Оптическое притяжение в природе может быть сильнее светового давления

Если вы считаете, что световое давление отталкивает тела от себя (мало ли, вдруг школьный курс физики не прошёл для вас даром), то новая работа австрийских теоретиков, несомненно, станет для вас несколько неожиданной и от этого ещё более интересной.

Однажды физик-теоретик Гельмут Рич (Helmut Ritsch) из Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца (Австрия) поспорил со своей супругой биофизиком Моникой Рич-Марте (Monika-Ritsch Marte) о том, могут ли оптические пинцеты, работа которых основана на лазерном излучении, притянуть к себе объект с использованием обычного широкополосного излучения. «Большинство сначала скажет "нет!"», — поясняет учёный, точка зрения которого прямо противоположна. Но, быть может, лучше перейти от слов к делу и проверить такую возможность? Скажем, на примере излучения чёрного тела — самом широкополосном изо всех, которые вы можете себе представить.
Есть ли оптическое притяжение, обусловленное излучением чёрного тела, в Туманности Орёл? (Здесь и ниже иллюстрации NASA, M. Sonnleitner et al.)

Нормальный человек рассуждал бы так: поскольку в чернотельном излучении явно будут фотоны с энергией, достаточной для возбуждения атома того вещества, с которым излучение столкнётся, постольку в действительности излучение чёрного тела создаст отталкивающую силу. Солнечный парус, эффект Ярковского и всё остальное прилагается. Однако на практике, чтобы фотон смог перевести атом лёгкого элемента (а именно они доминируют во Вселенной) в возбуждённое состояние, волночастица света должна быть из видимой, а лучше — из ультрафиолетовой части спектра. Тем не менее излучающие чёрные тела с температурой, как у поверхности Солнца, испускают в основном в ИК-диапазоне. Такие фотоны имеют слишком малую энергию, поэтому переход электронов в атомах, столкнувшихся с ними веществ, на более высокий энергический уровень окажется невозможным. Попросту говоря, фотоны такого рода не станут абсорбироваться лёгкими элементами и их роль в световом давлении не будет значительной.

Но этим дело не кончится. Падающая на атом радиация может повлиять на него двояко. Если фотон поглощён, то импульс от него передаётся атому. Но если энергия частицы слишком мала, то энергетический уровень электронов в атоме изменятся лишь слегка: сказывается эффект Штарка (за открытие которого Йоханесс Штарк получил в 1919 году Нобелевскую премию). При нём электроны в атомах, недавно столкнувшиеся с другими фотонами, поднимают свой энергетический уровень, а вот основное квантовое состояние в большинстве случаев свой энергический уровень снизит. Соответственно уменьшится и общая энергия атома. Тенденция минимизировать свою энергию при значимом эффекте Штарка приведёт к возникновению силы, действующей не от источника радиации — как при световом давлении, обнаруженном Лебедевым, а напротив — к нему. Иными словами, эффект Штарка при достаточно мощном излучении может вызвать у лёгких элементов «притягивание» к источнику света.

Более того, австрийцы уверены, что в большинстве физически реалистичных сценариев световое «притяжение», «оптическая сила чёрного тела» для лёгких элементов в вакууме, будет больше, чем световое давление источника вроде Солнца.

Как проверить столь контринтуитивное утверждение? Увы, такая притягивающая оптическая сила быстро убывает с расстоянием, что не позволяет измерить её в лаборатории, ведь штарковские сдвиги в энергетических уровнях атомов пропорциональны четвёртой степени от температуры и кубу от расстояния до объекта.

Однако есть мощности и помощнее лабораторных, когда достигается температура атомов ниже нескольких тысяч кельвинов (что делает световое давление не слишком значительным), но тем не менее она настолько высока, чтобы весомо усилить излучение чёрного тела. Такое оптическое притяжение может оказаться даже более сильным, чем гравитация. Так, для микрометровых частиц межпланетной пыли, нагретых до 100 К, оптическое притяжение, вызванное излучением чёрного тела на их поверхности, может быть в 100 млн раз сильнее воздействия взаимного притяжения...
Взаимодействие атома (слева) с горячей излучающей сферой (справа) в представлении художника.

...А это значит, что механизм, основанный на эффекте Штарка, может иметь широчайшее практическое воплощение. В частности, в ранней Вселенной, как только возник первый водород, влияние этого фактора на эволюцию различных флуктуаций в плотности газа могло быть весьма значительным. Более того, возможно, оптическое притяжение до некоторой степени может влиять на движение газа и в современных звёздных системах, туманностях и протопланетных дисках.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Александр Березин
Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.
Источник: http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/fizika/10008047/

Комментарии

Комментарии не найдены ...
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2021, создание портала - Vinchi Group & MySites
ЧИСТЫЙ ИНТЕРНЕТ - logoSlovo.RU