Dans une publication récente, Des chercheurs de l'Université Aalto montrent que dans un milieu transparent, chaque photon est accompagné d'une onde de densité de masse atomique. La force optique du photon met les atomes du milieu en mouvement et les fait transporter 92% de la quantité de mouvement totale de la lumière, dans le cas du silicium.

La nouvelle découverte résout le paradoxe du centenaire de la lumière. Dans la littérature, il a existé deux valeurs différentes pour la quantité de mouvement de la lumière dans le milieu transparent. Typiquement, ces valeurs diffèrent d'un facteur dix et cet écart est connu sous le nom de paradoxe de la quantité de mouvement de la lumière. La différence entre les valeurs de quantité de mouvement est causée par la négligence de la quantité de mouvement des atomes se déplaçant avec l'impulsion lumineuse.

Pour résoudre le paradoxe de la quantité de mouvement, les auteurs prouvent que la théorie de la relativité restreinte nécessite une densité atomique supplémentaire pour voyager avec le photon. Dans les simulations informatiques classiques connexes, ils utilisent le champ de force optique et la deuxième loi de Newton pour montrer qu'une onde de densité de masse atomique accrue se propage à travers le milieu avec l'impulsion lumineuse.

Le transfert de masse conduit à la division de la quantité de mouvement totale de la lumière en deux composants. La part de quantité de mouvement des champs est égale à la quantité de mouvement d'Abraham tandis que la quantité de mouvement totale, qui comprend aussi la quantité de mouvement des atomes poussés vers l'avant par la force optique, est égal à la quantité de mouvement de Minkowski.

"Puisque notre travail est théorique et informatique, il doit encore être vérifié expérimentalement, avant qu'il ne devienne un modèle standard de lumière dans un milieu transparent. Mesurer la quantité de mouvement totale d'une impulsion lumineuse n'est pas suffisant mais il faut aussi mesurer la masse atomique transférée. Cela devrait être réalisable en utilisant les techniques interférométriques et microscopiques actuelles et les matériaux photoniques courants, ", explique le chercheur Mikko Partanen.

Applications interstellaires potentielles de la découverte

Les chercheurs travaillent sur des applications optomécaniques potentielles rendues possibles par l'onde de choc optique des atomes prédite par la nouvelle théorie. Cependant, la théorie s'applique non seulement aux liquides et aux solides transparents, mais aussi au gaz interstellaire dilué. En utilisant une simple considération cinématique, on peut montrer que la perte d'énergie causée par l'effet de transfert de masse devient pour le gaz interstellaire dilué proportionnelle à l'énergie des photons et à la distance parcourue par la lumière.

"Cela incite à d'autres simulations avec des paramètres réalistes pour la densité de gaz interstellaire, propriétés et température du plasma. Actuellement, la loi de Hubble s'explique par le fait que le décalage Doppler est plus important à partir d'étoiles distantes. Cela soutient efficacement l'hypothèse de l'expansion de l'univers. Dans la théorie du polariton de masse de la lumière, cette hypothèse n'est pas nécessaire puisque le décalage vers le rouge devient automatiquement proportionnel à la distance de l'étoile à l'observateur, " explique le professeur Jukka Tulkki.