Μετατροπή του Pull σε Push;
Είναι σχολικό βιβλίο φυσικής:Ένα ηλεκτρικό φορτίο κοντά στην επιφάνεια ενός υλικού έλκεται προς την επιφάνεια. Ωστόσο, εάν το φορτίο απλωθεί στο σωστό σχήμα και κινηθεί αρκετά γρήγορα, αυτή η έλξη γίνεται απώθηση, υπολογίζει ένας φυσικός. Το περίεργο εύρημα θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να αποφύγουν απροσδόκητα αποτελέσματα όταν καθοδηγούν δέσμες σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια.
«Στην αρχή νόμιζα ότι αυτό ήταν εντελώς λάθος, αλλά όταν σκέφτεσαι την κατάσταση, δεν είναι», λέει ο Primož Rebernik Ribič, φυσικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Λωζάνη, ο οποίος παρουσιάζει τους υπολογισμούς του στο Διαδίκτυο σήμερα στο Physical Επιστολές κριτικής . Ωστόσο, δεν συμφωνούν όλοι ότι η ανάλυσή του είναι σωστή.
Ας υποθέσουμε ότι ένα «σημειακό φορτίο», όπως ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο, αιωρείται πάνω από μια επιφάνεια ενός αγωγού. Το ηλεκτρικό πεδίο από το φορτίο έλκει και ωθεί άλλα φορτία που κινούνται ελεύθερα στην επιφάνεια. Έτσι, αυτά τα φορτία αναδιατάσσονται με τρόπο που προκαλεί το σημειακό φορτίο και την επιφάνεια να έλκονται μεταξύ τους. Στην πραγματικότητα, η δύναμη ισούται με αυτή που θα δημιουργηθεί από ένα αντίθετο «φορτίο εικόνας» που κρύβεται τόσο πολύ κάτω από την επιφάνεια όσο το αρχικό φορτίο αιωρείται πάνω από αυτήν—το παράδειγμα του σχολικού βιβλίου. Σε έναν μονωτήρα, τα πράγματα είναι λίγο πιο περίπλοκα. Τα θετικά και αρνητικά φορτία στο υλικό μπορούν μόνο να αλλάξουν λίγο τις θέσεις τους για να πολώσουν το υλικό. Ωστόσο, το σημειακό φορτίο προκαλεί ένα μοτίβο πόλωσης που το έλκει στην επιφάνεια.
Ωστόσο, εάν το σημειακό φορτίο αντικατασταθεί με μια γραμμή γόμωσης που μοιάζει με ράβδο που κινείται προς τα πλάγια - όπως ένα μαχαίρι που απλώνει φυστικοβούτυρο - τότε η δύναμη από την επιφάνεια μπορεί να γίνει απωθητική, υποστηρίζει ο Rebernik Ribič.
Για να δείτε πώς λειτουργεί αυτό το σενάριο, εξετάστε την περίπτωση στην οποία μόνο ένα σημειακό φορτίο κινείται στην επιφάνεια ενός μονωτή. Σε αυτή την περίπτωση, το σχέδιο πόλωσης κινείται μαζί του, μετατρέποντας τα λεγόμενα παροδικά κύματα που εξακολουθούν να προσελκύουν το σημειακό φορτίο.
Εάν η σημειακή φόρτιση κινείται αρκετά γρήγορα, ένας άλλος παράγοντας παίζει ρόλο. Σε ένα μονωτικό υλικό όπως το γυαλί, το φως ταξιδεύει πιο αργά από ότι στον κενό χώρο. Και αν ένα φορτίο κινείται μέσα στο γυαλί γρηγορότερα από ό,τι μπορεί το φως, δημιουργεί ένα κρουστικό κύμα φωτός, γνωστό ως ακτινοβολία Cherenkov, σαν την ηχητική έκρηξη ενός υπερηχητικού πίδακα. Τώρα, εάν ένα σημειακό φορτίο πάνω από τον μονωτήρα κινείται ταχύτερα από ό,τι το φως μέσα στο υλικό, τότε το μοτίβο της επαγόμενης πόλωσης θα κινηθεί επίσης τόσο γρήγορα και θα δημιουργήσει ακτινοβολία Cherenkov. Αυτή η ακτινοβολία ρέει υπό γωνία προς τα κάτω στο υλικό και μεταφέρει την ορμή μαζί του. Αλλά σύμφωνα με το νόμο του Νεύτωνα ότι κάθε δράση έχει μια ίση και αντίθετη αντίδραση, η καθοδική ροή της ορμής πρέπει να εξισορροπηθεί με μια ώθηση προς τα πάνω στο σημειακό φορτίο.
Για ένα φορτίο κινούμενου σημείου, η έλξη των παροδικών κυμάτων πάντα κατακλύζει την ώθηση της ακτινοβολίας Cherenkov, υπολογίζει ο Rebernik Ribič. Όταν μια γραμμή Το φορτίο κινείται σε όλη την επιφάνεια, ωστόσο, τα παροδικά κύματα που δημιουργούνται από διαφορετικά σημεία κατά μήκος της γραμμής παρεμβάλλονται μεταξύ τους με τρόπο που ακυρώνει την έλξη από αυτά. Η απώθηση από την ακτινοβολία Cherenkov παραμένει, αφήνοντας μια συνολική ώθηση προς τα πάνω στη γραμμή φόρτισης. Το ίδιο ισχύει και για έναν μαέστρο, υπολογίζει ο Rebernik Ribič.
Δεν είναι όλοι πεπεισμένοι. Ο Levi Schächter, ένας φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Technion-Israel στη Χάιφα, λέει ότι οι δικοί του υπολογισμοί για μια γραμμή φόρτισης δείχνουν ότι η καθαρή δύναμη παραμένει ελκυστική. «Έτσι, στην ουσία, πιστεύω ότι ο Δρ. Rebernik Ribič κάνει λάθος», λέει. Ωστόσο, ο Georg Hoffstaetter, ένας επιταχυντής φυσικός στο Πανεπιστήμιο Cornell, λέει ότι βρίσκει το επιχείρημα του Rebernik Ribič εύλογο.
Αν είναι σωστό, σε τι μπορεί να είναι καλή η περίεργη απώθηση; Αυτό δεν είναι ξεκάθαρο. Εάν οι ερευνητές θέλουν να απωθήσουν ταχέως κινούμενα δέσμη ηλεκτρονίων από μια επιφάνεια, μπορούν να το κάνουν πιο εύκολα φορτίζοντας την επιφάνεια παρά διαμορφώνοντας τα τσαμπιά, σημειώνει ο Hoffstaetter. Από την άλλη πλευρά, λέει, η γνώση ότι αυτή η ανεπιθύμητη ώθηση θα μπορούσε να εμφανιστεί μπορεί να βοηθήσει τους φυσικούς να αποφύγουν προβλήματα όταν σχεδιάζουν μια συσκευή για να χειρίζονται δέσμες φορτισμένων σωματιδίων. Και το περίεργο αποτέλεσμα θα μπορούσε να βρει απροσδόκητες χρήσεις, λέει ο Hoffstaetter:«Μερικές φορές τα εφέ σαν αυτά ξεκινούν ως ενοχλητικά, αλλά οι άνθρωποι τα αγαπούν».
