Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã tranh luận nhiều về câu hỏi: Khi ánh sáng đi qua một môi trường chẳng hạn như dầu hoặc nước, nó kéo hay đẩy môi trường đó? Trong khi hầu hết các thí nghiệm cho thấy ánh sáng gây ra một lực kéo, trong một bài báo mới đây các nhà vật lý lần đầu tiên đã tìm thấy bằng chứng cho thấy ánh sáng gây ra lực đẩy.

 Các nhà khoa học cho rằng mâu thuẫn rõ ràng này không phải là một mâu thuẫn cơ bản, nhưng có thể được giải thích bởi sự tương tác giữa ánh sáng và môi trường chất lỏng: Nếu ánh sáng có thể làm cho chất lỏng chuyển động, nó gây ra một lực đẩy; nếu không, nó gây ra một lực kéo.

Lý thuyết xung lượng ánh sáng của Minkowski và của Abraham. Cuộc tranh luận về bản chất của áp lực, hay xung lượng, của ánh sáng bắt đầu từ năm 1908 khi Hermann Minkowski (nổi tiếng với việc phát triển “không-thời gian Minkowski” bốn chiều  được sử dụng trong thuyết tương đối của Einstein) dự đoán ánh sáng gây ra một lực kéo. Năm 1909, nhà vật lý Max Abraham dự đoán ngược lại, ánh sáng gây ra một lực đẩy.

“Các nhà khoa học đã tranh luận trong hơn một thế kỷ về xung lượng ánh sáng trong vật liệu”, Leonhardt nói. “Xung lượng ánh sáng là lực đẩy theo giả thuyết của Abraham hay nó là lực kéo theo giả thuyết của Minkowski? Chúng tôi phát hiện ra rằng xung lượng không phải là một đại lượng cơ bản, nhưng nó được tạo ra trong sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất và nó phụ thuộc vào khả năng di chuyển vật liệu của ánh sáng. Nếu môi trường đứng yên, xung lượng ánh sáng là lực kéo theo lý thuyết của Minkowski và nếu môi trường di chuyển, nó là lực đẩy theo lý thuyết của Abraham. Điều này trước đây không được hiểu rõ”.

Hai loại lực khác nhau này có thể được phân biệt trong phòng thí nghiệm bằng cách chiếu một chùm ánh sáng vào bề mặt của một chất lỏng và xem chất lỏng đó lồi lên hay lõm xuống. Nếu bề mặt của chất lỏng lồi lên, khi đó ánh sáng kéo chất lỏng, phù hợp với lý thuyết của Minkowski. Nếu bề mặt lõm vào trong, ánh sáng đẩy chất lỏng, phù hợp với lý thuyết của Abraham. Trong khi cả hai lý thuyết đều phù hợp trong không gian trống rỗng (trong đó chỉ số khúc xạ là 1), chúng khác nhau trong bất cứ môi trường nào có chỉ số khúc xạ lớn hơn 1.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học cho thấy họ có thể làm cho bề mặt uốn cong vào trong, tương ứng với lực đẩy, bằng cách sử dụng một chùm ánh sáng tương đối rộng và một bình chứa tương đối lớn - hai yếu tố làm cho ánh sáng tạo ra một mô hình dòng chảy trong chất lỏng. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh lực đẩy trong cả môi trường nước và dầu là hai môi trường có chỉ số khúc xạ khác nhau, phù hợp với lý thuyết của Abraham.

Trong các thí nghiệm trước đó cho thấy ánh sáng gây ra một lực kéo, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các chùm ánh sáng hẹp hơn và các bình chứa nhỏ hơn so với những gì được sử dụng trong thí nghiệm này, do đó, các nhà khoa học ở đây đã thay đổi thí nghiệm ban đầu của họ bằng cách sử dụng một chùm hẹp hơn. Các kết quả của họ trong cơ chế mới này mới đây cho thấy ánh sáng gây ra một lực kéo, phù hợp với các thí nghiệm trong các nghiên cứu trước đó, cho thấy rằng bản chất của áp lực không chỉ phụ thuộc vào ánh sáng, mà còn phụ thuộc vào chất lỏng.

Ánh sáng và bóng bi a
Quay ngược trở lại, chúng ta có thể hỏi, tại sao ánh sáng có xung lượng ở vị trí tiếp xúc đầu tiên? Leonhardt giải thích rằng xung lượng của ánh sáng hơi khác so với năng lượng của nó và có thể được hiểu là một áp lực gây ra chuyển động, tương tự như các quả bóng bi a.

“Hãy tưởng tượng trò chơi bi a”, ông giải thích. “Người chơi đẩy một quả bóng và quả bóng này đẩy một quả  bóng khác. Trong tất cả những cú đẩy này, xung lượng của người chơi ban đầu truyền vào gậy chơi bi a làm cho quả bóng chuyển động. Ánh sáng cũng có thể đẩy vật liệu, giống như những quả bóng bi a, nhưng những cú đẩy này là rất nhỏ. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các cú đẩy của ánh sáng tạo ra một dạng biểu hiện ấn tượng. Một ví dụ là đuôi của một sao chổi. Johannes Kepler đã chứng minh từ rất lâu rằng các đuôi của sao chổi là do vật liệu của sao chổi đẩy ánh sáng do chúng luôn luôn di chuyển xa Mặt trời, bây giờ chúng ta biết rằng ông đúng một phần (phần còn lại của lực đẩy là do gió mặt trời). Khả năng làm cho các đối tượng cơ học chuyển động được gọi là xung lượng. Nó không giống như năng lượng, nhưng thường liên quan chặt chẽ với năng lượng”.

Ông tiếp tục giải thích rằng những tranh cãi về bản chất lực đẩy và lực kéo của xung lượng ánh sáng chỉ liên quan đến các tình huống trong đó ánh sáng không phản chiếu hoàn toàn từ một đối tượng mà ít nhất truyền một phần qua vật liệu.

“Không có vấn đề về khái niệm với xung lượng ánh sáng nếu ánh sáng phản chiếu, ví dụ từ một chiếc gương hay các hạt bụi của một sao chổi bởi vì ở đây sự cân bằng xung lượng là rất đơn giản: Hai lần xung lượng tới gây ra chuyển động, một chuyển động tới và một chuyển động phản xạ”, Leonhardt nói. “Tuy nhiên, nếu một phần của ánh sáng được truyền đi, ánh sáng được truyền trong vật liệu cần được tính đến. Ở đây ánh sáng được truyền trong vật liệu là quan trọng cho dù xung lượng Abraham hay Minkowski được ánh sáng truyền đi mang theo, do nó ảnh hưởng đến sự cân bằng tịnh (net balance) của xung lượng, cho dù là tích cực hay tiêu cực. Trong trường hợp của Abraham, sự cân bằng tịnh đưa đến một lực đẩy, trong khi trong trường hợp của Minkowski là một lực kéo”.

Những phát hiện này có cả ý nghĩa cơ bản và thực tế. Về cơ bản, các kết quả này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về bản chất của ánh sáng. Trong khi từ lâu ánh sáng được biết mang cả năng lượng và xung lượng và năng lượng của một photon được xác định bằng tần số f của nó nhân với hằng số Planck h, xung lượng của ánh sáng không quá dễ để mô tả. Xung lượng tăng lên hay giảm đi khi chỉ số khúc xạ của môi trường tăng lên? Các kết quả ở đây gợi ý rằng câu trả cho câu hỏi này phụ thuộc vào việc ánh sáng có thể hay không thể làm cho chất lỏng di chuyển: Nếu có thể, xung lượng của nó giảm đi và nó gây ra lực đẩy của Abraham; nếu không thì xung lượng của nó tăng lên và nó gây ra lực kéo của Minkowski.

Sự khác biệt này có thể rất hữu ích, do các nhà khoa học gần đây đã bắt đầu phát triển các ứng dụng tận dụng lợi thế của xung lượng hay áp lực của ánh sáng. Một ứng dụng như vậy, được gọi là phản ứng phân hạch giam hãm quán tính, sử dụng năng lượng của xung lượng ánh sáng để đốt cháy phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các nhà vật lý cũng có thể sử dụng sự trao đổi xung lượng giữa ánh sáng và một gương dao động để làm mát gương đến trạng thái cơ học lượng tử cơ bản của nó. Các kỹ thuật thao tác quang học, như nhíp quang học, sử dụng áp lực nhẹ của ánh sáng để giữ và thao tác các tế bào cho các ứng dụng y sinh và kỹ thuật nano. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng một sự hiểu biết tốt hơn về xung lượng ánh sáng sẽ góp phần vào những phát triển này.