 Як багато хто, напевно, пам'ятають з курсу шкільної фізики: абсолютно чорне тіло-це об'єкт, який поглинає всі електромагнітні випромінювання всіх діапазонів і притому нічого не відображає. Однак воно здатне самостійно випускати випромінювання, частота якого визначатиметься його температурою. Цей об'єкт є фізичної ідеалізацією, тобто в природі такого об'єкта не існує. Однак, безсумнівно, є тіла, що володіють подібними властивостями в більшій чи меншій мірі. Більше того, всупереч інтуїтивним уявленням, прикладом абсолютно чорного тіла може послужити Сонце.
Незважаючи на те, що властивості випромінювання чорного тіла залежать від його температури, вчені завжди вважали, що його випромінювання буде виробляти відштовхуючий ефект. Але нещодавно команді австрійських фізиків вдалося теоретично довести, що випромінювання такого об'єкта індукує другу силу, що діє на прилеглі атоми і молекули. Під впливом цієї сили частинки притягуються до чорного тілу, притому, на подив учених, в деяких випадках навіть сильніше, ніж при дії гравітації. Цей ефект, який отримав назву "сили чорного тіла" (blackbody force), здатний пояснити ряд загадкових астрофізичних явищ. Ефекти, що лежать в основі сили чорного тіла, були відомі вченим вже з півстоліття. Випромінювання збільшує енергію довколишніх атомів і молекул, що відомо як ефект Штарка. У такій ситуації основне стан часток змінюється в бік більш низьких енергій, пропорційно четвертого ступеня (біквадрату) температури абсолютно чорного тіла. Тобто чим тепліше тіло, тим сильніше зміщення.
Потенційні наслідки таких "зрушень" енергії атомів або молекул що раніше не оцінювалося. Зате стало предметом повторного теоретичного дослідження. У своєму останньому дослідженні австрійці показали, що зміщення, викликані випромінюванням абсолютно чорного тіла і ефектом Штарка, можуть поєднуватися і виробляти в підсумку притягає силу. Тобто підсумкова сила перевершує відразливе дію все того ж випромінювання.
Виходить, що гаряча сфера кінцевої величини здатна в більшості випадків притягати, а не відштовхувати довколишні нейтральні атоми і молекули. "Найважливіше те, що ми довели, що сила, яку зазвичай асоціюють з лабораторними лазерами та іншими потужними джерелами випромінювання, існує також у будь-якого джерела теплового випромінювання. Взаємодія між притягальнішою силою і відразливим тиском випромінювання дуже важливо для роботи квантової оптики, але ми з'ясували , що цей ефект виникає і в джерелах теплового випромінювання ", - розповідає співавтор дослідження Маттіас Зонлайтнер (Matthias Sonnleitner) з університету Інсбрука.
Як пояснюють вчені, тяжіння виникає внаслідок того, що атоми і молекули, чий стан зміщене у бік більш низьких енергій, тягнуться до джерела більш інтенсивного випромінювання - в даному випадку, до абсолютно чорного тіла. Після того, як таку силу тяжіння виміряли, фізики прийшли до деяких дуже цікавих висновків.
По-перше, її дія зменшується в міру віддалення від об'єкта (пропорційно третього ступеня дистанції). По-друге, вона назад пропорційна розміру об'єкта (чим він менше, тим сила більше). А по-третє, сила чорного тіла прямо пропорційна його температурі, тобто чим гаряче джерело, тим більше буде сила. Правда, до певної міри. Якщо температура перевищує кілька тисяч градусів за Цельсієм, то тяжіння змінюється відштовхуванням. У рамках свого дослідження Зонлайтнер і його колеги розглядали випадок дії сили чорного тіла на частинки пилу, температура яких досягала 100 кельвінів (близько мінус 173 градусів за Цельсієм). Вони довели, що ця сила тяжіння буде набагато більше, ніж гравітаційне тяжіння цих самих частинок пилу. Однак, якщо розглядати зірку, температура якої становить 6000 кельвінів (5727 градусів за Цельсієм), то її гравітація буде потужніший сили чорного тіла. Тут також фігурує фактор маси, про який ми говорили трохи вище.
Дослідники говорять, що їх робота допоможе астрофізикам у вивченні взаємодій міжзоряного газу і космічного пилу, а також багатьох інших явищ. Астрофізики в деяких випадках ламають голову, не розуміючи, як утворюються ті чи інші планетні системи з хмар пилу і газу, що звертаються навколо світил.
Також ці дані можна буде використовувати для проведення експериментів з гарячими мікроструктурірованнимі поверхнями у вакуумних камерах.
Правда, автори дослідження попередили про майбутні труднощі: умови, необхідні для виникнення сили чорного тіла, буде дуже складно відтворити в лабораторії, а якщо вона і з'явиться, то буде вкрай слабкою.
"Сила чорного тіла здатна побити гравітацію лише у випадку з маленькими частинками, такими як космічні порошинки. Незважаючи на розмір (а вони менше мікрометра в діаметрі), частки пилу грають дуже важливу роль у формуванні планет і зірок, а також в інших астрохіміческіх процесах. У вчених є маса відкритих питань, що стосуються їх взаємодії з навколишнім газоподібним воднем. Сьогодні ми вивчаємо, як це додаткова сила впливає на динаміку атомів і пилу ", - повідав про плани своїх колег Зонлайтнер.
|
