Излучение абсолютно чёрного тела производит неизвестную силу притяжения

Как многие, наверняка, помнят из курса школьной физики: абсолютно чёрное тело −это объект, поглощающий всё электромагнитное излучение всех диапазонов и притом ничего не отражающий. Однако оно способно самостоятельно испускать излучение, частота которого будет определяться его температурой. Этот объект является физической идеализацией, то есть в природе такого объекта не существует. Однако, несомненно, есть тела, обладающие подобными свойствами в большей или меньшей степени. Более того, вопреки интуитивным представлениям, примером абсолютно чёрного тела может послужить Солнце.

Несмотря на то, что свойства излучения чёрного тела зависят от его температуры, учёные всегда полагали, что его излучение будет производить отталкивающий эффект. Но недавно команде австрийских физиков удалось теоретически доказать, что излучение такого объекта индуцирует вторую силу, действующую на близлежащие атомы и молекулы. Под воздействием этой силы частицы притягиваются к чёрному телу, притом, на удивление учёных, в некоторых случаях даже сильнее, чем при воздействии гравитации. Этот эффект, получивший название "силы чёрного тела" (blackbody force), способен объяснить ряд загадочных астрофизических явлений.

Эффекты, лежащие в основе силы чёрного тела, были известны учёным уже с полвека. Излучение увеличивает энергию близлежащих атомов и молекул, что известно как эффект Штарка. В такой ситуации основное состояние частиц изменяется в сторону более низких энергий, пропорционально четвёртой степени (биквадрату) температуры абсолютно чёрного тела. То есть чем теплее тело, тем сильнее смещение.

Потенциальные последствия таких "сдвигов" энергии атомов или молекул ранее не оценивалось. Зато стало предметом повторного теоретического исследования. В своём последнем исследовании австрийцы показали, что смещения, вызванные излучением абсолютно чёрного тела и эффектом Штарка, могут совмещаться и производить в итоге притягивающую силу. То есть итоговая сила превосходит отталкивающее действие всё того же излучения.

Выходит, что горячая сфера конечной величины способна в большинстве случаев притягивать, а не отталкивать близлежащие нейтральные атомы и молекулы.

Действие силы чёрного тела в представлении художника (иллюстрация M. Sonnleitner, et al./American Physical Society).

"Важнее всего то, что мы доказали, что сила, которую обычно ассоциируют с лабораторными лазерами и другими мощными источниками излучения, существует также у любого источника теплового излучения. Взаимодействие между притягивающей силой и отталкивающим давлением излучения очень важно для работы квантовой оптики, но мы выяснили, что этот эффект возникает и в источниках теплового излучения", — рассказывает соавтор исследования Маттиас Зонлайтнер (Matthias Sonnleitner) из университета Инсбрука.

Как объясняют учёные, притяжение возникает вследствие того, что атомы и молекулы, чьё состояние смещено в сторону более низких энергий, тянутся к источнику более интенсивного излучения — в данном случае, к абсолютно чёрному телу. После того, как такую силу притяжения измерили, физики пришли к некоторым очень интересным выводам.

Во-первых, её действие уменьшается по мере удаления от объекта (пропорционально третьей степени дистанции). Во-вторых, она обратно пропорциональна размеру объекта (чем он меньше, тем сила больше). А в-третьих, сила чёрного тела прямо пропорциональна его температуре, то есть чем горячее источник, тем больше будет сила. Правда, до определённой степени. Если температура превышает несколько тысяч градусов по Цельсию, то притяжение сменяется отталкиванием.

Модель абсолютно чёрного тела (иллюстрация Wikimedia Commons).

В рамках своего исследования Зонлайтнер и его коллеги рассматривали случай действия силы чёрного тела на частицы пыли, температура которых достигала 100 Кельвинов (около минус 173 градусов по Цельсию). Они доказали, что эта сила притяжения будет намного больше, чем гравитационное притяжение этих самых частиц пыли. Однако, если рассматривать звезду, температура которой составляет 6000 Кельвинов (5727 градусов по Цельсию), то её гравитация будет мощнее силы чёрного тела. Здесь также фигурирует фактор массы, о котором мы говорили чуть выше.

Исследователи говорят, что их работа поможет астрофизикам в изучении взаимодействий межзвёздного газа и космической пыли, а также многих других явлений. Астрофизики в некоторых случаях ломают голову, не понимая, как образуются те или иные планетные системы из облаков пыли и газа, обращающихся вокруг светил.

Также эти данные можно будет использовать для проведения экспериментов с горячими микроструктурированными поверхностями в вакуумных камерах.

Правда, авторы исследования предупредили о предстоящих трудностях: условия, необходимые для возникновения силы чёрного тела, будет очень сложно воспроизвести в лаборатории, а если она и появится, то будет крайне слабой.

"Сила чёрного тела способна побить гравитацию лишь в случае с маленькими частицами, такими как космические пылинки. Несмотря на размер (а они меньше микрометра в диаметре), частицы пыли играют очень важную роль в формировании планет и звёзд, а также в других астрохимических процессах. У учёных есть масса открытых вопросов, касающихся их взаимодействия с окружающим газообразным водородом. Сегодня мы изучаем, как это добавочная сила влияет на динамику атомов и пыли", — поведал о планах своих коллег Зонлайтнер.