Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα, σύμφωνα με τον οποίο κάθε δράση συνοδεύεται από μια ίση και αντίθετη αντίδραση, θεωρείται μία από τις θεμελιώδεις αρχές της κλασικής μηχανικής. Κι όμως, ένα νέο πείραμα δείχνει ότι σε ένα κβαντικό ρεύμα φωτός η αρχή αυτή μπορεί να παραβιαστεί με έναν τρόπο που όχι μόνο είναι εφικτός, αλλά μπορεί να αποδειχθεί και χρήσιμος.
Φυσικοί δημιούργησαν έναν τεχνητό «κολυμβητή» από κβαντικό φως, ο οποίος κατάφερε να κινηθεί αντίθετα στο ρεύμα, χωρίς να καταναλώνει ενέργεια για να το πετύχει. Το αποτέλεσμα ανοίγει νέες δυνατότητες για τον έλεγχο του κβαντικού φωτός σε πειράματα και μελλοντικές τεχνολογικές εφαρμογές.
Για τα περισσότερα αντικείμενα, κάθε δράση συνοδεύεται από μια ίση και αντίθετη αντίδραση. Η κίνηση αντίθετα σε ένα ρεύμα είναι φυσικά δυνατή, όπως συμβαίνει με ορισμένα ζώα και σκάφη, αλλά απαιτεί την κατανάλωση ενέργειας. Ο Γι Χου από το Πανεπιστήμιο Νανκάι στην Κίνα και οι συνεργάτες του θέλησαν να εξετάσουν αν θα μπορούσε να υπάρξει ένας παθητικός «κολυμβητής» που θα κινείται αντίθετα στο ρεύμα χωρίς να χρειάζεται να καταναλώνει ενέργεια.
Για να το πετύχουν, οι ερευνητές στράφηκαν σε ένα κβαντικό σύστημα. Προηγούμενα πειράματα έχουν δείξει ότι το κβαντικό φως μπορεί να ελεγχθεί με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια, επιτρέποντας στους επιστήμονες να δημιουργήσουν τόσο το «ρεύμα» όσο και τον «κολυμβητή».
Συγκεκριμένα, δημιούργησαν ένα κβαντικό ρευστό φωτός διοχετεύοντας ακτίνες λέιζερ σε έναν ειδικό κρύσταλλο, ο οποίος είχε εκτεθεί σε ηλεκτρική τάση. Η διαδικασία αυτή έκανε τα φωτόνια να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και να σχηματίσουν ένα σύστημα που έμοιαζε με ρεύμα.
Ο «κολυμβητής» ήταν μια διαφορετική δέσμη κβαντικού φωτός, η οποία διαμορφώθηκε ώστε να σχηματίζει ένα μοναχικό κύμα.
Στην κλασική φυσική, ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα θα απαιτούσε ο «κολυμβητής» και το ρεύμα να ασκούν ο ένας στον άλλο δυνάμεις ίδιου τύπου, είτε ελκτικές είτε απωστικές. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και με τη βαρύτητα: η Γη έλκει το σώμα μας προς τα κάτω, ενώ το σώμα μας ασκεί αντίστοιχη έλξη προς τη Γη.
Στο κβαντικό πείραμα, όμως, συνέβη κάτι διαφορετικό. Ο «κολυμβητής» παρουσίασε ελκτική αλληλεπίδραση με το κβαντικό ρεύμα, ενώ το ίδιο το ρεύμα παρουσίασε απωστική δύναμη. Πρόκειται για μια «μη αμοιβαία» αλληλεπίδραση, η οποία παραβιάζει την αρχή δράσης-αντίδρασης.
Το αποτέλεσμα ήταν μια συνολική δύναμη που έσπρωχνε τον «κολυμβητή» αντίθετα προς το ρεύμα, επιτρέποντάς του να κινηθεί upstream, δηλαδή προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη ροή του κβαντικού ρευστού, όπως εξηγεί ο Χου.
«Για μένα, το σημαντικότερο συμπέρασμα είναι ότι η ενεργή συμπεριφορά δεν απαιτεί απαραίτητα ένα εγγενώς ενεργό σωματίδιο ή έναν κολυμβητή», σημειώνει ο ίδιος.
Ο Ματίας Άλμπερτ από το Πανεπιστήμιο της Κυανής Ακτής στη Γαλλία επισημαίνει ότι η κίνηση αντίθετα στο ρεύμα έχει επιτευχθεί και στο παρελθόν σε άλλα κβαντικά ρευστά φωτός. Ωστόσο, στις προηγούμενες προσπάθειες η κίνηση βασιζόταν στη δημιουργία μικροσκοπικών δινών πίσω από τον «κολυμβητή».
Η δημιουργία αυτών των δινών προκαλούσε μια αντίδραση που έσπρωχνε τον «κολυμβητή» προς τα εμπρός. Σύμφωνα με τον Άλμπερτ, το νέο πείραμα παρουσιάζει έναν θεμελιωδώς διαφορετικό μηχανισμό κίνησης.
Οι μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις είναι ήδη γνωστό ότι μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της κίνησης της λεγόμενης «ενεργής ύλης», δηλαδή συστημάτων στα οποία τα αντικείμενα καταναλώνουν ενέργεια προκειμένου να κινηθούν. Παραδείγματα αποτελούν βακτηριακά μείγματα, σμήνη πουλιών και σμήνη μικροσκοπικών ρομπότ.
Στην περίπτωση όμως των πειραμάτων του Χου και των συνεργατών του, το αντικείμενο δεν καταναλώνει ενέργεια και παρ’ όλα αυτά επωφελείται από τη μη αμοιβαία αλληλεπίδραση. Η εργασία θα μπορούσε έτσι να συμβάλει στη δημιουργία ενός νέου τύπου ενεργής ύλης σε κβαντικά συστήματα.
«Το ερώτημα αυτό βρίσκεται πολύ έντονα στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος αυτή τη στιγμή, με αρκετές ομάδες να εξετάζουν πώς μπορούν να συνδυαστούν οι έννοιες της ενεργής ύλης με τα κβαντικά ρευστά και τα φωτονικά συστήματα», λέει ο Άλμπερτ.
Η δυνατότητα ελέγχου «κομματιών» φωτός ώστε να κινούνται προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση θα μπορούσε, σύμφωνα με τον ίδιο, να αποδειχθεί χρήσιμη στο μέλλον σε συσκευές που χρησιμοποιούν κβαντικό φως. Τέτοιες συσκευές έχουν ήδη σημαντικό ρόλο, μεταξύ άλλων, στις επικοινωνίες και στην επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας.
Το επόμενο βήμα για την ερευνητική ομάδα είναι να κατασκευάσει πιο σύνθετα πειράματα, στα οποία θα μπορεί να ελέγχει με μεγαλύτερη ακρίβεια την κίνηση του «κολυμβητή». Οι ερευνητές θέλουν επίσης να εξετάσουν τι συμβαίνει όταν πολλοί «κολυμβητές» τοποθετούνται ταυτόχρονα μέσα στο ίδιο κβαντικό ρευστό.
Με πληροφορίες από το Newscientist / Physical Review A / Phys
