Forskere opdager ny optisk kraftpåvirkning

Det hører til sjældenhederne, at forskere finder en overset form for kraftpåvirkning. Men det er præcis det, som to forskere i Massachusetts i USA har gjort.

De har vist, at der findes en optisk kraft, der har store lighedspunkter med den opadrettede kraft på en flyvinge.

Ifølge Bernoullis princip fra 1738 vil en luftmasse med høj hastighed udøve et lavere tryk end en luftmasse med en lav hastighed. Det er den korte forklaring på, at vingerne kan holde en flyvemaskine i luften.

Magnus-effekten, der forklarer, at en roterende bold i en luftstrøm udsættes for en kraft, der er vinkelret på luftstrømmen, har også rod i Bernoullis princip. Det er denne effekt, der får en tennisbold med topspin til at dykke nedad, og en fodbold med sideskru til at brække til siden i luften.

Umiddelbart skulle man ikke tro, at der findes et optisk Bernoulli-princip. Da lysets hastighed er konstant, er der jo samme relative hastighed af fotoner på begge sider af en flyvinge eller en roterende bold.

Ikke desto mindre viser det sig, at der findes en tilsvarende form for kraftpåvirkning.

Ramis Movassagh fra Northeastern University i Boston og Steven G. Johnson fra Massachusetts Institute of Technology i Cambridge har i detaljer analyseret, hvordan et cylindrisk roterende materiale, der bevæger sig i et elektromagnetisk felt, opfører sig.

Hvis der er tale om et dielektrisk materiale, som eksempelvis en glasstang, så vil det elektromagnetiske felt udbrede sig et kort stykke ind i materialet. En detaljeret beregning viser, at spredning af lyset giver anledning til en kraft med samme retning som Bernoulli-kraften, hvis materialets elektriske susceptibilitet er positiv (dvs. retningen af den elektrisk polarisation i materialet er den samme som retningen af det polariserende felt).

Kraftpåvirkningen er i den modsatte retning, hvis susceptibiliteten er negativ, som det gælder for metaller. Hvis materialet er en perfekt leder, er der dog slet ingen kraftpåvirkning.

I artiklen forklarer Movassagh og Johnson dette forhold med, at elektromagnetiske felter ikke kan trænge ind i en perfekt leder, og derfor kan de ikke mærke, om den roterer eller ej.

Kraften er dog ganske lille – det er nok en forklaring på, at ingen tidligere har lagt mærke til denne form for påvirkning.

De to forskere mener dog, at det vil være muligt at øge kraften ved at udnytte den såkaldte Mie-resonans, der opstår, når bølgelængden knyttet til det elektromagnetiske felt er af samme størrelse som diameteren af den roterende stang eller kugle. En anden mulighed for at forstærke kraften er at designe multilagskugler, der kan fange lyset med spejle eller specielt designede overfladeplasmoner.

Sådanne forstærkningsmekanismer kan gøre det muligt eksperimentelt at observere og udnytte optiske Bernoulli-kræfter, konkluderer Movassagh og Johnson i deres artikel.

Hermed har teoretikerne spiller bolden over på eksperimentalfysikernes bane.