Cientistas comprovam força de pressão da luz nos líquidos

Por , em 11.06.2015

Por mais de 100 anos, os cientistas têm debatido uma questão: quando a luz viaja através de um meio como o óleo ou a água, ela “puxa” ou “empurra” o meio? Enquanto a maioria dos experimentos já feitos descobriram que a luz exerce uma pressão puxando o líquido, físicos encontraram recentemente, pela primeira vez, evidências de que a luz também pode empurrar o meio.

Os cientistas sugerem que esta aparente contradição não é fundamental, mas pode ser explicada pela interação entre a luz e o meio: se a luz pode colocar o fluido em movimento, exerce uma força de empurrar; se não, exerce uma força de tração.

Minkowski vs Abraham

O debate sobre a natureza da pressão, ou o momento linear, da luz remonta a 1908, quando Hermann Minkowski previu uma força de tração. Em 1909, o físico Max Abraham previu exatamente o oposto.

“Os cientistas têm discutido durante mais de um século sobre a dinâmica da luz em materiais”, afirma Ulf Leonhardt, do Instituto de Ciência Weizmann, em Rehovot, Israel, um dos responsáveis pelo novo estudo. “Nós descobrimos que o momento não é uma quantidade fundamental, mas é desenvolvido na interação entre a luz e a matéria, e isso depende da capacidade da luz de mover o material. Se o meio não se move, Minkowski estava certo, e se ele se move, Abraham estava. Isso não foi compreendido antes”, sugere.

Os dois tipos diferentes de pressão podem ser distinguidos experimentalmente iluminando a superfície de um líquido com um feixe de luz e vendo se o líquido sobe ou desce. Se a superfície do líquido expandir para fora, então a luz puxa o líquido de acordo com a teoria de Minkowski. Se a superfície se curva para dentro, a luz está empurrando, de acordo com a teoria de Abraham. Embora as previsões das duas teorias concordem no espaço vazio (que tem um índice de refração de 1), elas diferem em qualquer meio com um índice de refração maior do que 1.

Distinção útil

No novo estudo, os cientistas demonstraram que podiam fazer a superfície se curvar internamente, o que corresponde à pressão de empurrar, tanto em água quanto em óleo, que têm diferentes índices de refração.

Os resultados têm significados tanto fundamentais quanto práticos. Fundamentalmente, os resultados ajudam os cientistas a ter uma melhor compreensão da natureza da luz. Embora há muito se saiba que a luz transporta energia e momento linear, a dinâmica da luz não é tão fácil de descrever. Será que o momento linear aumenta ou diminui conforme o índice de refração do meio aumenta? Os resultados sugerem que a resposta depende se a luz pode colocar o fluido em movimento ou não: se puder, seu ímpeto diminui e exerce a força de impulso de Abraham; caso contrário, o momento linear diminui e exerce a força de tração de Minkowski.

Esta distinção pode ser muito útil uma vez que os cientistas começaram recentemente a desenvolver aplicações que tiram partido da dinâmica da luz. Uma dessas aplicações, chamada confinamento inercial, usa o poder do momento linear da luz para iniciar a fusão nuclear. Os físicos também podem usar a troca dinâmica entre a luz e um espelho oscilante para arrefecer o espelho ao seu estado fundamental da mecânica quântica. Por fim, técnicas de manipulação de ótica, tais como pinças ópticas, usam a pressão suave da luz para segurar e manipular as células para aplicações biomédicas e de nanoengenharia. Phys]

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