Сверхизлучение
Излучение когерентного излучения, например, лазерного света.

В физике сверхизлучение — это эффект усиления излучения в различных контекстах, включая квантовую механику , астрофизику и теорию относительности .

Квантовая оптика

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, [2] то излучатели взаимодействуют со светом коллективным и когерентным образом. [3] Это заставляет группу излучать свет в виде импульса высокой интенсивности (со скоростью, пропорциональной N 2 ). Это удивительный результат, кардинально 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 [4] и J-агрегаты . [5] Этот эффект был использован для создания сверхизлучающего лазера .

Вращательное сверхизлучение

Вращательное сверхизлучение [6] 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 классической физике движение или вращение тела в среде, состоящей из частиц, обычно приводит к передаче импульса и энергии окружающим частицам, и тогда повышается статистическая вероятность обнаружения частиц, следующих по траекториям, которые подразумевают удаление импульса от тела.
  • В квантовой механике этот принцип распространяется на случай тел, движущихся, ускоряющихся или вращающихся в вакууме . В квантовом случае квантовые флуктуации с соответствующими векторами, как говорят, растягиваются, искажаются и снабжаются энергией и импульсом за счет движения близлежащего тела, причем это избирательное усиление генерирует реальное физическое излучение вокруг тела.

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.

Астрофизика и теория относительности

В астрофизике потенциальным примером сверхизлучения является излучение Зельдовича . [7] Яков Зельдович первым описал этот эффект в 1971 году, [8] 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 [9] (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». [6]

Дополнительные примеры сверхизлучения в астрофизических средах включают изучение вспышек излучения в областях, содержащих мазер [10] [11] и быстрых радиовсплесков . [12] 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 [13] до, возможно, более нескольких миллиардов километров [12] ).

Инструменты

Приборы, использующие сверхсветовое излучение.

  • Лазер на свободных электронах (ЛСЭ)
  • Лазер дальнего инфракрасного диапазона (FIR) [14]
  • Ондулятор позволяет получить сверхлучистое излучение. [15]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дикке, Роберт Х. (1954). «Когерентность в процессах спонтанного излучения». Physical Review . 93 (1): 99– 110. Bibcode :1954PhRv...93...99D. doi : 10.1103/PhysRev.93.99 .
  2. ^ Y. Pinhasi (2002). «Обобщенная теория и моделирование спонтанных и сверхизлучательных излучений в электронных устройствах и лазерах на свободных электронах». Physical Review . 65 (2): 1– 8. Bibcode :2002PhRvE..65b6501P. doi :10.1103/PhysRevE.65.026501. PMID  11863669.
  3. ^ Гросс, М.; Арош, С. (1 декабря 1982 г.). «Сверхизлучение: очерк теории коллективного спонтанного излучения». Physics Reports . 93 (5): 301– 396. Bibcode : 1982PhR....93..301G. doi : 10.1016/0370-1573(82)90102-8.
  4. ^ Шайбнер, Майкл; Шмидт, Т.; Воршех, Л.; Форшель, А.; Бахер, Г.; Пассоу, Т.; Хоммель, Д. (2007). «Сверхизлучение квантовых точек». Физика природы . 3 (2): 106–110 . Бибкод : 2007NatPh...3..106S. дои : 10.1038/nphys494 .
  5. ^ Бенедикт, МГ (1996). Сверхизлучение: многоатомное когерентное излучение . Бристоль [ua]: Inst. of Physics Publ. ISBN 0750302836.
  6. ^ ab Бекенштейн, Якоб; Шиффер, Марсело (1998). «Многоликость сверхизлучения». Physical Review D. 58 ( 6): 064014. arXiv : gr-qc/9803033 . Bibcode : 1998PhRvD..58f4014B. doi : 10.1103/PhysRevD.58.064014. S2CID  14585592.
  7. ^ Торн, Кип С. (1994). Черные дыры и искривления времени: возмутительное наследие Эйнштейна . стр. 432.
  8. ^ Зельдович, Яков Борисович (1971). "Генерация волн вращающимся телом" (PDF) . ЖЭТФ Письма Редакции . 14 : 270. Bibcode :1971ZhPmR..14..270Z. Архивировано из оригинала (PDF) 2018-05-20 . Получено 2018-05-20 .
  9. ^ Торн, К. С. (1986). Черные дыры: мембранная парадигма . Нью-Хейвен: Yale University Press. ISBN 978-0300037692.
  10. ^ Раджаби, Ф.; Хоуд, М. (2016). «СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИККА В АСТРОФИЗИКЕ. I. ЛИНИЯ 21 см». The Astrophysical Journal . 826 (2): 216. arXiv : 1601.01717 . Bibcode :2016ApJ...826..216R. doi : 10.3847/0004-637X/826/2/216 . S2CID  28730845.
  11. ^ Раджаби, Ферештех (2016). "СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИККА В АСТРОФИЗИКЕ. II. ЛИНИЯ ОН 1612 МГц". The Astrophysical Journal . 828 (1): 57. arXiv : 1601.01718 . Bibcode : 2016ApJ...828...57R. doi : 10.3847/0004-637X/828/1/57 . S2CID  20321318.
  12. ^ ab Houde, M.; Mathews, A.; Rajabi, F. (12 декабря 2017 г.). «Объяснение быстрых радиовсплесков через сверхизлучение Дике». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 475 (1): 514. arXiv : 1710.00401 . Bibcode : 2018MNRAS.475..514H. doi : 10.1093/mnras/stx3205 . S2CID  119240095.
  13. ^ Раджаби, Ф.; Хоуд, М. (2017). «Объяснение повторяющихся мазерных вспышек в межзвездной среде с помощью крупномасштабных запутанных квантово-механических состояний». Science Advances . 3 (3): e1601858. arXiv : 1704.01491 . Bibcode :2017SciA....3E1858R. doi :10.1126/sciadv.1601858. PMC 5365248 . PMID  28378015. 
  14. ^ DP Scherrer; FK Kneubuhl (1993). "Новые явления, связанные с импульсным дальним инфракрасным сверхизлучением и рамановским излучением". Infrared Physics . 34 (3): 227– 267. Bibcode :1993InfPh..34..227S. doi :10.1016/0020-0891(93)90013-W.
  15. ^ M. Arbel; A. Abramovich; AL Eichenbaum; A. Gover; H. Kleinman; Y. Pinhasi; IM Yakover1 (2001). "Сверхизлучательное и стимулированное сверхизлучательное излучение в предварительно сгруппированном пучке свободных электронов мазера". Physical Review . 86 (12): 2561– 2564. Bibcode :2001PhRvL..86.2561A. doi :10.1103/PhysRevLett.86.2561. PMID  11289980.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Superradiance&oldid=1258785809"