Τα μεγάλα επιτεύγματα των τελευταίων τεσσάρων δεκαετιών στην επιβράδυνση και παγίδευση της ατομικής κίνησης οφείλονται αποκλειστικά στις δυνάμεις που ασκεί το φως του λέιζερ στα άτομα. Όμως και αυτό το επιστημονικό πεδίο έχει την δική του προϊστορία καθώς απασχολεί ως ερευνητικό αντικείμενο την επιστημονική κοινότητα από την εποχή του Κέπλερ. Το παρόν άρθρο παρουσιάζει συνοπτικά τα επιτεύγματα της επιστήμης σε αυτό τον τομέα μέχρι την εποχή της επανάστασης που επέφερε η εμφάνιση του λέιζερ.
Η εξέλιξη της μελέτης και έρευνας πάνω στις δυνάμεις που ασκεί το φως στην ύλη χωρίζεται σε δύο περιόδους, την «κλασική» η οποία διαρκεί από το 1600 έως το 1960 και την «σύγχρονη», από το 1960 έως και σήμερα (Letokhov & Minogin, 1981). Κριτήριο αυτού του διαχωρισμού είναι η εμφάνιση της συσκευής φωτός λέιζερ που, για πρώτη φορά, μάς εφοδίασε με σύμφωνη, σχεδόν μονοχρωματική ακτινοβολία, χάρις στην οποία, ανάμεσα σε πολλά άλλα, επιτεύχθηκε η επιβράδυνση, η παγίδευση και τελικά ο απόλυτος έλεγχος της κίνησης των ατόμων που βρίσκονται σε αέρια κατάσταση. Ο όγκος και η ποιοτική διαφοροποίηση των επιτευγμάτων που ακολούθησαν είναι τέτοια που να δικαιολογούν τη διαπίστωση πως η Ατομική Φυσική διέρχεται μια περίοδο κυριολεκτικής Αναγέννησης (Lembessis, 2020). Από φυσική άποψη η βάση αυτών των φαινομένων δεν είναι παρά οι δυνάμεις που ασκεί το φως του λέιζερ στα άτομα. Όμως η ιδέα πως το φως μπορεί να ασκεί δυνάμεις πάνω στην ύλη είναι αρκετά παλαιότερη. Αυτό το παρελθόν έρχεται να αναδείξει αυτό το άρθρο.
H ιστορική αφετηρία των ερευνών πάνω στις δυνάμεις που ασκεί το φως στην ύλη είναι αναμφίβολα το 1619 όταν ο Κέπλερ, στην πραγματεία του De Cometis, υπέθεσε πως η απόκλιση που παρουσιάζουν οι ουρές των κομητών οφείλεται στην πίεση που ασκούν σε αυτές οι ηλιακές ακτίνες (Kepler, 1619). Αν και οι παρατηρούμενες αποκλίσεις δεν ερμηνεύονται αποκλειστικά και μόνο από την πίεση του φωτός, εν τούτοις, αυτή η υπόθεση έπαιξε, αργότερα, σημαντικό ρόλο στην κατανόηση του ρόλου που παίζει η πίεση του φωτός στο σύμπαν. Οι απόψεις του Κέπλερ είχαν βρει θερμή υποστήριξη από τον Δανό αστρονόμο C. S Longomontanus. Το ίδιο φυσικό φαινόμενο ενέπνευσε τον L. Euler να διατυπώσει την άποψη πως οι δέσμες φωτός μπορούν να ασκήσουν δυνάμεις και να καταλήξει σε μια θεωρητική απόδειξη δεχόμενος πως το φως είναι ένα διάμηκες κύμα (Euler, 1746). Την ίδια περίοδο ο Νεύτων ισχυρίστηκε ότι το φως ασκεί πίεση σε υλικά σώματα (Lebedev, 1901) ενώ τον επόμενο αιώνα θα γίνουν και οι πρώτες πειραματικές προσπάθειες για την μέτρηση των δυνάμεων που ασκεί το φως πάνω στα σώματα από τους J. Michel (Hardin, 1966), De Mayran (De Mairan, 1754) και A. Fresnel το 1825 (Fresnel, 1825).
«Μια πολύ μικρή εμπειρία στην προσπάθεια μέτρησης αυτών των δυνάμεων είναι αρκετή για να συνειδητοποιήσει κανείς το εξαιρετικά μικρό τους μέγεθος – γεγονός που τις καθιστά αδιάφορες για κάθε φαινόμενο που μπορεί να παρατηρηθεί στη γη.»
J. H Poynting, ομιλία στη Βασιλική Εταιρεία (Royal Society) του Λονδίνου το 1905) (Ashkin, 2000)
Πολύ αργότερα, το 1876, ο A. Bartoli θα υπολογίσει την τιμή της πίεσης που ασκεί το φως πάνω σε μια επιφάνεια βασιζόμενος σε θερμοδυναμικές αρχές (Bartoli, 1884), ενώ ο Maxwell έλυσε το ίδιο πρόβλημα με τη βοήθεια της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του (Maxwell, 1897) καταλήγοντας στο ίδιο αποτέλεσμα με τον Bartoli. O Maxwell μάλιστα θα αποδείξει πως η ροή ορμής μια δέσμης φωτός είναι ανάλογη της έντασής της. Τα αποτελέσματα του Bartoli έγιναν αντικείμενο περαιτέρω μελέτης από τον L. Boltzmann (Boltzmann, 1884) ενώ οι ίδιες θεωρητικές μέθοδοι θα χρησιμοποιηθούν από τον πρίγκηπα B. Galitzine (Galitzine, 1892), τον C. H. Guillaume (Guillaume, 1894) και τον P. Drude (Drude, 1900) για την μελέτη της πίεσης που ασκεί το φως σε ένα μέλαν σώμα. Στον αντίποδα, η μεθοδολογία του Maxwell θα επιβεβαιωθεί από περαιτέρω έρευνες των O. Heaviside (Heaviside, 1893), H. A. Lorentz (Lorentz, 1895), E. Cohn (Cohn, 1900) και D. Goldhammer (Goldhammer, 1901). To 1906 o J. H. Poynting απέδειξε πως η τιμή της πίεσης του φωτός είναι τόσο μικρή που τελικά θα έχει αποτελέσματα μόνο σε μικρά σώματα (Poynting, 1906). Το 1908 και το 1909 οι G. Mie (Mie, 1908) και P. Debye (Debye, 1909) πρότειναν λεπτομερή θεωρητικά μοντέλα για τον υπολογισμό της δύναμης που ασκεί το η σκέδαση και η πίεση του φωτός αντίστοιχα.
Στα τέλη του 19ου αιώνα είχαμε και μια ακόμη πειραματική απόπειρα από τον W. Crookes ο οποίος, το 1875, παρουσίασε το φωτοραδιόμετρο, στα μέλη της Royal Society στο Λονδίνο (Crookes, 1874). Η συσκευή αυτή περιλάμβανε μια λυχνία κενού που περιείχε ένα αιωρούμενο μεταλλικό φύλλο. Το φύλλο περιστρεφόταν όταν η συσκευή φωτιζόταν, εξαιτίας των διαφορετικών δυνάμεων που ασκούσε το φως στις δύο πλευρές του. Αφορμή για να ασχοληθεί ο, χημικός στην ειδικότητα, Crookes, με αυτό το πρόβλημα ήταν η παρατήρηση αποκλίσεων στις ακριβείς μετρήσεις της μάζας διαφόρων χημικών αντιδραστηρίων όταν οι μετρητικές του διατάξεις εκτίθεντο στο ηλιακό φως.
Η κλασική περίοδος σημαδεύτηκε από το έργο του P. N. Lebedev, ενός Ρώσου φυσικού που, το 1907, κατόρθωσε να λύσει το πολύ δύσκολο πειραματικό πρόβλημα της μέτρησης της πίεσης που ασκεί το φως σε ένα σώμα (Lebedev 1901). Για να καταλάβουμε το μέγεθος της δυσκολίας, αναλογιζόμενοι πάντα και τις πειραματικές δυνατότητες της εποχής, αρκεί να αναφέρουμε πως ένα ηλιόλουστο μεσημέρι οι ακτίνες του ήλιου ασκούν σε μια ολικά ανακλαστική επιφάνεια μια πίεση περίπου εκατό δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από την ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας. Η μέτρηση αυτής της πολύ μικρής πίεσης γινόταν ακόμη πιο δύσκολη εξαιτίας του απρόβλεπτου τρόπου με τον οποίο το φως επηρέαζε την λειτουργία των πειραματικών διατάξεων. Αυτό το πρόβλημα, το οποίο ήταν ένας πραγματικός γρίφος για τους πειραματιστές, επιλύθηκε επιδέξια από τον Lebedev (Gryslov, 1998).
Εικόνα 1: Σχεδιάγραμμα της διάταξης του Lebedev που χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της πίεσης που ασκεί το φως (Lebedev, 1901).
Η κύρια διάταξη του Lebedev ήταν ένα σύνολο από επίπεδα μεταλλικά φύλλα πολύ μικρής μάζας, φτιαγμένα από διαφορετικά υλικά και προσαρτημένα πάνω σε μια ελαφριά ράβδο. Το σύστημα ήταν εξ’ ολοκλήρου τοποθετημένο σε ένα θάλαμο κενού. Κάποια από τα φύλλα είχαν επιφάνειες από μαύρο χρώμα ώστε να είναι πλήρως απορροφητικές ενώ τα υπόλοιπα είχαν επιφάνειες πλήρως ανακλαστικές. Με αυτόν τον τρόπο ο Lebedev εξασφάλισε πως η πίεση σε μια ανακλαστική επιφάνεια ήταν διπλάσια από ότι σε μια μαύρη επιφάνεια. Αυτή η διαφορά στην πίεση ήταν υπεύθυνη για την δημιουργία ροπής πάνω στην ράβδο με αποτέλεσμα την περιστροφή του νήματος στο οποίο κρέμεται η ράβδος. Η προκύπτουσα γωνία στρέψης αποτελούσε και ένα μέτρο της πίεσης του φωτός.
Ποιοι ήταν όμως οι παράγοντες οι οποίοι διατάρασσαν τις μετρήσεις; Το πρώτο πρόβλημα ήταν ότι το προσπίπτον φως θέρμαινε τα φύλλα και τον περιβάλλοντα αέρα. Η επαγόμενη ροή αέρα δρούσε πάνω στα μεταλλικά φύλλα σαν άνεμος. Έτσι δεν ήταν δυνατόν να διακρίνουμε εάν η κίνηση των φύλλων οφειλόταν στην πίεση της ακτινοβολίας ή στην ροή του αέρα. Υπήρχε επίσης και ένα άλλο πρόβλημα. Από την στιγμή που το φως φώτιζε μόνο μια πλευρά των φύλλων προέκυπτε μια ανόμοια θέρμανση των φύλλων με αποτέλεσμα κάθε ένα από αυτά να μεταφέρει διαφορετικά ποσά ενέργειας – κατά μέσο όρο – στα μόρια του περιβάλλοντος αέρα. Λόγω της διατήρησης της ορμής η ανάκρουση των μορίων του αέρα ήταν ισχυρότερη από την μια πλευρά του φύλλου, ομοίως και η δύναμη. Αυτές οι δυνάμεις ήταν στην ίδια διεύθυνση με την δύναμη που οφειλόταν στην πίεση της ακτινοβολίας αλλά πιο ισχυρές. Ο Lebedev προσπάθησε να υπερβεί αυτά τα προβλήματα επιλέγοντας την τοποθέτηση όλου του συστήματος σε ένα θάλαμο κενού. Στην συνέχεια χρησιμοποίησε μεταλλικά φύλλα τα οποία είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας με αποτέλεσμα να ελαχιστοποιήσει τη διαφορά θερμοκρασίας στις δύο πλευρές των φύλλων. Οι μικρές μάζες των φύλλων εξασφάλιζαν μικρές ροπές αδράνειας άρα και μεγαλύτερη ευαισθησία.
Μετά από αρκετές προσπάθειες και συνδυασμούς, ο Lebedev κατάληξε σε μια τιμή για την πίεση της ακτινοβολίας η οποία απέκλινε μόλις 20% από τις θεωρητικές προβλέψεις του Maxwell. Απέδειξε λοιπόν ότι το φως μεταφέρει όχι μόνο ενέργεια αλλά και ορμή. Αξίζει να σημειωθεί πως ο Lebedev προέβλεψε ουσιαστικά την ανάπτυξη της μοντέρνας έρευνας πάνω στην πίεση της ακτινοβολίας, αφού με τα πειράματα του οδηγήθηκε στην προφητική σκέψη, ότι αυτή η πίεση θα μπορούσε να αυξηθεί δραστικά, όταν η ακτινοβολία βρίσκεται σε συντονισμό με τα άτομα και τα μόρια. Παρόμοια αποτελέσματα εξήγαγαν λίγο αργότερα και οι Nichols και Hull το 1901 και 1903 στο κολέγιο του Dartmouth της Πολιτείας του New Hampshire στις ΗΠΑ (Nichols & Hull, 1901). Σε αυτά τα πειράματα οι Nichols και Hull είχαν πετύχει μια απόκλιση μόλις 1% από τις προβλέψεις του Maxwell. Ωστόσο, όπως αναφέρει ο J. Worrall, οι Bell και Green αργότερα ανέλυσαν εκ νέου τα δεδομένα από αυτά τα πειράματα και βρήκαν αρκετά μαθηματικά λάθη καθώς οι Nichols και ο Hull είχαν χρησιμοποιήσει μια εσφαλμένη τιμή για το μηχανικό ισοδύναμο της θερμότητας, λαμβάνοντας ορισμένους λογάριθμους στη βάση 10 αντί για τη βάση e, και έκαναν αρκετά λάθη που αφορούσαν μονάδες και συντελεστές μετατροπής (Worrall, 1982). Μετά τη διόρθωση αυτών των σφαλμάτων η απόκλιση από τις προβλέψεις του Maxwell ανήλθε στο 10%.
ΑΠΟ ΤΟΝ ΜΑΚΡΟΚΟΣΜΟ ΣΤΟΝ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟ – Η ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΟΥ ΑΪΝΣΤΑΪΝ
Το κοινό στοιχείο όλων των θεωρητικών και πειραματικών προσπαθειών που προαναφέραμε ήταν η άγνοια των νόμων που διέπουν την αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη σε μικροσκοπικό επίπεδο, δηλαδή πως και με ποιους μηχανισμούς το φως αλληλεπιδρά με τα άτομα της ύλης. Εδώ η επιστήμη βρέθηκε σε μια οριακή στιγμή καθώς η κλασική φυσική αντίληψη δεν επαρκούσε για να ερμηνεύσει τα νέα πειραματικά δεδομένα που ήρθαν στο προσκήνιο. Είναι η εποχή που γεννιέται η κβαντική αντίληψη για το χαρακτήρα της ακτινοβολίας. Η αρχή έγινε με τις προσπάθειες του Planck να ερμηνεύσει το φάσμα του μέλανος σώματος όπου για πρώτη φορά γίνεται αναφορά και χρήση του γεγονότος πως η ύλη απορροφά και εκπέμπει την ακτινοβολία κατά ασυνεχή τρόπο και όχι με συνεχή όπως προέβλεπε η κλασική κυματική αντίληψη. Ο Planck θα παρουσιάσει τη θεωρία του το Δεκέμβρη του 1899 στην Ακαδημία του Βερολίνου. Ο Αϊνστάιν έσπευσε να χρησιμοποιήσει τα κβάντα του φωτός για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου σε μια εργασία που του χάρισε και το βραβείο Νόμπελ στη φυσική. Θα πρέπει να σημειώσουμε πως ο Αϊνστάιν ανέπτυξε τη θεωρία του Planck ένα βήμα παραπέρα καθώς θεώρησε την κβάντωση της ενέργειας ως μια ενδογενή ιδιότητα του πεδίου και όχι απλά ως ένα μηχανισμό ανταλλαγής ενέργειας μεταξύ της ύλης και αυτού. Στην προσπάθεια που έκανε ο Αϊνστάιν να ερμηνεύσει και να εξηγήσει το νόμο του Planck για την ακτινοβολία του μέλανος σώματος, πρότεινε το 1916 τον μηχανισμό με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά με ένα άτομο και ανταλλάσσει με αυτό ενέργεια (Einstein 1916). Σύμφωνα με την πρόταση του Αϊνστάιν η αλληλεπίδραση του φωτός με τα άτομα της ύλης γίνεται με τρεις τρόπους: την απορρόφηση ενός φωτονίου από το άτομο, την εξαναγκασμένη εκπομπή και την αυθόρμητη εκπομπή ενός φωτονίου.
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ενός μετάλλου όταν αυτό φωτιστεί με ορατή ή υπεριώδη ακτινοβολία. Κατέχει εξέχουσα θέση στην ιστορία της φυσικής καθώς η κλασική κυματική αντίληψη για το φως αδυνατούσε να ερμηνεύσει τα πειραματικά δεδομένα από τα σχετικά με αυτό το φαινόμενο πειράματα. Ο Αϊνστάιν κατόρθωσε να φωτίσει τη πραγματική φύση του φαινομένου αποδεχόμενος πως το φως αποτελείται από σωμάτια καθορισμένης ενέργειας (που αργότερα, το 1926, ο G. N. Lewis θα αποκαλέσει φωτόνια). Η ερμηνεία αυτή, μαζί με άλλες εργασίες, άνοιξε το δρόμο για την κβαντική επανάσταση. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον H, R. Hertz ενώ ο κύριος όγκος των σχετικών πειραμάτων εκτελέστηκε από τον P. Lenard.
Όταν το άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο από μια δέσμη φωτός ένα από τα ηλεκτρόνιά του ανέρχεται σε μια ανώτερη (διεγερμένη) ενεργειακή στάθμη. Το αντίθετο συμβαίνει στην εξαναγκασμένη εκπομπή όπου το ηλεκτρόνιο κατέρχεται από την διεγερμένη στάθμη αποβάλλοντας ένα φωτόνιο στην ίδια διεύθυνση με αυτήν της δέσμης του φωτός που προκάλεσε τη μετάβαση. Τι συμβαίνει όμως στην αυθόρμητη εκπομπή; Ποιος αναγκάζει σε αυτή την περίπτωση το ηλεκτρόνιο να κατέλθει; Οι αυθόρμητες εκπομπές φωτονίων αποδίδονται στην αλληλεπίδραση του ατόμου με τις ακατάπαυστες διακυμάνσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του κενού. Το κενό ενός κβαντικού πεδίου είναι η κατάσταση όπου η μέση τιμή του πεδίου είναι μηδέν αλλά, ταυτόχρονα, παρουσιάζει ισχυρές κβαντικές διακυμάνσεις γύρω από αυτήν. Ο απρόβλεπτος χαρακτήρας αυτών των διακυμάνσεων είναι η αιτία που το φωτόνιο εκπέμπεται σε μια τυχαία διεύθυνση. Το ηλεκτρόνιο λοιπόν δεν μπορεί να «ηρεμήσει» όταν βρεθεί μέσα στο κβαντικό κενό. Και ποιος ευθύνεται γι’ αυτό; Μα η αρχή της αβεβαιότητας η οποία στην περίπτωση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος μας απαγορεύει να γνωρίζουμε ταυτόχρονα την τιμή του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου με απόλυτη ακρίβεια. Κατά συνέπεια δεν είναι δυνατόν να μηδενιστούν το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο ταυτόχρονα. Ο Einstein εισήγαγε την αυθόρμητη εκπομπή με ορθό τρόπο στην απόπειρά του να ερμηνεύσει το φάσμα του μέλανος σώματος. Όμως στην εργασία του δεν γίνεται λεπτομερής αναφορά στην πραγματική φύση της αυθόρμητης εκπομπής. Οι ιδιότητές της αναδείχτηκαν αργότερα από τους E. Wigner και V. Weisskopf (Weisskopf 1930). Ο ρυθμός με τον οποίο γίνονται οι αυθόρμητες μεταβάσεις ποικίλει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της διεγερμένης στάθμης που έχει επιλεγεί.
Η απορρόφηση και η εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίου δεν είναι παρά οι δύο όψεις μιας εξαναγκασμένης ηλεκτρομαγνητικής ταλάντωσης. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του φωτός είναι ο εξωτερικός διεγέρτης με μια συχνότητα fL και το άτομο είναι το ταλαντούμενο σύστημα που χαρακτηρίζεται από μια ιδιοσυχνότητα f0 η οποία δίδεται από τη σχέση f0=(Ε2-Ε1)/h, όπου Ε1 και Ε2 είναι οι ενέργειες των δύο ατομικών σταθμών που εμπλέκονται στη μετάβαση του ηλεκτρονίου. Τα χαρακτηριστικά αυτής της ταλάντωσης εξαρτώνται πάντα από τη σχέση αυτών των δύο συχνοτήτων και τα αποτελέσματά της μεγιστοποιούνται στην περίπτωση του συντονισμού, δηλαδή όταν fL = f0. Η εξαναγκασμένη εκπομπή ουσιαστικά αγνοήθηκε για πολλά χρόνια καθώς σε συνήθεις συνθήκες ισορροπίας, τα άτομα είναι πιο πιθανόν να καταλαμβάνουν μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση παρά μια διεγερμένη. Συνεπώς η εξαναγκασμένη εκπομπή φωτός δεν μπορεί να διαδραματίσει πρωταγωνιστικό ρόλο και αυτός είναι ο λόγος που οι επιστήμονες δεν είχαν δώσει μεγάλη σημασία στα ειδικά χαρακτηριστικά του φωτός που παράγεται με αυτό τον τρόπο. Πράγματι τα φωτόνια που προέρχονται από εξαναγκασμένη εκπομπή είναι όλα σε συμφωνία φάσης μεταξύ τους και κινούνται στην ίδια κατεύθυνση με τα φωτόνια που προκάλεσαν την εκπομπή. Με απλά λόγια το κάθε φωτόνιο είναι ένα «πιστό» αντίγραφο του άλλου. Από την δεκαετία του 1930 οι επιστήμονες είχαν αντιληφθεί πως αυτή η εικόνα θα μπορούσε να αναστραφεί, εάν ήταν δυνατό να επιτευχθεί μια κατάσταση μη θερμοδυναμικής ισορροπίας, όπου τα άτομα, ως επί το πλείστον, θα προτιμούσαν να βρίσκονται σε μια διεγερμένη κατάσταση. Σε αυτήν την περίπτωση το πλήθος των διεγερμένων ατόμων θα ξεπερνούσε αυτό των ατόμων σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως αναστροφή πληθυσμών και έχει διαδραματίσει θεμελιώδη ρόλο στην παραγωγή του φωτός λέιζερ.
Συνήθως οι ευφυείς άνθρωποι είναι αυτοί που δίνουν μεγάλη σημασία στις λεπτομέρειες εκείνες που λανθάνουν της προσοχής των υπολοίπων. Επιπλέον είναι γνωστό, πως πίσω από τις λεπτομέρειες αρέσκεται να κρύβεται ο διάβολος. Ένα χρόνο αργότερα, το 1917, ο Einstein μελέτησε την ανταλλαγή ορμής ανάμεσα στο φως και στα άτομα, σε μια εργασία του στην οποία σημείωσε (Einstein 1917):
«Στην πράξη όλες οι θεωρίες που προσπαθούν να ερμηνεύσουν την ακτινοβολία του μέλανος σώματος βασίζονται στην μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ ακτινοβολίας και μορίων. Εν τούτοις λαμβάνουν υπ’ όψη μόνο την ανταλλαγή ενέργειας χωρίς να υπολογίζουν την ανταλλαγή ορμής. Η δικαιολογία είναι εύκολη, καθώς το μέγεθος της ανταλλασσόμενης ορμής είναι πολύ μικρό στην πράξη συγκρινόμενο με άλλες διαδικασίες που μπορούν να επηρεάσουν την κίνηση. Εν τούτοις για την θεωρητική συζήτηση αυτές οι πολύ μικρές δράσεις πρέπει να θεωρηθούν εξίσου σημαντικές όσο και η ανταλλαγή ενέργειας με την ακτινοβολία, καθώς ενέργεια και ορμή είναι άμεσα συνδεδεμένες.».
Όπως ανέδειξαν τα επιτεύγματα των τελευταίων τεσσάρων δεκαετιών στην φυσική των ψυχρών ατόμων, αυτές οι πολύ μικρές δράσεις είναι σημαντικές όχι μόνο για τη θεωρητική συζήτηση.
Αξίζει να δούμε λίγο πιο αναλυτικά αυτή την επιχειρηματολογία καθώς αποτελεί την φυσική βάση των δυνάμεων που ασκεί το φως στην ατομική ύλη. Κάθε μια από τις τρεις διαδικασίες που εισήγαγε ο Einstein συνοδεύεται από μετακίνηση ενός ηλεκτρόνιου από μια ενεργειακή στάθμη σε μια άλλη. Οι τρεις αυτοί μηχανισμοί είναι υπεύθυνοι για την ανταλλαγή ενέργειας και ορμής με το άτομο και συνεπώς δίνουν την δυνατότητα επηρεασμού της ατομικής κίνησης. Όταν το άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο αποκτά μια ποσότητα ορμής στην διεύθυνση διάδοσης του φωτονίου. Αν, τώρα, το άτομο αποδιεγερθεί μέσω εξαναγκασμένης εκπομπής το φωτόνιο θα εκπεμφθεί στην αρχική του διεύθυνση οπότε λόγω της αρχής διατήρησης της ορμής το άτομο θα ανακρούσει προς τα πίσω. Δηλαδή ο συνδυασμός απορρόφησης-εξαναγκασμένης εκπομπής δεν οδηγεί σε καθαρή μεταβολή της ατομικής ορμής. Αντίθετα, αν το άτομο επιστρέψει στην θεμελιώδη στάθμη του μέσω αυθόρμητης εκπομπής αυτό οδηγεί σε μεταβολή της ατομικής ορμής καθώς η αυθόρμητη εκπομπή μπορεί να γίνει προς μια τυχαία διεύθυνση. Η αλληλοδιαδοχή αυτών των δύο δυνατών συνδυασμών, που εξαρτώνται κάθε φορά από την ένταση του φωτός και τα φυσικά χαρακτηριστικά του ατόμου, είναι η φυσική βάση της μηχανικής δράσης του φωτός πάνω στα άτομα (Εικ. 2). Ένα απλό αριθμητικό παράδειγμα αρκεί για να έχουμε μια πιο σαφή εικόνα της τάξης μεγέθους αυτών των φαινομένων. Ας υποθέσουμε πως έχουμε ένα άτομο νατρίου που απορροφά ή εκπέμπει ένα φωτόνιο με μήκος κύματος λ = 589 nm και ανακρούει στην αντίθετη κατεύθυνση. Λόγω διατήρησης της ορμής, το άτομο θα αποκτήσει μια ορμή ίση με 2πh/λ. Η ταχύτητα ανάκρουσης είναι ίση με vαν = 2πh/(λM), όπου Μ η μάζα του ατόμου του νατρίου, και είναι ίση με 3,5 cm/s, περίπου όσο η ταχύτητα με την οποία κινείται ένας βραδύποδας! Για να καταλάβουμε το πόσο μικρό είναι το μέγεθος αυτής της ταχύτητας αρκεί να σκεφτούμε πως όταν το άτομο νατρίου βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου, τότε κινείται με μια μέση ταχύτητα περίπου 570 m/s, δηλαδή 1,6 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ήχου. Η επιλογή ως παραδείγματος του ατόμου του νατρίου δεν έγινε τυχαία. Τα άτομα των αλκαλίων έχουν κεντρικό ρόλο σε όλες τις πειραματικές εργασίες που εμπλέκονται ψυχρά και παγιδευμένα άτομα.
Εικόνα 2: Οι τρεις βασικές διαδικασίες αλληλεπίδρασης του φωτός με ένα άτομο με τις αντίστοιχες μετακινήσεις του ηλεκτρονίου ανάμεσα στις δύο ενεργειακές καταστάσεις. Στην πρώτη περίπτωση το άτομο απορροφά ένα φωτόνιο και αποκτά μια επιπλέον ορμή προς τα δεξιά. Στην δεύτερη περίπτωση το άτομο εκπέμπει αυθόρμητα ένα φωτόνιο προς μια τυχαία κατεύθυνση και «ανακρούει» προς την αντίθετη. Στην τρίτη περίπτωση το άτομο εξαιτίας της αλληλεπίδρασης με ένα φωτόνιο της δέσμης εκτελεί μια εξαναγκασμένη εκπομπή φωτονίου. Το φωτόνιο που εκπέμπεται είναι πιστό αντίγραφο του φωτονίου που προκάλεσε την εκπομπή του. Κατά συνέπεια κινείται προς τα δεξιά ενώ το άτομο «ανακρούει» προς τα αριστερά.
ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟΝ 20Ο ΑΙΩΝΑ
Παρά την πενία πειραματικών μέσων στην κλασική περίοδο, θα πραγματοποιηθούν αρκετά σημαντικά πειράματα που άνοιξαν το δρόμο προς τα σύγχρονα πειράματα πάνω στην αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη. To 1909, ο J. H. Poynting θα δημοσιεύσει μια πολύ ενδιαφέρουσα θεωρητική εργασία, σχετικά με τη δυνατότητα του κυκλικά πολωμένου φωτός να ασκεί ροπή σε ένα λεπτό πλακίδιο. Πρότεινε επίσης μια πειραματική διάταξη για να μετρηθεί αυτή η ροπή (Poynting, 1909). H εκτέλεση αυτού του πειράματος δεν ήταν τότε τεχνικά δυνατή. Δυο δεκαετίες μετά, το 1936, μια πολύ κομψή παραλλαγή αυτού του πειράματος έγινε δυνατή από τον Η. Beth (Beth 1936). Σε αυτό το πείραμα ένα πλακίδιο αναρτημένο από ένα λεπτό νήμα εκτέθηκε σε κυκλικά πολωμένη ακτινοβολία με αποτέλεσμα να τεθεί σε περιστροφική κίνηση, ενδεικτική της ύπαρξης ροπής. Η ροπή που μετρήθηκε συμφωνούσε σε διεύθυνση και μέτρο με αυτήν που είχε προβλεφθεί σε θεωρητικές εργασίες. Αξίζει να σημειώσουμε πως μέσω αυτού του πειράματος έγινε, για πρώτη φορά, δυνατή η πειραματική μέτρηση της σταθεράς του Planck. Την ίδια περίοδο, το 1933, ο R. Frisch, στο Αμβούργο, παρατήρησε την απόκλιση μιας δέσμης ατόμων νατρίου όταν τα ακτινοβόλησε με φως από μια λάμπα νατρίου. Επειδή το φως της λάμπας είχε χαμηλή φασματική ευκρίνεια, δηλαδή όχι τόσο αυστηρά καθορισμένη συχνότητα, η δέσμη απόκλινε μόλις κατά ένα εκατοστό του χιλιοστού του μέτρου από την πορεία της.
Εκείνη την περίοδο σημαντική, επίσης, ήταν η προσφορά του I. Rabi. Ο Rabi δεν εργάστηκε πάνω στο θέμα των δυνάμεων που ασκεί το φως στην ύλη. Ήταν όμως ο αυτός που ανέβασε σε ένα άλλο επίπεδο τα πειράματα αλληλεπίδρασης της ύλης με την ακτινοβολία. Ο Rabi είναι ο πατέρας του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (ΝΜR) καθώς, την δεκαετία του 1930, επινόησε μια μέθοδο μέτρησης των μαγνητικών ροπών των πυρήνων των ατόμων όταν αυτά αλληλεπιδρούν με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. Με αυτή τη μέθοδο έκανε ακριβείς μετρήσεις των μαγνητικών ροπών του πρωτονίου και του δευτερίου. Ο μαθηματικός φορμαλισμός αυτού του φαινομένου είναι ταυτόσημος με αυτόν της αλληλεπίδρασης ενός ατόμου με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με συχνότητα στην περιοχή του ορατού. Αυτό ακριβώς συμβαίνει όταν ένα λέιζερ αλληλεπιδρά με άτομα. Το ηλεκτρόνιο του ατόμου «ταλαντώνεται» στο εσωτερικό του ατόμου ανάμεσα σε μια χαμηλότερη και μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη. Οι ταλαντώσεις αυτές φέρουν, τιμητικά, το όνομα του Rabi. Ο Rabi τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ φυσικής το 1944 και ανήκε σε εκείνους τους Αμερικανούς επιστήμονες που στη δεκαετία του 1980 είχαν αντιταχθεί στο ψυχροπολεμικό πρόγραμμα Πόλεμος των Άστρων της κυβέρνησης R. Reagan σε έναν συνδυασμό επιστημονικής αξίας και ήθους που σπανίζει στις ημέρες μας. Τέλος, πολύ σημαντική σε σχέση με όσα έμελλε να ακολουθήσουν ήταν η προσφορά του Γάλλου φυσικού Α. Κastler. Το 1950 ο Kastler χρησιμοποίησε την αλληλεπίδραση ατόμων με κυκλικά πολωμένο φως για να ευθυγραμμίσει ή να διαταράξει τον προσανατολισμό του σπιν των ατόμων (Κastler 1950). Ο Kastler τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ στη φυσική το 1966.
Οι εργασίες των Rabi και Kastler αφορούσαν σε προσπάθειες ελέγχου των λεγόμενων «εσωτερικών βαθμών ελευθερίας» των σωματιδίων. Δηλαδή στην προσπάθεια να χρησιμοποιήσουμε την αλληλεπίδραση των ατόμων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία για να μεταβάλλουμε ή να ελέγξουμε την εσωτερική κατάσταση των ατόμων. Στην «κλασική» περίοδο είχαμε και τα πρώτα σημαντικά πειράματα στα οποία έγινε προσπάθεια να επηρεαστούν οι «εξωτερικοί βαθμοί ελευθερίας» δηλαδή η μεταφορική κίνηση ατομικών και άλλων σωματιδίων. Το πρώτο από αυτά ήταν το πείραμα των Stern-Gerlach το 1921 (Stern 1922). Σε αυτό το πείραμα μια δέσμη ατόμων αργύρου διέσχισε ένα στατικό ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο. Η δέσμη διαχωρίστηκε σε δύο μικρότερες που κατευθύνθηκαν η μια προς την περιοχή που το μαγνητικό πεδίο ήταν ισχυρό και η άλλη προς την περιοχή που το πεδίο ήταν ασθενές. Ο διαχωρισμός αυτός ήταν αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του μαγνητικού πεδίου με το σπιν των ατόμων του αργύρου. Η δύναμη που ασκείται σε αυτήν την περίπτωση στα άτομα του άργυρου μπορεί να γίνει έως και έξι χιλιάδες φορές ισχυρότερη από τη βαρυτική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παγίδευση ουδέτερων σωματίων όπως άτομα, νετρόνια και μόρια. Η πρώτη τέτοια παγίδα για νετρόνια κατασκευάστηκε από τον W. Paul και την ερευνητική του ομάδα (Paul, 1990) ενώ το 1985 θα κατασκευαστεί η πρώτη μαγνητική παγίδα για άτομα από την ομάδα του W. Phillips (Migdall 1985).
Εικόνα 3: Απεικόνιση μιας γραμμικής παγίδας Paul. Στο ένθετο βλέπουμε την απεικόνιση οκτώ ιόντων παγιδευμένων σε αυτήν. (Ευγενική προσφορά στο συγγραφέα του R. Blatt, Καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Ίννσμπρουκ και του φωτογράφου Christof Lackner)
Η επόμενη γενιά πειραμάτων προσπάθησε να εκμεταλλευτεί τις ισχυρές δυνάμεις που ασκεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε ένα φορτισμένο σωματίδιο. Όπως γνωρίζουμε από τα σχολικά μας χρόνια ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ασκεί σε ένα ηλεκτρικό φορτίο q μια δύναμη που δίνεται από τη σχέση F=q(E+v×B) όπου Ε είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, Β η μαγνητική επαγωγή, v η ταχύτητα του σωματιδίου. Σε αυτήν τη δύναμη βασίστηκε η κατασκευή της παγίδας Paul το 1950 από τον W. Paul στη Βόννη, (Paul, 1990), και της παγίδας Penning που κατασκευάστηκε αργότερα από τον H. Dehmelt (Dehmelt 1968, 1990). Με τις διατάξεις αυτές έγινε δυνατή για πρώτη φορά η παγίδευση ιόντων και ηλεκτρικά φορτισμένων υποατομικών σωματιδίων. Το 1973, μάλιστα, η ομάδα του Dehmelt θα πετύχει για πρώτη φορά την παγίδευση ενός μεμονωμένου ιόντος και μάλιστα θα κατορθώσει να το διατηρήσει εγκλωβισμένο για διάστημα μερικών μηνών. Το 1987 σε μια παραλλαγή του πειράματος αυτού επιτεύχθηκε για πρώτη φορά η παγίδευση του ποζιτρονίου που είναι το αντισωμάτιο του ηλεκτρόνιου. Και οι δύο αυτές παγίδες έχουν χρησιμοποιηθεί ευρύτατα στη σύγχρονη φυσική, τόσο για την επιβράδυνση της κίνησης των σωματιδίων όσο και στην ακριβή μέτρηση της συχνότητας κυκλότρου qΒ/m, (όπου m η μάζα του σωματιδίου). Μετρώντας αυτήν τη συχνότητα για ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, αντίστοιχα, η παγίδα Penning έχει χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της συμμετρίας ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη με αξεπέραστη ακρίβεια. Επίσης με αυτή την παγίδα η ερευνητική ομάδα του Dehmelt έχει ελέγξει τις προβλέψεις της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής σε επίπεδο ακρίβειας της τάξης του τρισεκατομμυριοστού. Το 1988 σε μεμονωμένα παγιδευμένα ιόντα βαρίου θα παρατηρηθούν για πρώτη φορά τα περίφημα κβαντικά άλματα, δηλαδή οι απότομες και απρόβλεπτες μεταβάσεις του ηλεκτρονίου από μια στάθμη σε μια άλλη λόγω των τριών βασικών μηχανισμών που περιγράψαμε νωρίτερα (Sauter 1988). Τα μεμονωμένα παγιδευμένα ιόντα έχουν χρησιμοποιηθεί στη φασματοσκοπία και μετρολογία πολύ υψηλής ακρίβειας και σε πειράματα επεξεργασίας της κβαντικής πληροφορίας. Για την ανακάλυψη αυτή οι Paul και Dehmelt μοιράστηκαν το 1989 το βραβείο Νόμπελ στη φυσική. Ένας προσεκτικός αναγνώστης θα παρατηρούσε πως τα περισσότερα από τα παραπάνω πειράματα έχουν γίνει μετά την έλευση του φωτός λέιζερ. Εντούτοις όμως, αυτά τα πειράματα μπορούν να θεωρηθούν ως ανήκοντα στην «κλασική» εποχή καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που εμπλέκονται σε αυτά δεν είχαν δημιουργηθεί από δέσμες λέιζερ. Η εκτέλεση πειραμάτων πάνω στην αλληλεπίδραση της ύλης με το φως, είτε σε μακροσκοπικό επίπεδο ή σε ατομικό επίπεδο ήταν μέχρι το 1960 ένα δύσκολο ζήτημα. Η κατάσταση άλλαξε άρδην με την εμφάνιση του λέιζερ που στην κυριολεξία έφερε επανάσταση και σε αυτό το επιστημονικό πεδίο.
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
Η κεντρική εικόνα του άρθρου ευγενική προσφορά του ζωγράφου Παναγιώτη (Τάκη) Βαρελά, μέλους του ΔΣ του Εθνικού Μουσείου Σύγχρονης Τέχνης (ως εκπρόσωπος του Επιμελητήριου Εικαστικών Τεχνών Ελλάδας). Η συντακτική επιτροπή του InS ευχαριστεί τον κ. Βαρελά για την προσφορά του.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Ashkin, A., 2000. History of optical trapping and manipulation of small-neutral particles, atoms, and molecules. IEEE J. Sel. Top. Quant. El., 6, 841. DOI: 10.1109/2944.902132
Bartoli A., 1884. Exner’s Rep. d. Physik 21, 198. German translation from Nuovo Cimento 15, 195 (1883).
Beth R. A., 1936. Mechanical Detection and Measurement of the Angular Momentum of Light. Phys. Rev. 11, p. 115. https://doi.org/10.1103/PhysRev.50.115
Boltzmann L., 1884. Wied. Ann. 22, σελ. 33, 291, 616.
Cohn E., 1900. Das electromagnetische Feld. Leipzig, σελ. 543. https://archive.org/details/DasElektromagnetischeFeld
Crooks W., 1874. Philos. Transact. of the R. S. of London 164, 501. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k55969n/f525.item
Debye P., 1909. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem material. Ann. Phys. 335(11), p. 57. 10.1002/andp.19093351103
Dehmelt H. G., 1990. Experiments with an isolated subatomic particle at rest. Rev. Mod. Phys. 62, p. 525. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.62.525
De Mairan, 1754. Traitè physique et historique de l’Aurore Boréale (Seconde Edition). Paris,
p. 371. https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k3586v.texteImage
Drude P., 1900. Lehrbuch der Optik. Leipzig, p. 447. https://doi.org/10.1038/062595a0
Einstein A., 1916. Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18, p. 318. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1916DPhyG..18..318E/abstract
Einstein A., 1917. The Quantum Theory of Radiation. Phys. Zeit. 18, p. 121. http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/einstein17/eng.pdf
Euler L., 1746., Recherches Physiques sur la cause de la queue des comètes, de la lumière boréale, et de la lumière zodiacale. Histoire de l’Academie de Berlin 2, 121. https://fr.wikisource.org/wiki/Encyclop%C3%A9die_m%C3%A9thodique/Physique/AURORE_BOR%C3%89ALE
Fresnel A., 1825. Ann. de Chimie et de Phys. (2) 29, 57, p. 107.
Galitzine B., 1892. Wied. Ann. 47, p.479.
Guillaume S. E., 1894. Archives des Sciences phys. et nat. de Genève 31, p. 121.
Goldhammer D. A., 1901. Ann. d. Phys. 4, 834. https://doi.org/10.1002/andp.1901309041
Gryslov S. V., 1998. Η πίεση του φωτός. Quantum 4, 47, Ελληνική Έκδοση.
Hardin C. L., 1966. The scientific work of the Reverend John Michell. Ann. Sci. 22(1), p. 27. https://doi.org/10.1080/00033796600203015
Heaviside O., 1893. Electromagnetic Theory 1, 334. https://www.scribd.com/doc/63432697/Oliver-Heaviside-Electromagnetic-Theory-Vol-1
Κastler A., 1950. Quelques suggestions concernant la production optique et la détection optique d’une inégalité de population des niveaux de quantifigation spatiale des atomes. Application à l’expérience de Stern et Gerlach et à la résonance magnétique. J.Phys.Radium 11, 255-265. https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00234250/document
Kepler, J. 1619. De Cometis libelli tres. Avgvstæ Vindelicorvm, A. Apergeri. https://doi.org/10.3931/e-rara-1007
Lebedev P. N., 1901. Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes. Ann. Phys. 6, p. 433. http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/lebedev01/eng.pdf. Η ίδια εργασία έχει δημοσιευθεί στα αγγλικά στο Lebedev P. N., 1902. An experimental investigation of the pressure of Light. Astrophys. J. 15, p. 60. 10.1086/140887
Lembessis V. E., 2020. Taming Atoms: The Renaissance of Atomic Physics. Bellingham, Washington USA: SPIE. https://spie.org/Publications/Book/2563827?SSO=1
Letokhov V. S., and Minogin V. G., 1981. Laser radiation pressure on free atoms. PHYSICS REPORTS 73, No 1., 1-65. https://doi.org/10.1016/0370-1573(81)90116-2
Lorentz, A., 1895. Versuch einer Theorie der electromagnetischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern. Leiden, p. 29. https://doi.org/10.17192/eb2021.0037
Mie G., 1908. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Ann. Phys. 330(3), p. 377. https://doi.org/10.1002/andp.19083300302
Migdall A. L., Prodan J. V., Phillips W. D., Bergeman T. H., and Metcalf H. J, 1985. First Observation of Magnetically Trapped Neutral Atoms. Phys. Rev. Lett. 54, 2596. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.54.2596
Nichols E. W., and Hull G. F., 1901. A Preliminary Communication on the Pressure of Heat and Light Radiation. Phys. Rev. 13, p. 307. https://doi.org/10.1103/PhysRevSeriesI.13.307
Paul W., 1990. Electromagnetic traps for charged and neutral particles. Rev. Mod. Phys. 62, 531. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.62.531
Phillips W., 2012. Interview. Nature 490, S12, 11th October. https://doi.org/10.1038/490S11a
Poynting J. H., 1906. Some astronomical consequences of the pressure of light. Nature 75(1934), p. 90. https://adsabs.harvard.edu/pdf/1907PA…..15..626P
Poynting J., 1909. The wave motion of a revolving shaft, and a suggestion as to the angular momentum in a beam of circularly polarised light. Proc. R. Soc. Lond. A Ser. A 82, p. 560. https://doi.org/10.1098/rspa.1909.0060
Sauter Th., Neuhauser W., Blatt R., and Toschek P. E., 1988. Observation of Quantum Jumps. Phys. Rev. Lett. 57, p. 1696. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.1696
Schrödinger E., 1952. Are There Quantum Jumps? The British Journal for the Philosophy of Science 3, No 11, p. 233. 10.1093/bjps/III.11.233
Stern W., and Gerlach O., 1922. Das magnetische Moment des Silberatoms. Zeitschrift für Physik 9, p. 353. http://dx.doi.org/10.1007/BF01326984
Weisskopf V. F., and Wigner E. P., 1930. Berechnung der natürlichen linienbreite auf grund der diracshen lichttheorie. Z. Physik 63, p. 54. 10.1007/BF01336768
Wooters W. K., and Zurek W., 1982. H. A single quantum cannot be cloned. Nature 299 (5866), p. 802. 10.1038/299802a
Worrall, J. 1982. The pressure of light: The strange case of the vacillating ‘crucial experiment’. 10.1016/0039-3681(82)
Stud. Hist. Phil. Science Part A, 13, p. 133. https://ur.booksc.eu/book/16308509/3a72e5
