Черное тело притягивает предметы?

Физики из Австрии выяснили, что широкополосное излучение черного тела способно притягивать атомы вещества так же, как это делает оптический лазерный пинцет. В основе данного механизма лежит эффект, открытый в начале ХХ века Йоханессом Штарком, который выяснил, что падение на атом фотона с низкой энергией вызывает уменьшение энергии самого атома.

Фото:

А началось все с того, что однажды физик-теоретик Гельмут Рич из Инсбрукского университета имени Леопольда и Франца (Австрия) задумался над тем, может ли широкополосное излучение притягивать к себе объекты так же, как это делают оптические пинцеты, работающие на лазерном излучении. В качестве модельного объекта он рассмотрел излучение черного тела (чернотельное), как самое широкополосное из всех известных. Интересно, что сначала его коллеги отнеслись к подобной идее весьма скептически — традиционно считается, что широкополосное излучение способно не притягивать, а отталкивать предметы. Однако работа Рича и его коллег показала, что это утверждение несколько некорректно, если речь идет именно об излучении черного тела.

Собственно говоря, на чем базируется представление об отталкивающих свойствах широкополосного излучения? На том, что входящие в его состав фотоны имеют достаточно высокую энергию, и, сталкиваясь с атомами вещества, приводят последних в возбужденное состояние, передавая им свой импульс. Таким образом, данное излучение должно отталкивать предметы — кстати, именно по такому принципу работает конструкция, известная как солнечный парус. Однако австрийские физики, проанализировав фотоны чернотельного излучения, поняли, что они принадлежат не к ультрафиолетовому и видимому спектрам (характеризующихся самыми высокоэнергетичными световыми частицами), а к инфракрасному. Ну, а такие частицы имеют слишком малую энергию, поэтому переход электронов в атомах, столкнувшихся с ними веществ, на более высокий энергический уровень окажется невозможным.

Более того, согласно исследованиям Нобелевского лауреата Йоханесса Штарка, когда такой низкоэнергетичный фотон падает на атом, то происходит следующее — энергетический уровень самого атома снижается (это называется "эффект Штарка"). Соответственно, уменьшается и общая энергия атома. А это должно привести к возникновению силы, действующей не от источника излучения (как в случае со световым давлением), а в противоположную сторону, то есть к нему. Таким образом эффект Штарка при достаточно мощном излучении может вызвать процесс притягивания атомов к излучающему черному телу. Особенно сильно такое будет выражаться у атомов легких элементов, которых во Вселенной намного больше, чем тяжелых.

Интересно, что составив серию расчетов, Рич и его коллеги убедились в том, что для легких элементов в вакууме в большинстве физически реалистичных сценариев величина такой оптической силы притяжения, вызываемой излучением черного тела, будет куда больше, чем световое давление источника вроде Солнца. Более того, она может оказаться даже сильнее, чем воздействие гравитации! Так, для микрометровых частиц межпланетной пыли, нагретых до 100 К, оптическое притяжение, вызванное излучением чернотельным на их поверхности, может быть в 100 миллионов раз сильнее воздействия взаимного притяжения.

Получается, что такой широкополосный оптический пинцет — вовсе не выдумка, он действительно существует на просторах нашей необъятной Вселенной. И, благодаря этому механизму, можно объяснить некоторые вещи, которые до сих пор являются для физиков весьма загадочными. Например, Рич и его коллеги считают, что 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 звездных системах, туманностях и протопланетных дисках. Иными словами, именно оно и способствовало формированию многих небесных тел и систем на ранних этапах эволюции мироздания.

Но можно ли проверить эту остроумную гипотезу экспериментально. Увы, в лаборатории это будет весьма сложно сделать — ведь притягивающая оптическая сила чернотельного излучения достаточно быстро убывает с расстоянием. Ну, а на Земле и в ее окрестностях вряд ли можно найти такой мощный источник, излучение от которого смогло бы "пересилить" световое давление. Поэтому вряд ли в ближайшее время Рич и его коллеги смогут изготовить что-то вроде широкополосного оптического пинцета.

Впрочем, теоретически конечно же проверку сделать можно — например, охладить атомы до температуры близкой к абсолютному нулю по шкале Кельвина. Это сделает воздействие светового давления не слишком значительным, и, кроме того, при этой температуре во много раз усилиться эффект от излучения не особенно крупного черного тела. Проблема только лишь в том, что и такие условия для эксперимента создать не так-то и просто…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"