaja na naše znanje o kvantnim fenomenima.