Радиационное давление

Давление, оказываемое на любую поверхность, подверженную электромагнитному излучению

Сила, действующая на отражатель, возникает в результате отражения потока фотонов.

Радиационное давление (также известное как световое давление ) — это механическое давление, оказываемое на поверхность из-за обмена импульсом между объектом и электромагнитным полем . Это включает в себя импульс света или электромагнитного излучения любой длины волны , который поглощается , отражается или иным образом испускается (например, излучение черного тела ) материей в любом масштабе (от макроскопических объектов до частиц пыли и молекул газа). ^{[1] [2] [3]} Связанная с этим сила называется силой радиационного давления или иногда просто силой света .

Силы, создаваемые давлением излучения, как правило, слишком малы, чтобы их можно было заметить в повседневных обстоятельствах; однако они важны в некоторых физических процессах и технологиях. Это особенно касается объектов в открытом космосе , где это обычно основная сила, действующая на объекты, помимо гравитации, и где чистый эффект крошечной силы может иметь большой кумулятивный эффект в течение длительных периодов времени. Например, если бы влияние давления излучения Солнца на космический корабль программы Viking было проигнорировано, космический корабль промахнулся бы мимо орбиты Марса примерно на 15 000 км (9 300 миль). ^[4] Давление излучения от звездного света также имеет решающее значение в ряде астрофизических процессов. Значимость давления излучения быстро возрастает при чрезвычайно высоких температурах и иногда может затмить обычное давление газа , например, в недрах звезд и термоядерном оружии . Кроме того, большие лазеры, работающие в космосе, были предложены в качестве средства приведения в движение парусных кораблей в лучевых двигателях .

Силы давления излучения являются основой лазерной технологии и отраслей науки, которые в значительной степени зависят от лазеров и других оптических технологий . Это включает, но не ограничивается, биомикроскопией (где свет используется для облучения и наблюдения за микробами, клетками и молекулами), квантовой оптикой и оптомеханикой (где свет используется для зондирования и управления такими объектами, как атомы, кубиты и макроскопические квантовые объекты). Прямые приложения силы давления излучения в этих областях включают, например, лазерное охлаждение (предмет Нобелевской премии по физике 1997 года ), ^[5] квантовый контроль макроскопических объектов и атомов (Нобелевская премия по физике 2012 года), ^[6] интерферометрию (Нобелевская премия по физике 2017 года) ^[7] и оптический пинцет (Нобелевская премия по физике 2018 года). ^[8]

Давление излучения можно с равным успехом объяснить, рассматривая импульс классического электромагнитного поля или в терминах импульсов фотонов , частиц света. Взаимодействие электромагнитных волн или фотонов с веществом может включать обмен импульсом . В силу закона сохранения импульса любое изменение полного импульса волн или фотонов должно включать равное и противоположное изменение импульса вещества, с которым оно взаимодействовало ( третий закон движения Ньютона ), как показано на прилагаемом рисунке для случая, когда свет идеально отражается поверхностью. Эта передача импульса является общим объяснением того, что мы называем давлением излучения.

Открытие

Советская рублевая монета, посвященная открытию Лебедева

Иоганн Кеплер выдвинул концепцию давления излучения в 1619 году, чтобы объяснить наблюдение, что хвост кометы всегда направлен в сторону от Солнца. ^[9]

Утверждение о том, что свет, как электромагнитное излучение , обладает свойством импульса и, таким образом, оказывает давление на любую поверхность, которая подвергается его воздействию, было опубликовано Джеймсом Клерком Максвеллом в 1862 году и экспериментально доказано русским физиком Петром Лебедевым в 1900 году ^[10] и Эрнестом Фоксом Николсом и Гордоном Ферри Халлом в 1901 году ^[11]. Давление очень мало, но его можно обнаружить, если направить излучение на тонко уравновешенную лопасть из отражающего металла в радиометре Николса (его не следует путать с радиометром Крукса , характерное движение которого вызвано не давлением излучения, а потоком воздуха, вызванным перепадами температур).

Теория

Радиационное давление можно рассматривать как следствие сохранения импульса, учитывая импульс, приписываемый электромагнитному излучению. Этот импульс может быть одинаково хорошо рассчитан на основе электромагнитной теории или из объединенных импульсов потока фотонов, что даст идентичные результаты, как показано ниже.

Радиационное давление от импульса электромагнитной волны

Согласно теории электромагнетизма Максвелла, электромагнитная волна переносит импульс. Импульс будет передан любой поверхности, на которую она попадет и которая поглощает или отражает излучение.

Рассмотрим импульс , переданный идеально поглощающей (черной) поверхности. Поток энергии (излучение) плоской волны рассчитывается с использованием вектора Пойнтинга , который является векторным произведением вектора электрического поля E и вектора вспомогательного поля магнитного поля (или намагничивающего поля ) H. Величина, обозначенная S , деленная на скорость света, представляет собой плотность линейного импульса на единицу площади (давление) электромагнитного поля. Таким образом, размерно вектор Пойнтинга равен S = ⁠ ${\displaystyle \mathbf {S} =\mathbf {E} \times \mathbf {H} }$власть/область⁠ = ⁠скорость выполнения работы/область⁠ = ⁠⁠Δ F/Δ т⁠ Δ х/область⁠ , что является скоростью света, c = Δ x / Δ t , умноженной на давление, Δ F / площадь . Это давление ощущается как давление излучения на поверхности: где- давление (обычно в паскалях ),- падающее излучение (обычно в Вт/м ² ), а- скорость света в вакууме. Здесь, ⁠ $${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {\langle S\rangle }{c}}={\frac {I_{f}}{c}}}$$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle I_{f}}$ ${\displaystyle c}$1/с⁠ ≈3,34 Н/ГВт .

Если поверхность плоская и расположена под углом α к падающей волне, то интенсивность на поверхности будет геометрически уменьшена на косинус этого угла, а составляющая силы излучения, действующая на поверхность, также будет уменьшена на косинус α , что приведет к давлению: $${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {I_{f}}{c}}\cos ^{2}\alpha }$$

Импульс от падающей волны имеет то же направление, что и сама волна. Но только компонент этого импульса, нормальный к поверхности, вносит вклад в давление на поверхность, как указано выше. Компонент этой силы, касательный к поверхности, не называется давлением. ^[12]

Радиационное давление от отражения

Приведенная выше обработка падающей волны учитывает давление излучения, испытываемое черным (полностью поглощающим) телом. Если волна отражается зеркально , то отдача, вызванная отраженной волной, будет дополнительно способствовать давлению излучения. В случае идеального отражателя это давление будет идентично давлению, вызванному падающей волной:

$${\displaystyle P_{\text{emitted}}={\frac {I_{f}}{c}}}$$

таким образом, удваивая чистое давление излучения на поверхность:

$${\displaystyle P_{\text{net}}=P_{\text{incident}}+P_{\text{emitted}}=2{\frac {I_{f}}{c}}}$$

Для частично отражающей поверхности второй член должен быть умножен на отражательную способность (также известную как коэффициент отражения интенсивности), так что увеличение будет меньше, чем вдвое. Для диффузно отражающей поверхности необходимо учитывать детали отражения и геометрию, что снова приводит к увеличению чистого давления излучения менее чем вдвое.

Радиационное давление при излучении

Так же, как волна, отраженная от тела, вносит вклад в чистое испытываемое давление излучения, тело, которое испускает собственное излучение (а не отраженное), получает давление излучения, снова определяемое интенсивностью излучения в направлении, нормальном к поверхности I _e : $${\displaystyle P_{\text{emitted}}={\frac {I_{\text{e}}}{c}}}$$

Излучение может быть вызвано излучением черного тела или любым другим радиационным механизмом. Поскольку все материалы испускают излучение черного тела (если только они не полностью отражающие или не находятся при абсолютном нуле), этот источник давления излучения вездесущ, но обычно мал. Однако, поскольку излучение черного тела быстро увеличивается с температурой (как четвертая степень температуры, заданная законом Стефана-Больцмана ), давление излучения из-за температуры очень горячего объекта (или из-за входящего излучения черного тела из столь же горячего окружения) может стать значительным. Это важно в звездных недрах.

Радиационное давление в терминах фотонов

Электромагнитное излучение можно рассматривать с точки зрения частиц, а не волн; эти частицы известны как фотоны . Фотоны не имеют массы покоя; однако фотоны никогда не находятся в состоянии покоя (они движутся со скоростью света) и тем не менее приобретают импульс, который определяется по формуле: где p — импульс, h — постоянная Планка , λ — длина волны , а c — скорость света в вакууме. А E _p — энергия отдельного фотона, определяемая по формуле: $${\displaystyle p={\dfrac {h}{\lambda }}={\frac {E_{p}}{c}},}$$ $${\displaystyle E_{p}=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}$$

Давление излучения снова можно рассматривать как передачу импульса каждого фотона непрозрачной поверхности плюс импульс из-за (возможного) отскока фотона для (частично) отражающей поверхности. Поскольку падающая волна облученности I _f на площадь A имеет мощность I _f A , это подразумевает поток I _f / E _p фотонов в секунду на единицу площади, падающих на поверхность. Объединение этого с приведенным выше выражением для импульса одного фотона приводит к тем же соотношениям между облученностью и давлением излучения, которые описаны выше с использованием классического электромагнетизма. И снова, отраженные или иным образом испущенные фотоны будут вносить одинаковый вклад в чистое давление излучения.

Сжатие в однородном поле излучения

В общем случае давление электромагнитных волн можно получить из равенства нулю следа тензора электромагнитных напряжений : поскольку этот след равен 3 P − u , то получаем , где u — энергия излучения на единицу объема. $${\displaystyle P={\frac {u}{3}},}$$

Это также можно показать в конкретном случае давления, оказываемого на поверхности тела, находящегося в тепловом равновесии с окружающей средой, при температуре T : тело будет окружено однородным полем излучения, описываемым законом излучения черного тела Планка , и будет испытывать сжимающее давление из-за падающего излучения, его отражения и собственного излучения черного тела. Из этого можно показать, что результирующее давление равно одной трети полной лучистой энергии на единицу объема в окружающем пространстве. ^{[13] [14] [15] [16]}

Используя закон Стефана–Больцмана , это можно выразить как где — постоянная Стефана–Больцмана . $${\displaystyle P_{\text{compress}}={\frac {u}{3}}={\frac {4\sigma }{3c}}T^{4},}$$ ${\displaystyle \sigma }$

Давление солнечного излучения

Давление солнечного излучения обусловлено излучением Солнца на более близких расстояниях, таким образом, особенно в пределах Солнечной системы . (Давление излучения солнечного света на Земле очень мало: оно эквивалентно давлению, оказываемому весом около миллиграмма на площадь 1 квадратный метр, или 10 мкН/м2 ^. ) ^{[ необходима цитата ]} Хотя оно действует на все объекты, его чистый эффект, как правило, больше на меньших телах, поскольку они имеют большее отношение площади поверхности к массе. Все космические аппараты испытывают такое давление, за исключением случаев, когда они находятся за тенью более крупного орбитального тела .

Давление солнечного излучения на объекты вблизи Земли можно рассчитать, используя солнечную освещенность на _{расстоянии} 1  а.е. , известную как солнечная постоянная , или GSC , значение которой по состоянию на 2011 год установлено на уровне 1361  Вт / м2 ^{. [17]}

Все звезды имеют спектральное распределение энергии , которое зависит от температуры их поверхности. Распределение приблизительно соответствует распределению излучения черного тела . Это распределение необходимо учитывать при расчете давления излучения или определении отражающих материалов для оптимизации солнечного паруса , например.

Кратковременные или многочасовые солнечные давления действительно могут усиливаться из-за высвобождения солнечных вспышек и корональных выбросов массы , но эффекты остаются по существу неизмеримыми по отношению к орбите Земли. Однако эти давления сохраняются в течение эпох, так что в совокупности они производят измеримое движение на орбите системы Земля-Луна.

Давления поглощения и отражения

Давление солнечного излучения на расстоянии Земли от Солнца можно рассчитать, разделив солнечную постоянную G _SC (выше) на скорость света c . Для поглощающего слоя, обращенного к Солнцу, это просто: ^[18] $${\displaystyle P={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}\approx 4.5\cdot 10^{-6}~{\text{Pa}}=4.5~\mu {\text{Pa}}.}$$

Этот результат выражен в паскалях , что эквивалентно Н/м ² ( ньютон на квадратный метр). Для листа под углом α к Солнцу эффективная площадь A листа уменьшается на геометрический фактор, что приводит к силе в направлении солнечного света : $${\displaystyle F={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}(A\cos \alpha ).}$$

Чтобы найти компонент этой силы, нормальный к поверхности, необходимо применить еще один косинусный множитель, в результате чего давление P на поверхность составит: $${\displaystyle P={\frac {F\cos \alpha }{A}}={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}\cos ^{2}\alpha .}$$

Однако следует отметить, что для того, чтобы учесть чистое воздействие солнечной радиации, например, на космический аппарат, необходимо учитывать полную силу (в направлении от Солнца), заданную предыдущим уравнением, а не только компонент, нормальный к поверхности, который мы определяем как «давление».

Солнечная постоянная определяется для излучения Солнца на расстоянии до Земли, также известном как одна астрономическая единица (а.е.). Следовательно, на расстоянии R астрономических единиц ( R, таким образом, безразмерно), применяя закон обратных квадратов , мы бы нашли: $${\displaystyle P={\frac {G_{\text{SC}}}{cR^{2}}}\cos ^{2}\alpha .}$$

Наконец, если рассматривать не поглощающую, а идеально отражающую поверхность, то давление удваивается за счет отраженной волны, в результате чего: $${\displaystyle P=2{\frac {G_{\text{SC}}}{cR^{2}}}\cos ^{2}\alpha .}$$

Обратите внимание, что в отличие от случая поглощающего материала, результирующая сила на отражающем теле задается именно этим давлением, действующим по нормали к поверхности, при этом тангенциальные силы от падающей и отражающей волн компенсируют друг друга. На практике материалы не являются ни полностью отражающими, ни полностью поглощающими, поэтому результирующая сила будет взвешенным средним сил, рассчитанных с использованием этих формул.

Возмущения давления излучения

Давление солнечного излучения является источником орбитальных возмущений . Оно существенно влияет на орбиты и траектории малых тел, включая все космические аппараты.

Давление солнечного излучения влияет на тела по всей Солнечной системе. Малые тела подвержены большему влиянию, чем крупные, из-за их меньшей массы относительно площади поверхности. Космические аппараты подвержены влиянию наряду с естественными телами (кометами, астероидами, пылинками, молекулами газа).

Давление излучения приводит к возникновению сил и моментов на телах, которые могут изменять их поступательные и вращательные движения. Поступательные изменения влияют на орбиты тел. Скорости вращения могут увеличиваться или уменьшаться. Слабо агрегированные тела могут распадаться при высоких скоростях вращения. Пылинки могут либо покидать Солнечную систему, либо по спирали устремляться в Солнце. ^[19]

Целое тело обычно состоит из многочисленных поверхностей, которые имеют различную ориентацию на теле. Грани могут быть плоскими или изогнутыми. Они будут иметь различные области. Они могут иметь оптические свойства, отличающиеся от других аспектов.

В любой момент времени некоторые грани подвергаются воздействию Солнца, а некоторые находятся в тени. Каждая поверхность, подвергающаяся воздействию Солнца, отражает, поглощает и испускает излучение. Грани в тени испускают излучение. Сумма давлений по всем граням определяет чистую силу и крутящий момент на теле. Их можно рассчитать с помощью уравнений в предыдущих разделах. ^{[12] [18]}

Эффект Ярковского влияет на перемещение малого тела. Он возникает из-за того, что поверхность, покидающая солнечное воздействие, имеет более высокую температуру, чем поверхность, приближающаяся к солнечному воздействию. Излучение, испускаемое более теплой поверхностью, более интенсивно, чем излучение противоположной поверхности, что приводит к чистой силе на теле, которая влияет на его движение. ^[20]

Эффект YORP представляет собой набор эффектов, расширяющих более раннюю концепцию эффекта Ярковского, но схожих по своей природе. Он влияет на спиновые свойства тел. ^{[ необходима цитата ]}

Эффект Пойнтинга-Робертсона применим к частицам размером с зернышко. С точки зрения пылинки, вращающейся вокруг Солнца, кажется, что излучение Солнца исходит немного вперед ( аберрация света ). Поэтому поглощение этого излучения приводит к возникновению силы с компонентом, направленным против направления движения. (Угол аберрации мал, поскольку излучение движется со скоростью света, в то время как пылинка движется на много порядков медленнее.) Результатом является постепенная спираль пылинок в Солнце. За длительные периоды времени этот эффект очищает большую часть пыли в Солнечной системе.

Хотя сила давления излучения довольно мала по сравнению с другими силами, она неумолима. В течение длительных периодов времени чистый эффект силы оказывается существенным. Такие слабые давления могут оказывать заметное воздействие на мельчайшие частицы, такие как ионы газа и электроны , и имеют важное значение в теории электронной эмиссии от Солнца, кометного материала и т. д.

Поскольку отношение площади поверхности к объему (и, следовательно, к массе) увеличивается с уменьшением размера частиц, пылевые ( микрометрового размера) частицы подвержены давлению излучения даже во внешней Солнечной системе. Например, эволюция внешних колец Сатурна существенно зависит от давления излучения.

Вследствие давления света Эйнштейн ^[21] в 1909 году предсказал существование «лучевого трения», которое будет препятствовать движению материи. Он писал: «излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, оказываемые на обе стороны, равны, если пластина находится в состоянии покоя. Однако, если она движется, больше излучения будет отражаться на поверхности, которая находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Действующая назад сила давления, оказываемая на переднюю поверхность, таким образом, больше силы давления, действующей на заднюю поверхность. Следовательно, как равнодействующая двух сил, остается сила, которая противодействует движению пластины и которая увеличивается со скоростью пластины. Мы будем называть эту результирующую силу «лучевым трением» для краткости».

Солнечные паруса

Солнечный парус, экспериментальный метод движения космических кораблей , использует радиационное давление Солнца в качестве движущей силы. Идея межпланетных путешествий с помощью света была упомянута Жюлем Верном в его романе 1865 года «С Земли на Луну» .

Парус отражает около 90% падающего излучения. 10%, которые поглощаются, излучаются от обеих поверхностей, а доля, излучаемая неосвещенной поверхностью, зависит от теплопроводности паруса. Парус имеет кривизну, неровности поверхности и другие незначительные факторы, которые влияют на его производительность.

Японское агентство аэрокосмических исследований ( JAXA ) успешно развернуло в космосе солнечный парус, который уже успешно вывел на орбиту полезную нагрузку в рамках проекта IKAROS .

Космические эффекты давления излучения

Радиационное давление оказало огромное влияние на развитие космоса, от зарождения Вселенной до продолжающегося формирования звезд и формирования облаков пыли и газа в широком диапазоне масштабов. ^[22]

Ранняя вселенная

Эпоха фотонов — это фаза, когда энергия Вселенной находилась во власти фотонов, между 10 секундами и 380 000 лет после Большого взрыва . ^[23]

Формирование и эволюция галактики

Облака Столпы Творения в туманности Орла, сформированные под действием давления излучения и звездных ветров.

Процесс формирования и эволюции галактик начался на ранней стадии истории космоса. Наблюдения за ранней Вселенной убедительно свидетельствуют о том, что объекты росли снизу вверх (т. е. более мелкие объекты сливались, образуя более крупные). Поскольку таким образом формируются звезды и становятся источниками электромагнитного излучения, давление излучения от звезд становится фактором в динамике оставшегося околозвездного материала. ^[24]

Облака пыли и газов

Гравитационное сжатие облаков пыли и газов сильно зависит от давления излучения, особенно когда конденсации приводят к рождению звезд. Более крупные молодые звезды, образующиеся внутри сжатых облаков, испускают интенсивные уровни излучения, которые смещают облака, вызывая либо дисперсию, либо конденсацию в близлежащих регионах, что влияет на показатели рождаемости в этих близлежащих регионах.

Скопления звезд

Звезды преимущественно формируются в областях больших облаков пыли и газа, что приводит к образованию звездных скоплений . Радиационное давление звезд-членов в конечном итоге рассеивает облака, что может оказать глубокое влияние на эволюцию скопления.

Многие открытые скопления изначально нестабильны, с достаточно малой массой, так что скорость выхода системы ниже средней скорости составляющих ее звезд. Эти скопления быстро рассеются в течение нескольких миллионов лет. Во многих случаях удаление газа, из которого образовалось скопление, под действием давления излучения горячих молодых звезд уменьшает массу скопления достаточно, чтобы обеспечить быстрое рассеивание.

Протопланетный диск с очищенной центральной областью (представление художника).

Звездообразование

Звездообразование — это процесс, при котором плотные области внутри молекулярных облаков в межзвездном пространстве коллапсируют, образуя звезды . Как раздел астрономии , звездообразование включает в себя изучение межзвездной среды и гигантских молекулярных облаков (ГМО) как предшественников процесса звездообразования, а также изучение протозвезд и молодых звездных объектов как его непосредственных продуктов. Теория звездообразования, а также учет образования одиночной звезды, должна также учитывать статистику двойных звезд и начальную функцию масс .

Звездно-планетные системы

Планетные системы , как правило, считаются сформированными в рамках того же процесса, который приводит к образованию звезд . Протопланетный диск формируется путем гравитационного коллапса молекулярного облака , называемого солнечной туманностью , а затем эволюционирует в планетную систему путем столкновений и гравитационного захвата. Радиационное давление может очистить область в непосредственной близости от звезды. По мере продолжения процесса формирования радиационное давление продолжает играть роль, влияя на распределение материи. В частности, пыль и зерна могут закручиваться в звезду или покидать звездную систему под действием радиационного давления.

Комета Хейла-Боппа (C/1995 O1). Ясно видны влияние давления излучения и солнечного ветра на пылевые и газовые хвосты.

Звездные интерьеры

В звездных недрах температуры очень высоки. Звездные модели предсказывают температуру 15 МК в центре Солнца , а в ядрах сверхгигантов температура может превышать 1 ГК. Поскольку давление излучения масштабируется как четвертая степень температуры, оно становится важным при таких высоких температурах. На Солнце давление излучения все еще довольно мало по сравнению с давлением газа. В самых тяжелых невырожденных звездах давление излучения является доминирующим компонентом давления. ^[25]

Кометы

Давление солнечного излучения сильно влияет на хвосты комет . Солнечный нагрев приводит к выделению газов из ядра кометы , которые также уносят частицы пыли. Давление излучения и солнечный ветер затем уносят пыль и газы от направления Солнца. Газы образуют в целом прямой хвост, в то время как более медленно движущиеся частицы пыли создают более широкий, изогнутый хвост.

Лазерные применения давления излучения

Оптический пинцет

Лазеры могут использоваться как источник монохроматического света с длиной волны . С помощью набора линз можно сфокусировать лазерный луч в точку диаметром (или ). ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle r=\lambda /2}$

Таким образом, давление излучения лазера мощностью P = 30 мВт с λ = 1064 нм можно рассчитать следующим образом.

Область: $${\displaystyle A=\pi \left({\frac {\lambda }{2}}\right)^{2}\approx 10^{-12}{\text{ m}}^{2},}$$

сила: $${\displaystyle F={\frac {P}{c}}={\frac {30{\text{ mW}}}{299792458{\text{ m/s}}}}\approx 10^{-10}{\text{ N}},}$$

давление: $${\displaystyle p={\frac {F}{A}}\approx {\frac {10^{-10}{\text{ N}}}{10^{-12}{\text{ m}}^{2}}}=100{\text{ Pa}}.}$$

Используется для захвата или левитации частиц в оптических пинцетах .

Взаимодействие света и материи

В этой оптомеханической полости свет захватывается и усиливается между двумя зеркалами. Одно из зеркал прикреплено к пружине и может двигаться. Сила давления излучения света, циркулирующего в полости, может гасить или усиливать колебания зеркала на пружине.

Отражение лазерного импульса от поверхности упругого твердого тела может привести к возникновению различных типов упругих волн, которые распространяются внутри твердого тела или жидкости. Другими словами, свет может возбуждать и/или усиливать движение материалов и в них. Это предмет изучения в области оптомеханики. Самые слабые волны, как правило, генерируются давлением излучения, действующим во время отражения света. Такие упругие волны, вызванные давлением света, наблюдались, например, внутри диэлектрического зеркала со сверхвысокой отражательной способностью . ^[26] Эти волны являются самым основным отпечатком взаимодействия света и твердого вещества в макроскопическом масштабе. ^[27] В области оптомеханики полости свет захватывается и резонансно усиливается в оптических полостях , например, между зеркалами. Это служит цели значительного увеличения мощности света и давления излучения, которое он может оказывать на объекты и материалы. Реализован оптический контроль (то есть управление движением) множества объектов: от километровых лучей (например, в интерферометре LIGO ) ^[28] до облаков атомов ^[29] и от микроинженерных батутов ^[30] до сверхтекучих жидкостей [ ^{31] [32]}

В этой оптомеханической системе сила давления излучения используется для обнаружения одной молекулы белка . Лазерный свет взаимодействует со стеклянной сферой : сила давления излучения заставляет ее вибрировать. Присутствие одной молекулы на сфере нарушает эту (тепловую) вибрацию, и возмущение в движении сферы можно обнаружить в спектре осциллятора слева. ^[33]

В противоположность возбуждению или усилению движения, свет может также гасить движение объектов. Лазерное охлаждение — это метод охлаждения материалов очень близко к абсолютному нулю путем преобразования части энергии движения материала в свет. Кинетическая энергия и тепловая энергия материала здесь являются синонимами, поскольку они представляют собой энергию, связанную с броуновским движением материала. Атомы, движущиеся к источнику лазерного света, воспринимают эффект Доплера , настроенный на частоту поглощения целевого элемента. Давление излучения на атом замедляет движение в определенном направлении до тех пор, пока эффект Доплера не выйдет за пределы частотного диапазона элемента, вызывая общий эффект охлаждения. ^[34]

Другой активной областью исследований взаимодействия лазера с веществом является ускорение ионов или протонов под действием давления излучения от мишеней из тонкой фольги. ^[35] Высокоэнергетические ионные пучки могут быть получены для медицинских применений (например, в ионно-лучевой терапии ^[36] ) с помощью давления излучения коротких лазерных импульсов на сверхтонкую фольгу.

Смотрите также

• Поглощение (электромагнитное излучение)
• Резонаторная оптомеханика
• Лазерное охлаждение
• ЛИГО
• Оптический пинцет
• Фотон
• Вектор Пойнтинга
• Теорема Пойнтинга
• Эффект Пойнтинга–Робертсона
• Квантовая оптика
• Солнечная постоянная
• Солнечный парус
• Солнечный свет
• Корпускулярно-волновой дуализм
• эффект Ярковского
• Эффект Ярковского–О'Кифа–Радзиевского–Паддака

Ссылки

1. Звездные атмосферы , Д. Михалас (1978), Второе издание, WH Freeman & Co.
2. Эддингтон, А. С. и Эддингтон, А. С. (1988). Внутреннее строение звезд . Cambridge University Press.
3. Чандрасекар, С. (2013). Радиационный перенос . Courier Corporation.
4. Юджин Хехт, «Оптика», 4-е издание, стр. 57.
5. Коэн-Таннуджи, Клод Н. (1998-07-01). «Нобелевская лекция: Манипулирование атомами с помощью фотонов». Reviews of Modern Physics . 70 (3): 707–719. Bibcode : 1998RvMP...70..707C. doi : 10.1103/RevModPhys.70.707 . ISSN  0034-6861.
6. Уайнленд, Дэвид Дж. (2013-07-12). «Нобелевская лекция: суперпозиция, запутанность и выращивание кота Шредингера». Reviews of Modern Physics . 85 (3): 1103–1114. Bibcode : 2013RvMP...85.1103W. doi : 10.1103/RevModPhys.85.1103 . ISSN  0034-6861.
7. Вайс, Райнер (18.12.2018). "Нобелевская лекция: LIGO и открытие гравитационных волн I". Reviews of Modern Physics . 90 (4): 040501. Bibcode : 2018RvMP...90d0501W. doi : 10.1103/RevModPhys.90.040501 .
8. Ширбер, Майкл (2018-10-04). «Нобелевская премия — лазеры как инструменты». Физика . 11 : 100. Bibcode : 2018PhyOJ..11..100S. doi : 10.1103/physics.11.100. S2CID  125788399.
9. Иоганн Кеплер (1619). Де Кометис Либелли Трес.
10. П. Лебедев, 1901, «Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes», Annalen der Physik , 1901 Series 4 6, 433-458.
11. Николс, Э. Ф. и Халл, ГФ (1903) Давление, вызванное излучением, The Astrophysical Journal , том 17, № 5, стр. 315-351
12. Wright, Jerome L. (1992), Космический парусный спорт , Gordon and Breach Science Publishers
13. Шанкар Р. Принципы квантовой механики (PDF) (2-е изд.).
14. Кэрролл, Брэдли В.; Дейл А. Остли. Введение в современную астрофизику (2-е изд.).
15. Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика .
16. Кардар, Мехран. «Статистическая физика частиц».
17. Копп, Г.; Лин, Дж. Л. (2011). «Новое, более низкое значение общей солнечной радиации: доказательства и климатическое значение». Geophysical Research Letters . 38 (1): n/a. Bibcode : 2011GeoRL..38.1706K. doi : 10.1029/2010GL045777 .
18. Georgevic, RM (1973) «Модель сил и моментов давления солнечного излучения», The Journal of the Astronautical Sciences , том 27, № 1, янв.–февр. Первая известная публикация, описывающая, как давление солнечного излучения создает силы и моменты, которые влияют на космический аппарат.
19. Центр, Космический полет имени Годдарда НАСА. «Пылевые модели рисуют инопланетный взгляд на Солнечную систему (с видео)». phys.org . Получено 01.03.2022 .
20. Vokrouhlicky, David; Bottke, William F. (2012-05-02). "Эффекты Ярковского и YORP". Scholarpedia . 7 (5): 10599. arXiv : 1502.01249 . Bibcode : 2012SchpJ...710599B. doi : 10.4249/scholarpedia.10599 . ISSN  1941-6016.
21. Эйнштейн, А. (1989). О развитии наших взглядов на природу и состав излучения. Переведено в: The Collected Papers of Albert Einstein . Vol. 2. Princeton, New Jersey: Princeton University Press. p. 391.
22. Карел Велан, А. (1992), «Рождение первого поколения звезд», The Multi-Universe Cosmos , Springer US, стр. 267–278, doi :10.1007/978-1-4684-6030-8_22, ISBN 9781468460322
23. Ранняя вселенная . Унру, В. Г., Семенов, Г. В., Организация Североатлантического договора. Отдел научных дел. Дордрехт: Д. Рейдель. 1988. ISBN 9027726191. OCLC  16684785.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
24. Лонгэр, Малкольм С., 1941– (2008). Формирование галактик . Springer. ISBN 9783540734772. OCLC  212409895.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
25. Дейл А. Остли и Брэдли В. Кэрролл, Введение в современную астрофизику (2-е издание), стр. 341, Pearson, Сан-Франциско, 2007
26. Požar, T.; Možina, J. (2013). «Измерение упругих волн, вызванных отражением света». Physical Review Letters . 111 (18): 185501. Bibcode : 2013PhRvL.111r5501P. doi : 10.1103/Physrevlett.111.185501. PMID  24237537.
27. Požar, T.; Laloš, J.; Babnik, A.; Petkovšek, R.; Bethune-Waddell, M.; Chau, KJ; Lukasievicz, GVB; Astrath, NGC (2018). "Изолированное обнаружение упругих волн, вызванных импульсом света". Nature Communications . 9 (1): 3340. Bibcode :2018NatCo...9.3340P. doi :10.1038/s41467-018-05706-3. PMC 6105914 . PMID  30131489. 
28. Джонстон, Хэмиш (10 декабря 2019 г.). «Квантовое сжатие повышает производительность детекторов гравитационных волн LIGO и Virgo». PhysicsWorld .
29. Schreppler, Sydney; Spethmann, Nicolas; Brahms, Nathan; Botter, Thierry; Barrios, Maryrose; Stamper-Kurn, Dan M. (2014-06-27). «Оптическое измерение силы вблизи стандартного квантового предела». Science . 344 (6191): 1486–1489. arXiv : 1312.4896 . Bibcode :2014Sci...344.1486S. doi :10.1126/science.1249850. ISSN  0036-8075. PMID  24970079. S2CID  206554506.
30. Клекнер, Дастин; Маршалл, Уильям; де Дуд, Михиль JA; Диньяри, Ходадад Нима; Порс, Барт-Джан; Ирвин, Уильям TM; Боуместер, Дирк (2006-05-02). "Высокоточный оптико-механический резонатор с подвижным зеркалом размером тридцать микрон". Physical Review Letters . 96 (17): 173901. Bibcode : 2006PhRvL..96q3901K. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.173901. hdl : 1887/65506 . PMID  16712296. S2CID  1801710.
31. Harris, GI; McAuslan, DL; Sheridan, E.; Sachkou, Y.; Baker, C.; Bowen, WP (2016). «Лазерное охлаждение и управление возбуждениями в сверхтекучем гелии». Nature Physics . 12 (8): 788–793. arXiv : 1506.04542 . Bibcode :2016NatPh..12..788H. doi :10.1038/nphys3714. ISSN  1745-2481. S2CID  118135792.
32. Кашканова, А.Д.; Шкарин, А.Б.; Браун, CD; Флауэрс-Джейкобс, Невада; Чилдресс, Л.; Хох, Юго-Запад; Хоманн, Л.; Отт, К.; Райхель, Дж.; Харрис, JGE (2017). «Сверхтекучая оптомеханика Бриллюэна». Физика природы . 13 (1): 74–79. arXiv : 1602.05640 . Бибкод : 2017NatPh..13...74K. дои : 10.1038/nphys3900. ISSN  1745-2481. S2CID  10880961.
33. Юй, Вэньянь; Цзян, Вэй Ц.; Линь, Цян; Лу, Тао (2016-07-27). "Оптомеханическое пружинное зондирование одиночных молекул в полости". Nature Communications . 7 (1): 12311. arXiv : 1504.03727 . Bibcode :2016NatCo...712311Y. doi : 10.1038/ncomms12311 . ISSN  2041-1723. PMC 4974467 . PMID  27460277. 
34. Аспельмейер, Маркус; Киппенберг, Тобиас Дж.; Марквардт, Флориан (2014-12-30). «Оптомеханика полостей». Reviews of Modern Physics . 86 (4): 1391–1452. arXiv : 1303.0733 . Bibcode : 2014RvMP...86.1391A. doi : 10.1103/RevModPhys.86.1391. S2CID  119252645.
35. Meinhold, Tim Arniko; Kumar, Naveen (декабрь 2021 г.). «Ускорение протонов под действием радиационного давления из структурированных тонкофольгированных мишеней». Journal of Plasma Physics . 87 (6): 905870607. arXiv : 2111.14087 . Bibcode :2021JPlPh..87f9007M. doi : 10.1017/S0022377821001070 . ISSN  0022-3778. S2CID  244636880.
36. Малка, Виктор; Фрицлер, Свен; Лефевр, Эрик; д'Юмьер, Эммануэль; Ферран, Режис; Грийон, Жорж; Альбаре, Клод; Мейронейнк, Самуэль; Шамбаре, Жан-Поль; Антонетти, Андре; Хулен, Даниэль (27 мая 2004 г.). «Практическая целесообразность протонной терапии с использованием компактных лазерных систем». Медицинская физика . 31 (6): 1587–1592. Бибкод : 2004MedPh..31.1587M. дои : 10.1118/1.1747751. ПМИД  15259663.

Дальнейшее чтение

• Демир, Дилек, «Настольная демонстрация давления излучения», 2011, Дипломная работа, E-Thesis univie