В физике сверхизлучение — это эффект усиления излучения в различных контекстах, включая квантовую механику , астрофизику и теорию относительности .
За неимением лучшего термина, газ, который интенсивно излучает из-за когерентности, будем называть «сверхизлучающим».
- Роберт Х. Дике , 1954, [1]
В квантовой оптике сверхизлучение — это явление, которое возникает, когда группа из N излучателей, таких как возбужденные атомы, взаимодействует с общим световым полем. Если длина волны света намного больше, чем расстояние между излучателями, то излучатели взаимодействуют со светом коллективным и когерентным образом. [2] Это заставляет группу излучать свет в виде импульса высокой интенсивности (со скоростью, пропорциональной N 2 ). Это удивительный результат, радикально отличающийся от ожидаемого экспоненциального затухания (со скоростью, пропорциональной N ) группы независимых атомов (см. спонтанное излучение ). С тех пор сверхизлучение было продемонстрировано в самых разных физических и химических системах, таких как массивы квантовых точек [3] и J-агрегаты . [4] Этот эффект был использован для создания сверхизлучающего лазера .
Вращательное сверхизлучение [5] связано с ускорением или движением близлежащего тела (которое поставляет энергию и импульс для эффекта). Иногда его также описывают как следствие «эффективного» дифференциала поля вокруг тела (например, эффект приливных сил ). Это позволяет телу с концентрацией углового или линейного импульса двигаться к более низкому энергетическому состоянию, даже когда нет очевидного классического механизма для этого. В этом смысле эффект имеет некоторое сходство с квантовым туннелированием (например, тенденция волн и частиц «находить способ» использовать существование энергетического потенциала, несмотря на отсутствие очевидного классического механизма для этого).
В то время как классическое описание вращающейся изолированной невесомой сферы в вакууме будет склонно говорить, что сфера будет продолжать вращаться бесконечно из-за отсутствия эффектов трения или любой другой формы очевидной связи с ее гладкой пустой средой, в квантовой механике окружающая область вакуума не является полностью гладкой, и поле сферы может соединяться с квантовыми флуктуациями и ускорять их, создавая реальное излучение. Гипотетические виртуальные волновые фронты с соответствующими путями вокруг тела стимулируются и усиливаются в реальные физические волновые фронты процессом соединения. Описания иногда ссылаются на то, что эти флуктуации «щекочут» поле, создавая эффект.
В теоретических исследованиях черных дыр этот эффект иногда описывается как следствие гравитационных приливных сил вокруг сильно гравитирующего тела, которые разрывают пары виртуальных частиц , которые в противном случае быстро бы взаимно уничтожились, создавая популяцию реальных частиц в области за горизонтом.
Черная дыра-бомба — это экспоненциально растущая нестабильность во взаимодействии массивного бозонного поля и вращающейся черной дыры.
В астрофизике потенциальным примером сверхизлучения является излучение Зельдовича . [6] Яков Зельдович первым описал этот эффект в 1971 году, [7] Игорь Новиков в Московском университете развил теорию дальше. Зельдович выбрал случай в рамках квантовой электродинамики (КЭД), где область вокруг экватора вращающейся металлической сферы, как ожидается, будет отбрасывать электромагнитное излучение тангенциально , и предположил, что случай вращающейся гравитационной массы, такой как черная дыра Керра, должен производить похожие эффекты связи и должен излучать аналогичным образом .
За этим последовали аргументы Стивена Хокинга и других о том, что ускоренный наблюдатель вблизи черной дыры (например, наблюдатель, осторожно опущенный к горизонту на конце веревки) должен видеть область, населенную «реальным» излучением, тогда как для удаленного наблюдателя это излучение будет названо «виртуальным». Если ускоренный наблюдатель вблизи горизонта событий захватывает близлежащую частицу и выбрасывает ее удаленному наблюдателю для захвата и изучения, то для удаленного наблюдателя появление частицы можно объяснить, сказав, что физическое ускорение частицы превратило ее из виртуальной частицы в «реальную» частицу [8] (см. излучение Хокинга ).
Аналогичные аргументы применимы и к случаям наблюдателей в ускоренных системах отсчета ( излучение Унру ). Излучение Черенкова , электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися через среду с частицами со скоростью, превышающей номинальную скорость света в этой среде, также описывается как «сверхизлучение инерционного движения». [5]
Дополнительные примеры сверхизлучения в астрофизических средах включают изучение вспышек излучения в областях, содержащих мазер [9] [10] и быстрых радиовсплесков . [11] Доказательства сверхизлучения в этих условиях предполагают существование интенсивных излучений из запутанных квантово-механических состояний, включающих очень большое количество молекул, повсеместно присутствующих во Вселенной и охватывающих большие расстояния (например, от нескольких километров в межзвездной среде [12] до, возможно, более нескольких миллиардов километров [11] ).
{{cite journal}}: Внешняя ссылка в |via={{cite book}}: |last=имеет общее название ( помощь )