В физике , сверхизлучение это эффекты повышения радиации в нескольких контекстах , включая квантовой механики , астрофизики и теории относительности .
Квантовая оптика
За отсутствием лучшего термина газ, сильно излучающий из-за когерентности, будет называться «сверхизлучателем».
- Роберт Х. Дике , 1954, [1]
В квантовой оптике сверхизлучение - это явление, которое возникает, когда группа излучателей N , 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, резко отличающийся от ожидаемого экспоненциального распада (со скоростью, пропорциональной N ) группы независимых атомов (см. Спонтанное излучение ). С тех пор сверхизлучение было продемонстрировано в широком спектре физических и химических систем, таких как массивы квантовых точек [3] и J-агрегаты . [4] Этот эффект был использован для создания сверхизлучательного лазера .
Вращательное сверхизлучение
Вращательное сверхизлучение [5] связано с ускорением или движением ближайшего тела (которое обеспечивает энергию и импульс для эффекта). Это также иногда описывается как следствие «эффективного» перепада поля вокруг тела (например, эффект приливных сил ). Это позволяет телу с концентрацией углового или линейного момента двигаться в сторону более низкого энергетического состояния, даже если для этого нет очевидного классического механизма. 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 классической физике обычно ожидается, что движение или вращение тела в среде из твердых частиц приведет к передаче импульса и энергии окружающим частицам, и тогда существует повышенная статистическая вероятность обнаружения частиц, следующих по траекториям, которые подразумевают удаление импульс от тела.
- В квантовой механике этот принцип распространяется на случай тел, движущихся, ускоряющихся или вращающихся в вакууме - в квантовом случае говорят , что квантовые флуктуации с соответствующими векторами растягиваются и искажаются и снабжаются энергией и импульсом движением соседнего тела. с этим избирательным усилением, генерирующим реальное физическое излучение вокруг тела.
В то время как классическое описание вращающейся изолированной невесомой сферы в вакууме будет иметь тенденцию говорить, что сфера будет продолжать вращаться бесконечно из-за отсутствия эффектов трения или любой другой формы очевидной связи с ее гладкой пустой средой, согласно квантовой механике окружающая область вакуума не совсем гладкая, и поле сферы может взаимодействовать с квантовыми флуктуациями и ускорять их, создавая реальное излучение. Гипотетические виртуальные волновые фронты с соответствующими траекториями вокруг тела стимулируются и усиливаются в реальные физические волновые фронты в процессе связи. В описаниях иногда упоминаются эти колебания, «щекочущие» поле, чтобы произвести эффект.
В теоретических исследованиях черных дыр этот эффект также иногда описывается как следствие гравитационных приливных сил вокруг сильно гравитирующего тела, разрывающих пары виртуальных частиц , которые в противном случае быстро взаимно аннигилировали бы, создавая популяцию реальных частиц в области за пределами горизонт.
Черная дыра бомба экспоненциально растущая неустойчивость при взаимодействии массивного бозонного поля и вращающейся черной дырой.
Астрофизика и теория относительности
В астрофизике потенциальным примером сверхизлучения является излучение Зельдовича . [6] Это был Яков Зельдович , который первым описал этот эффект в 1971 году [7] Игорь Новиков в Московском университете получила дальнейшее развитие теории. Яков Борисович Зельдович выбрал случай квантовой электродинамики («КЭД»), когда ожидается, что область вокруг экватора вращающейся металлической сферы будет испускать электромагнитное излучение по касательной , и предположил, что случай вращающейся гравитационной массы, такой как Черная дыра Керра должна производить аналогичные эффекты связи и излучать аналогичным образом.
За этим последовали аргументы Стивена Хокинга и других о том, что ускоренный наблюдатель около черной дыры (например, наблюдатель, осторожно опущенный к горизонту на конце веревки) должен видеть область, населенную «настоящим» излучением, тогда как для далекого Наблюдатель это излучение можно было бы назвать «виртуальным». Если ускоренный наблюдатель около горизонта событий захватывает ближайшую частицу и бросает ее удаленному наблюдателю для захвата и изучения, то для удаленного наблюдателя появление частицы можно объяснить, сказав, что физическое ускорение частицы изменилось. это из виртуальной частицы в «реальную» частицу [8] (см. излучение Хокинга ).
Подобные аргументы применимы к случаям наблюдателей в ускоренных системах отсчета ( излучение Унру ). Черенковское излучение , электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися через твердую среду со скоростью, превышающей номинальную скорость света в этой среде, также было описано как «сверхизлучение при инерционном движении». [5]
Дополнительные примеры сверхизлучения в астрофизической среде включают изучение радиационных вспышек в областях, где находятся мазеры [9] [10] и быстрых радиовсплесков. [11] Свидетельства сверхизлучения в этих условиях предполагают существование интенсивных излучений из запутанных квантово-механических состояний с участием очень большого количества молекул, повсеместно присутствующих во Вселенной и охватывающих большие расстояния (например, на расстоянии нескольких километров в межзвездной среде [12]. ] до нескольких миллиардов километров [11] ).
Смотрите также
- Квантовая оптика
- Спонтанное излучение
- Сверхизлучательный фазовый переход
- Радиация Хокинга
- Эффект Унру
- Черенковское излучение
- Бомба черной дыры
Рекомендации
- ^ Дике, Роберт Х. (1954). «Когерентность в самопроизвольных радиационных процессах» . Физический обзор . 93 (1): 99–110. Полномочный код : 1954PhRv ... 93 ... 99D . DOI : 10.1103 / PhysRev.93.99 .
- ^ Брутто, М .; Гарош, С. (1 декабря 1982 г.). «Сверхизлучение: очерк теории коллективного спонтанного излучения». Отчеты по физике . 93 (5): 301–396. Bibcode : 1982PhR .... 93..301G . DOI : 10.1016 / 0370-1573 (82) 90102-8 .
- ^ Шайбнер, Майкл; Schmidt, T .; Worschech, L .; Forchel, A .; Bacher, G .; Passow, T .; Хоммель, Д. (2007). «Сверхизлучение квантовых точек» . Физика природы . 3 (2): 106–110. Bibcode : 2007NatPh ... 3..106S . DOI : 10.1038 / nphys494 .
- ^ Бенедикт, MG (1996). Сверхизлучение: многоатомное когерентное излучение . Бристоль [ua]: Inst. Физики Publ. ISBN 0750302836.
- ^ а б Бекенштейн, Якоб; Шиффер, Марсело (1998). «Многоликая сверхсветимость». Physical Review D . 58 (6): 064014. arXiv : gr-qc / 9803033 . Bibcode : 1998PhRvD..58f4014B . DOI : 10.1103 / PhysRevD.58.064014 . S2CID 14585592 .
- ^ Торн, Кип С. (1994). Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна . п. 432.
- ^ Зельдович, Яков Борисович (1971). «Генерация волн вращающимся телом» (PDF) . ЖЭТФ Письма Редакции . 14 : 270. Bibcode : 1971ZhPmR..14..270Z - через http://adsabs.harvard.edu/ .
- ^ Торн, Прайс и Макдональд (редакторы) (1986). Черные дыры: мембранная парадигма .CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
- ^ Rajabi, F .; Худе, М. (2016). "СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИККА В АСТРОФИЗИКЕ. I. ЛИНИЯ 21 см" . Астрофизический журнал . 826 (2): 216. arXiv : 1601.01717 . Bibcode : 2016ApJ ... 826..216R . DOI : 10,3847 / 0004-637X / 826 / 2/216 . S2CID 28730845 .
- ^ Раджаби, Ферештех (2016). "СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИККА В АСТРОФИЗИКЕ. II. ЛИНИЯ OH 1612 МГц" . Астрофизический журнал . 828 (1): 57. arXiv : 1601.01718 . Bibcode : 2016ApJ ... 828 ... 57R . DOI : 10,3847 / 0004-637X / 828/1/57 . S2CID 20321318 .
- ^ а б Houde, M .; Мэтьюз, А .; Раджаби, Ф. (12 декабря 2017 г.). «Объяснение быстрых всплесков радиоизлучения через сверхизлучение Дике». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 475 (1): 514. arXiv : 1710.00401 . Bibcode : 2018MNRAS.475..514H . DOI : 10.1093 / MNRAS / stx3205 . S2CID 119240095 .
- ^ Rajabi, F .; Худе, М. (2017). «Объяснение повторяющихся мазерных вспышек в ISM через крупномасштабные запутанные квантово-механические состояния» . Наука продвигается . 3 (3): e1601858. arXiv : 1704.01491 . Bibcode : 2017SciA .... 3E1858R . DOI : 10.1126 / sciadv.1601858 . PMC 5365248 . PMID 28378015 .