Тяговый луч — это устройство, которое может притягивать один объект к другому на расстоянии. [1] Концепция берет свое начало в художественной литературе: этот термин был придуман Э. Э. Смитом (обновление его более раннего «аттракторного луча») в его романе «Космические гончие МПК» (1931). С 1990-х годов технологии и исследования работали над тем, чтобы сделать его реальностью, и добились определенного успеха на микроскопическом уровне. [2] Реже подобный луч, который отталкивает, известен как прессорный луч или репульсорный луч . Гравитационные импульсные и гравитационные движительные лучи традиционно являются областями исследований из физики пограничных явлений , которые совпадают с концепциями тяговых и репульсорных лучей.
Силовое поле, ограниченное коллимированным пучком с чистыми границами, является одной из основных характеристик тяговых и отталкивающих пучков. [3] Несколько теорий предсказывали, что отталкивающие эффекты не попадают в категорию тяговых и отталкивающих пучков из-за отсутствия коллимации поля. [ требуется ссылка ] Например, [ требуется пояснение ] Роберт Л. Форвард из Hughes Research Laboratories показал, что общая теория относительности допускает генерацию очень короткого импульса отталкивающей силы, подобной гравитации, вдоль оси спирального тора, содержащего ускоренную конденсированную материю . [4] [5] Основное научное сообщество приняло работу Форварда. [ требуется ссылка ]
Вариант теории Буркхарда Гейма , предложенный Вальтером Дрёшером (Institut für Grenzgebiete der Wissenschaft, Инсбрук, Австрия) и Йохамом Хойзером (University of Applied Sciences and CLE GmbH, Зальцгиттер, Германия), предсказал, что отталкивающее силовое поле гравитофотонов может быть создано кольцом, вращающимся над очень сильным магнитным полем. [6] Теория Гейма и ее варианты рассматривались основным научным сообществом как периферийная физика. Но работы Форварда, Дрёшера и Хойзера нельзя было рассматривать как форму репульсорного или тягового луча, поскольку предсказанные импульсы и полевые эффекты не были ограничены четко определенной, коллимированной областью. [ требуется ссылка ]
Ниже приведены краткие сведения о других примечательных экспериментах и теориях, которые напоминают концепции репульсора и притягивающего луча:
В июле 1960 года отраслевой журнал Missiles and Rockets сообщил, что Мартин Н. Каплан, инженер-исследователь из компании Ryan Aeronautical Company , провел эксперименты, которые могли привести к возможности направлять антигравитационную силу к другому телу или от него. [7]
В 1964 году физики Леопольд Хальперн из Института Нильса Бора и Б. Лоран из Северного института теоретической физики указали, что общая теория относительности и квантовая теория допускают генерацию и усиление гравитонов способом, подобным лазеру. [8] Они показали, что в принципе гравитационное излучение в форме пучка гравитонов может быть сгенерировано и усилено с помощью индуцированных резонансных излучений.
В 1992 году профессор Евгений Подклетнов и Р. Ниеминен из Технологического университета Тампере обнаружили колебания веса в объектах над электромагнитно левитирующим, массивным, композитным сверхпроводящим диском. [9] Три года спустя Подклетнов сообщил о результатах дополнительных экспериментов с тороидальным дисковым сверхпроводником. [10] Они сообщили, что вес образцов будет колебаться от −2,5% до +5,4% по мере увеличения угловой скорости сверхпроводника. Определенные комбинации угловых скоростей диска и электромагнитных частот привели к стабилизации колебаний на уровне уменьшения на 0,3%. Эксперименты с тороидальным диском дали уменьшения, которые достигли максимума в 1,9–2,1%. В отчетах об обоих наборах экспериментов говорилось, что область потери веса была цилиндрической, простирающейся вертикально не менее чем на три метра над диском. Качественные наблюдения выталкивающей силы на границе экранированной зоны были опубликованы осенью 1995 года. [11] [ сомнительно – обсудить ] Несколько групп по всему миру пытались повторить наблюдения Подклетнова за гравитационным экранированием. [12] [ необходимы дополнительные пояснения ]
Итальянский физик Джованни Моданезе, будучи научным сотрудником Института физики Общества Макса Планка , сделал первую попытку дать теоретическое объяснение наблюдениям Подклетнова. [11] [13] Он утверждал, что экранирующий эффект и небольшая выталкивающая сила на границе экранированной зоны могут быть объяснены в терминах индуцированных изменений локальной космологической постоянной . Моданезе описал несколько эффектов, касающихся реакций на изменения локальной космологической постоянной внутри сверхпроводника. [14] Нин Ву из Института физики высоких энергий (Пекин) использовал квантовую калибровочную теорию гравитации, которую он разработал в 2001 году, чтобы объяснить наблюдения Подклетнова. [15] Теория Ву аппроксимировала относительную потерю гравитации как 0,03% (на порядок меньше, чем сообщаемый диапазон 0,3–0,5%). [ необходима цитата ]
CS Unnikrishan, Tata Institute of Fundamental Research , Мумбаи, показал, что если бы эффект был вызван гравитационным экранированием, форма экранированной области была бы похожа на тень от гравитационного экрана. Например, форма экранированной области над диском была бы конической. Высота вершины конуса над диском изменялась бы напрямую с высотой экранирующего диска над землей. [16] Подклетнов и Ниеминен описали форму области потери веса как цилиндр, который простирался через потолок над криостатом . [ требуется цитата ]
Группа ученых из Австралийского национального университета (ANU) под руководством профессора Андрея Роде создала устройство, похожее на тяговый луч, для перемещения мелких частиц на 1,5 метра по воздуху. [17] Однако вместо того, чтобы создавать новое гравитационное поле, устройство использует пончиковый лазерный луч Лагерра-Гаусса , который имеет высокоинтенсивное кольцо света, окружающее темное ядро вдоль оси луча. Этот метод ограничивает частицы в центре луча с помощью фотофореза , при котором освещенные участки частицы имеют более высокую температуру и, таким образом, передают больший импульс молекулам воздуха, падающим на поверхность. Благодаря этому методу такое устройство не может работать в космосе из-за недостатка воздуха. Роде утверждает, что существуют практические применения для устройства на Земле, например, для транспортировки микроскопических опасных материалов и других микроскопических объектов. [18] [19]
Джон Синко и Клиффорд Шлехт исследовали форму лазерного движителя с обратной тягой в виде макроскопического лазерного тягового луча. Предполагаемые применения включают в себя дистанционное управление космическими объектами на расстоянии до 100 км, [20] удаление космического мусора, [21] и поиск дрейфующих астронавтов или инструментов на орбите. [22]
Функционирующие тяговые лучи, основанные на соленоидальных модах света, были продемонстрированы в 2010 году физиками из Нью-Йоркского университета . [23] Спиральное распределение интенсивности в этих недифрагирующих лучах имеет тенденцию захватывать освещенные объекты и, таким образом, помогает преодолеть давление излучения, которое обычно двигало бы их вниз по оптической оси. Орбитальный угловой момент, передаваемый от спиральных волновых фронтов соленоидного луча, затем перемещает захваченные объекты вверх по спирали. Как бесселевы, так и соленоидальные тяговые лучи рассматриваются NASA для применения в исследовании космоса . [24]
В марте 2011 года китайские ученые [ уточнить ] предположили, что определенный тип пучка Бесселя (особый вид лазера, который не дифрагирует в центре) способен создавать эффект, подобный притяжению, на заданной микроскопической частице, заставляя ее двигаться к источнику пучка. [25] [26] В основе физики лежит максимизация прямого рассеяния посредством интерференции мультиполей излучения. Они явно показывают, что необходимым условием для реализации отрицательной (тянущей) оптической силы является одновременное возбуждение мультиполей в частице. Если общая проекция импульса фотона вдоль направления распространения мала, возможна притягивающая оптическая сила. [27] Китайские ученые предполагают, что эта возможность может быть реализована для оптической микроманипуляции. [ требуется ссылка ]
В 2013 году ученые из Института научных приборов (ISI) и Университета Сент-Эндрюс создали тяговый луч, который притягивает объекты на микроскопическом уровне. [28] В исследовании говорится, что эта технология может иметь потенциал для биомедицинских исследований. Профессор Земанек сказал: «Вся команда провела несколько лет, исследуя различные конфигурации доставки частиц светом». [ Эта цитата нуждается в цитировании ] Доктор Брзобогати сказал: «Эти методы открывают новые возможности для фундаментальной фотоники, а также для приложений в науках о жизни». [ Эта цитата нуждается в цитировании ] Доктор Чизмар сказал: «Из-за сходства между оптической и акустической манипуляцией частицами мы ожидаем, что эта концепция вдохновит на захватывающие будущие исследования в областях за пределами области фотоники». [ Эта цитата нуждается в цитировании ]
Физики из ANU построили обратимый тяговый луч, способный переносить частицы «диаметром в одну пятую миллиметра на расстояние до 20 сантиметров, что примерно в 100 раз дальше, чем в предыдущих экспериментах». По словам профессора Вислава Кроликовского из Исследовательской школы физики и инженерии, «демонстрация такого крупномасштабного лазерного луча является своего рода Святым Граалем для лазерных физиков». [29] Работа была опубликована в журнале Nature в 2014 году. [30] В том же году доктор Хорст Пунцманн и его команда в ANU разработали тяговый луч, работающий на воде, который потенциально может быть использован для сдерживания разливов нефти, управления плавающими объектами или изучения образования разрывов на пляжах. [31]
В 2015 году группа исследователей построила первый в мире звуковой тяговый луч, который может поднимать и перемещать объекты с помощью звуковых волн. [32] Была открыта веб-страница Instructables с инструкциями по созданию простейшего устройства. [ 33 ]
В 2016 году ученые из Университета Райса обнаружили, что катушки Теслы могут генерировать силовые поля, способные манипулировать материей посредством процесса, называемого теслафорезом. [34]
В декабре 2016 года исследователи смогли управлять движением бактериальных клеток с помощью тягового луча, тем самым открыв возможность того, что тяговые лучи могут найти будущее применение в биологических науках. [35]
В 2018 году исследовательская группа из Тель-Авивского университета под руководством доктора Алона Бахабада экспериментально продемонстрировала оптический аналог винта Архимеда , где вращение лазерного луча с винтовой интенсивностью передается в осевое движение оптически захваченных микрометровых частиц на основе углерода в воздухе. С помощью этого оптического винта частицы легко перемещались с контролируемой скоростью и направлением вверх или вниз по оптическому потоку на расстояние более полусантиметра. [36]
В 2019 году исследователи из Вашингтонского университета использовали тяговый луч для сборки наноматериалов в процессе, который они описывают как «фотонная нанопайка». [37]
.png/1280px-Walton(reconstitution).png)
Научно-фантастические фильмы и телепередачи обычно изображают тяговые и репульсорные лучи как слышимые, узкие лучи видимого света, покрывающие небольшую целевую область. Тяговые лучи чаще всего используются на космических кораблях и космических станциях . Обычно они используются тремя способами: [ необходима цитата ]
В последнем случае против тяговых лучей обычно можно применять контрмеры. Они могут включать прессорные лучи (более сильный прессорный луч будет противодействовать более слабому тяговому лучу) или плоские ножницы, также известные как режущие плоскости (устройство для «разрезания» тягового луча и вывода его из строя). В некоторых вымышленных реальностях щиты могут блокировать тяговые лучи, или генераторы могут быть отключены путем отправки большого количества энергии вдоль луча к его источнику. [ необходима цитата ]
Тяговые и прессорные лучи могут использоваться вместе как оружие: притягивая одну сторону вражеского космического корабля и отталкивая другую, можно создать в его корпусе сильно разрушающие сдвиговые эффекты. Другой способ разрушительного использования таких лучей — быстрое чередование силы нажатия и тяги с целью нанесения структурного ущерба кораблю, а также нанесения смертельных ударов его экипажу. [ необходима цитата ]
Два объекта, сближаемые тяговым лучом, обычно притягиваются к общему центру тяжести. Это означает, что если небольшой космический корабль применит тяговый луч к большому объекту, такому как планета, то корабль будет притянут к планете, а не наоборот. [3] [ нужен лучший источник ]
В «Звездном пути » предполагается, что тяговые лучи работают, помещая цель в фокус интерференционной картины подпространства/гравитона, созданной двумя лучами излучателя. Когда лучи управляются правильно, цель притягивается вместе с интерференционной картиной. Цель может быть перемещена к излучателю или от него путем изменения полярности лучей. Дальность луча влияет на максимальную массу, которую может переместить излучатель, и излучатель подвергает свою якорную структуру значительной силе. [38]
