15.08.2017

Открыта сила притяжения за счет теплового излучения

Экспериментально обнаружено, что тепловое излучение от нагретого тела притягивает — а не отталкивает! — находящиеся поблизости атомы. Хотя явление основывается на хорошо известных эффектах атомной физики, оно долгое время оставалось незамеченным и было теоретически предсказано всего четыре года назад.

Сдвиг уровней энергии за счет теплового излучения

Недавно в архиве электронных препринтов появилась статья, сообщающая об экспериментальном подтверждении того, что тепловое излучение от горячего тела способно притягивать к телу находящиеся поблизости атомы. Эффект выглядит, на первый взгляд, противоестественным. Тепловое излучение, испущенное нагретым телом, улетает прочь от источника — так почему же оно способно вызывать силу притяжения?!

Хотя этот эффект был теоретически предсказан всего четыре года назад, ничего сверхсложного и тем более мистического в нем нет. Явление опирается на тот простейший факт, что тепловое излучение — это электромагнитные волны. Это замечание очевидно, но его легко упустить из виду; упомянем лишь, что вот эта простая задача иногда ставит в тупик даже физиков.

Давайте разберемся с явлением. Электромагнитная волна — это колебание электрических и магнитных полей, и эти поля, разумеется, действуют и на атомы и молекулы. Для полярной молекулы, у которой есть свой электрический дипольный момент, всё просто: появляется энергия взаимодействия, линейно пропорциональная электрическому полю. Она может быть положительной или отрицательной в зависимости от того, как ориентирован дипольный момент относительно внешнего поля.

Но даже если у молекулы или атома нет своего дипольного момента, то он индуцируется тем же самым электрическим полем. Внешнее поле поляризует частицу: слегка растягивает в стороны положительные и отрицательные составляющие и тем самым наводит в ней дипольный момент, пропорциональный напряженности поля. Легко частицу поляризовать или нет — зависит от ее устройства и характеризуется одним числом, которое называется поляризуемость (вот, кстати, любопытный рассказ о том, как измеряли поляризуемость пи-мезона). А потом само же поле с этим индуцированным дипольным моментом и взаимодействует. При таком раскладе энергия взаимодействия зависит от внешнего поля квадратично и автоматически получается отрицательной, по крайней мере, если поле меняется во времени медленно по сравнению с откликом атома. Говоря простыми словами, энергия атома понижается: нейтральному атому энергетически выгодно находиться в электрическом поле.

Теперь вернемся к тепловому излучению. Даже если атом в лабораторной установке находится в идеальном вакууме, он всё равно погружен в «ванну» теплового излучения, которое приходит со стенок камеры. Это излучение создает хаотическое колебание электрического поля, которое вызывает столь же хаотическую — но синхронную с полем! — поляризацию атома. Поэтому, несмотря на беспорядочность флуктуаций, общий результат остается тем же: энергия атома понижается на величину, пропорциональную плотности энергии теплового излучения.

Представим теперь нагретое до температуры T тело (для простоты — шар) и расположенный рядом с ним атом. Тело испускает тепловое излучение, причем мощность излучения быстро растет с температурой — пропорционально T⁴. Это излучение расходится во все стороны, поэтому плотность его энергии падает с расстоянием как 1/r². Атом, находясь поблизости, чувствует это излучение — ведь оно понижает его энергию. А поскольку атом стремится понизить свою энергию взаимодействия как можно сильнее, ему энергетически выгодно приблизиться к шару — ведь там понижение энергии наиболее существенно!

Результат: атом притягивается к источнику теплового излучения с силой, пропорциональной T⁴/r³.

Свойства тепловой силы притяжения

Чтобы лучше представлять себе ситуацию, давайте задержимся на несколько минут и поговорим об этом явлении.

Подчеркнем, во-первых, что направленность силы на источник — это побочный эффект. Тело своим излучением вовсе не притягивает атом. Просто атом энергетически чувствует, что плотность энергии излучения неоднородна в пространстве, — и его «тянет» в том направлении, в котором она возрастает. Для шара это направление — прямо на шар. Но если тело — полый цилиндр, а атом расположен на оси, то он будет втягиваться по оси в отверстие, а не притягиваться к стенке.

Во-вторых, существует, конечно, и встречное взаимодействие — прямое давление теплового излучения на атом. И свет, и тепловое излучение, будучи электромагнитными волнами, оказывают давление на любую мишень. Но расчеты показывают, что такое радиационное давление на отдельные атомы очень слабое, намного слабее описанной силы притяжения. Это соотношение не зависит от температуры в широком диапазоне: ведь обе силы пропорциональны T⁴. Ситуация изменится только при очень высоких температурах в тысячи градусов, когда поглощение отдельных фотонов станет сильным.

В-третьих, существует еще одна сила притяжения — гравитационная. Она не зависит от температуры, но растет с массой тела, а при удалении от тела она спадает по более медленному закону (1/r² против 1/r³). Поэтому соотношение между двумя силами притяжения зависит от массы и температуры источника и от расстояния до него. На рис. 2 показан сдвиг уровня энергии атома при взаимодействии с шаром радиуса R за счет трех сил: теплового излучения, гравитационного притяжения, а также для электростатического взаимодействия, если предположить, что на шаре есть электрический заряд. Видно, что для комнатных температур новая сила притяжения преобладает над гравитацией даже для вполне крупных тел. Можно даже оценить, что «сферический человек в вакууме», то есть шар массой 70 кг и температурой 300 К, будет притягивать находящиеся поблизости атомы и за счет гравитации, и за счет теплового излучения с примерно одинаковой силой.

Наконец, удивляет, что такое интуитивно ясное явление было теоретически предсказано совсем недавно, в 2013 году. Это особенно поразительно в свете того, что его первопричина — понижение уровня энергии за счет теплового излучения — известна физикам уже много лет. Оно, например, влияет на ход атомных часов, и с этим влиянием приходится бороться, если есть необходимость держать точность на уровне лучше 10^-14. Да и сам факт, что электромагнитное излучение может не только толкать, но и тянуть, — тоже известен и давно используется в технологии оптического манипулирования микрочастицами (см., например, статью Сила света — от атомов до космических кораблей). Видимо, переход от лазерного луча к спектрально широкому, некогерентному, ненаправленному тепловому излучению оказался нетривиальных шагом. Как рассказывает заметка в журнале Physics World, эта теоретическая работа появилась на свет как раз благодаря тому, что одна из его авторов, занимающаяся биомедицинской физикой и работающая с оптическим пинцетом, задалась вопросом: а нельзя ли такое же устройство сделать без лазера?

Подробности эксперимента

Теоретическое предсказание необходимо подтвердить экспериментально, и, судя по графику на рис. 2, для этого не требуются какие-то экзотические условия. Достаточно подвесить небольшой макроскопический груз в вакууме, нагреть его на сотню-другую градусов, разместить рядом атомы и измерить силу притяжения. Расчеты показывают, что притяжение за счет теплового излучения будет доминировать над всеми другими силами. Проблема в том, что сила всё равно получается очень маленькой, и измерять ее нужно с помощью тонких атомных экспериментов. К счастью, современная атомная интерферометрия уже достигла требуемой точности и способна выполнить такое измерение.

В статье Attractive force on atoms due to blackbody radiation, появившейся в архиве препринтов этой весной, сообщается о прямом экспериментальном подтверждении новой силы. Работа выполнена в группе Холгера Мюллера в Калифорнийском унивеситете в Беркли на том же самом атомном интерферометре, о котором шла речь в недавней новости Эксперимент с атомным интерферометром наложил новые ограничения на субгравитационные силы. Более того, в этой работе использовалось то же самое тело: небольшой вольфрамовый цилиндр высотой и диаметром 25,4 мм с осевым отверстием диаметром 10 мм и боковой прорезью, благодаря которой его можно было вдвигать и выдвигать во время экспериментов с подкидыванием атомов (см. рис. 1). Атомный интерферометр позволяет напрямую измерить ускорение атомов a, которое, конечно, очень близко к ускорению свободного падения g. Сравнивая это ускорение с телом и без него, можно почувствовать разницу — дополнительное ускорение, вызванное наличием поблизости тела. Именно так в прошлой работе измерялось гравитационное притяжение к телу, а в новой работе — воздействие теплового излучения.

Для того чтобы отделить эффект теплового излучения от других сил, авторы нагревали вольфрамовый цилиндр инфракрасным лазером до температуры 460°C и затем, по мере остывания, в течение 6 часов проводили измерения. Параллельно с этим отслеживалась температура тела. После многократного повторения эксперимента физики построили зависимость остаточного ускорения a - g от температуры и сравнили ее с теоретическими предсказаниями (рис. 3). Она получилась отрицательной, что отвечает дополнительному ускорение вверх, к телу. И самое главное — зависимость от температуры отлично ложилась на график T⁴ - T₀⁴, где T₀ — температура стенок вакуумной камеры, равная 296 K. Даже если предположить изначально произвольную степенную зависимость от температуры Tⁿ, то на основании самих данных степенной показатель получается равным n = 4,021 ± 0,035, то есть четырем.

Авторы работы уделили много внимания доказательству того, что никакие другие известные эффекты не могут объяснить обнаруженную силу. То, что это не гравитационное притяжение, ясно из температурной зависимости, да и величина ускорения — намного больше (сравните числа с результатами из упомянутой новости). То, что это не результат газовыделения из нагретого тела, видно сразу по нескольким признакам. Во-первых, сила направлена к телу, а не прочь от него. Во-вторых, газовыделение существенно уменьшилось после нескольких циклов нагрева-охлаждения (это отслеживалось по остаточному давлению в вакуумной камере), но сила эффекта оставалась всегда неизменной. В-третьих, рассеяние на посторонних атомах неизбежно ухудшало бы квантовую когерентность, но эксперимент демонстрировал одинаковый интерференционный контраст при любых температурах. Наконец, проверялась даже сила за счет эффекта Казимира, но и она тут ни при чем: слишком большие расстояния до груза, да и никакой температурной зависимости от этого эффекта не ожидается.

Последствия

Итак, сила притяжения за счет теплового излучения обнаружена и совпадает с теоретическими предсказаниями. Пожалуй, самое главное следствие — это что новую силу нельзя упускать из виду во всех экспериментах с атомными интерферометрами. Даже если в установке нет никакого горячего тела, всегда есть стенки камеры, в тепловое излучение которых погружен атом. Если температура всей установки одинакова — никаких проблем, тепловое излучение везде одно и то же. Но если в цилиндрической камере имеется перепад температур с градиентом хотя бы 1 градус на метр, это уже сильно исказит показания современных сверхточных атомных интерферометров-гравиметров. Впрочем, ту же силу можно использовать и конструктивно, для дистанционной калибровки атомных интерферометров.

Возвращаясь к исходной теоретической статье 2013 года, упомянем потенциальную важность этого эффекта не только для атомных экспериментов, но и для космических явлений. Авторы рассмотрели силы, действующие внутри пылевого облака плотностью 1 г/см³, нагретого до 300 К и состоящего из частиц размером 5 микрон. Для таких параметров сила притяжения двух соседних пылинок за счет теплового излучения получилась в миллиард (!) раз больше, чем за счет гравитации. На макроскопических расстояниях силовой эффект от теплового излучения уменьшается, но всё равно он перебивает гравитацию даже на удалении в километр.

Повлияет ли эта сила на динамику сжатия газопылевых облаков — трудно сказать без детального моделирования. Но по крайней мере ясно, что эта сила может вмешаться лишь на короткой стадии их эволюции: когда плотность уже очень высока, а температура выросла до сотен градусов, но еще не добралась до тысяч.

Упомянем также, что совсем недавно было теоретически исследовано, как описанный здесь эффект изменится в условиях сильной гравитации. Однако трудно подобрать реалистичную астрофизическую систему, к которой эти расчеты были бы применимы. Обычно вещество, которое падает на черную дыру и достигает зоны сильной гравитации, уже настолько разогрето, что этот эффект там несуществен. Забавно, что сообщения об этой теоретической статье широко разошлись по СМИ, напуская тумана своей загадочностью и даже пугая читателей таинственными космическими силами притяжения.

Источник: Philipp Haslinger, Matt Jaffe, Victoria Xu, Osip Schwartz, Matthias Sonnleitner, Monika Ritsch-Marte, Helmut Ritsch, Holger Muller. Attractive force on atoms due to blackbody radiation // препринт arXiv:1704.03577 [physics.atom-ph].

Игорь Иванов

Источники:

1. elementy.ru