Arkistoitu

Mitä fotonille tapahtuu kun se pysähtyy?


Kysy tutkijalta / - 21.12.2007

Lukion kurssilla opetetaan, että fotonilla on vain liikemassa. Lene Hau Harvardin yliopistosta on onnistunut pysäyttämään valon kulun. Mitä pysähtyneelle fotonille tapahtuu, kun sillä ei enää ole liikemassaa ja -energiaa, jos ylipäätänsä tapahtuu mitään? Häviääkö se?

Varsinainen valo on sähkömagneettisen kentän ilmiö. Valonnopeus (eli valon nopeus tyhjiössä) on sähkömagneettiselle kentälle ominainen perusvakio, kentässä esiintyvien aaltojen taajuuden ja aallonpituuden tulo (nk. vaihenopeus), jota ei voi muuttaa. Se on samalla nopeus, jolla energia etenee valon mukana. Se on suurin mahdollinen signaalinnopeus ja samalla aineellisten hiukkasten nopeuden saavuttamaton yläraja. Tätä varsinaista valoa ei voi hidastaa eikä pysäyttää.

Sähkömagneettisen kentän seisovaa aaltoliikettä, voidaan jossakin mielessä pitää pysähdyksissä olevana “valona”, sillä siinä energia ei etene. Mutta ei sitä synnytetä valoa hidastamalla ja pysäyttämällä. Sellaista syntyy mm. radiotekniikassa vanhastaan tunnetussa aaltoputkessa. Siinäkin aallonpituuden ja taajuuden tulo on tuo sama valonnopeus.

Fotoni on kuvitteellinen hiukkanen. Jos valo koostuisi hiukkasista, fotoneista, näiden pitäisi liikkua valonnopeudella ja oltava siis lepomassattomia. Oikeastaan fotoni on aineen ja sähkömagneettisen säteilyn välisen vuorovaikutuksen kvantti, ei muuta. Vuorovaikutuksissa aineen kanssa sähkömagneettinen säteily absorboituu (imeytyy) ja emittoituu (lähtee) kvantteina. Absorptio- ja emissiotapahtumassa energiaa, liikemäärää ja pyörimismäärää siirtyy säteilystä ainehiukkaseen tai päinvastoin, ja säilymislakien perusteella näyttää siltä kuin aineeseen tällöin osuisi tai siitä lähtisi valonnopeudella liikkuva hiukkanen, fotoni. Mutta, kun tällaista liikkuvaa fotonihiukkasta ei ole, ei ole myöskään mielekästä puhua sen hidastamisesta tai pysäyttämisestä.

Sanomme kyllä, että valo etenee hitaammin väliaineessa, mutta tämä “hitaampi valo” ei olekaan “puhdas” sähkömagneettinen ilmiö, vaan se on sähkömagneettisen kentän ja aineellisten hiukkasten (elektronien) yhteen kytkeytynyttä värähtelyä, eivätkä näiden värähtelyjen kvantit myöskään ole “puhtaita fotoneja”. Poistuessaan väliaineesta, valo taas palautuu oikeaksi, puhtaasti sähkömagneettiseksi valoksi, jolloin syntyy se pinnallinen vaikutelma, että valoa väliaikaisesti jarrutettiin.

Valo pysähtyy myös, kun atomi absorboi fotonin ja virittyy. Sieltä se fotoni myös “tulee takaisin esiin”, kun viritys purkautuu, jolloin näyttää siltä, että se vain vähäksi aikaa pysähtyi.

Koetilanteessa, johon kysyjä viittaa, on yhteisiä piirteitä näiden esimerkkien kanssa. “Valo” on siinä kentän ja aineen kytkettyä värähtelyä tietyssä hyvin omituisessa väliaineessa (nk. Bosen kondensaatissa). Tilanne vastaa valoa lasissa, jonka taitekerroin on mielettömän suuri. Lisäksi näiden värähtelyjen ominaisuudet ovat sellaiset, että tietyllä taajuudella muodostuu seisova aaltoliike, jolloin energia ei etene. Tätä tilannetta ei esiinny perinteisessä valo-opissa, mutta se tunnetaan siitä, miten ultraääni käyttäytyy kiteisessä väliaineessa. Lisäksi tässä tarkasteltava väliaineen näyte on kooltaan atomaarista suuruusluokkaa. Energia, joka tulee vangituksi näytteeseen, voi siten olla säteilyn yhden ainoan fotonin energia. Näin syntyy rinnastus atomin virittymiseen, ja saadaan tekosyy puhua fotonin pysäyttämisestä. Atomin viritystä tilanne muistuttaa myös siten, että tämän energian vapautuminen vastaa virityksen purkautumista ja siinä tapahtuvaa yhden fotonin emissiota.

Missään näissä ilmiöissä ei energiaa häviä, ja kaikissa muodoissaan energialla on Einsteinin lain mukainen hitaus eli massa. Mitä fotoniin tulee, ei se voi hävitä, kun sitä ei ole ollutkaan.

Kaarle Kurki-Suonio,
didaktisen fysiikan emeritusprofessori


Kommentoi vastausta tai kysy uusi kysymys

Textile ohje