Радиационное давление - Radiation pressure

Сила на отражатель возникает из-за отражения потока фотонов.

Радиационное давление механический давление оказываются на любой поверхности за счет обмена импульс между объектом и электромагнитное поле. Это включает импульс света или электромагнитное излучение любой длина волны который поглощен, отраженный, или испускается иным образом (например, излучение черного тела ) материей любого масштаба (от макроскопических объектов до частиц пыли и молекул газа).^[1][2][3] Связанная сила называется сила радиационного давления, а иногда просто сила света.

Силы, создаваемые радиационным давлением, обычно слишком малы, чтобы их можно было заметить в повседневных обстоятельствах; однако они важны для некоторых физических процессов и технологий. В частности, это включает объекты в космическое пространство где это обычно основная сила, действующая на объекты помимо гравитации, и где суммарный эффект крошечной силы может иметь большой кумулятивный эффект в течение длительных периодов времени. Например, оказало влияние давление солнечной радиации на космический корабль Программа викингов было бы проигнорировано, космический корабль пропустил бы орбиту Марса примерно на 15 000 км (9300 миль).^[4] Радиационное давление от звездного света имеет решающее значение в ряде астрофизический процессы тоже. Значение радиационного давления быстро возрастает при чрезвычайно высоких температурах и иногда может затмевать обычные давление газа, например в звездные интерьеры и термоядерное оружие. Кроме того, большие лазеры, работающие в космосе, были предложены в качестве средства управления парусными судами в силовая установка с лучевым приводом.

Силы радиационного давления лежат в основе лазерная технология и отрасли науки, которые в значительной степени полагаются на лазеры и другие оптические технологии. Это включает, но не ограничивается, биомикроскопия (где свет используется для облучения и наблюдения за микробами, клетками и молекулами), квантовая оптика, и оптомеханика (где свет используется для исследования и управления такими объектами, как атомы, кубиты и макроскопические квантовые объекты). Например, прямое приложение силы радиационного давления в этих полях: лазерное охлаждение (предмет 1997 г. Нобелевская премия по физике ),^[5] квантовый контроль макроскопических объектов и атомы (Нобелевская премия по физике 2013 г.),^[6] интерферометрия (Нобелевская премия по физике 2017 г.)^[7] и оптический пинцет (Нобелевская премия по физике 2018 г.).^[8]

Радиационное давление в равной степени можно учесть, рассматривая импульс классического электромагнитного поля или в терминах импульсов фотоны, частицы света. Взаимодействие электромагнитных волн или фотонов с веществом может включать обмен импульс. По закону сохранение импульса любое изменение полного импульса волн или фотонов должно включать в себя равное и противоположное изменение импульса вещества, с которым оно взаимодействует (Третий закон движения Ньютона ), как показано на прилагаемом рисунке для случая, когда свет полностью отражается от поверхности. Эта передача импульса является общим объяснением того, что мы называем радиационным давлением.

Открытие

Иоганн Кеплер выдвинул концепцию радиационного давления в 1619 году, чтобы объяснить наблюдение, что хвост комета всегда указывает в сторону от Солнца.^[9]

Утверждение, что свет, как электромагнитное излучение, имеет свойство импульс и, таким образом, оказывает давление на любой поверхности, которая подвергается воздействию, была опубликована Джеймс Клерк Максвелл в 1862 г. и экспериментально доказано русским физиком Петр Лебедев в 1900 г.^[10] и по Эрнест Фокс Николс и Гордон Ферри Халл в 1901 г.^[11] Давление очень мало, но его можно обнаружить, позволив излучению падать на изящно приподнятую лопатку из отражающего металла в Радиометр Николса (не следует путать с Радиометр Крукса, характерное движение которого не вызванные давлением излучения, но ударными молекулами газа).

Теория

Смотрите также: Электромагнитное излучение и Скорость света

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

Радиационное давление от импульса электромагнитной волны

Основная статья: Вектор Пойнтинга

Согласно теории электромагнетизма Максвелла, электромагнитная волна несет импульс, который передается непрозрачной поверхности, на которую она ударяется.

Поток энергии (освещенность) плоской волны рассчитывается с использованием Вектор Пойнтинга ${\displaystyle \mathbf {S} =\mathbf {E} \times \mathbf {H} }$, величину которого мы обозначим S. S, деленную на скорость света - плотность количества движения на единицу площади (давления) электромагнитного поля. Таким образом, размерно вектор Пойнтинга равен S = (мощность / площадь) = (скорость выполнения работы / площадь) = (ΔF / Δt) Δx / площадь, которая представляет собой скорость света, c = Δx / Δt, умноженное на давление, ΔF / площадь. Это давление воспринимается как радиационное давление на поверхность:

${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {\langle S\rangle }{c}}={\frac {I_{f}}{c}}}$

где ${\displaystyle P}$ давление (обычно в Паскалях ), ${\displaystyle I_{f}}$ это инцидент сияние (обычно в Вт / м²) и ${\displaystyle c}$ это скорость света в вакууме.

Если поверхность плоская под углом α к падающей волне, интенсивность на поверхности будет геометрически уменьшена на косинус этого угла, а составляющая радиационной силы, воздействующей на поверхность, также будет уменьшена на косинус α, в результате чего в напряжении:

${\displaystyle P_{\text{incident}}={\frac {I_{f}}{c}}\cos ^{2}\alpha }$

Импульс падающей волны находится в том же направлении, что и эта волна. Но только нормальная к поверхности составляющая этого количества движения способствует давлению на поверхность, как указано выше. Составляющая этой силы, касающаяся поверхности, не называется давлением.^[12]

Радиационное давление от отражения

Вышеупомянутая обработка падающей волны учитывает давление излучения, которое испытывает черное (полностью поглощающее) тело. Если волна зеркально отраженный, то отдача от отраженной волны будет вносить дополнительный вклад в давление излучения. В случае идеального отражателя это давление будет идентично давлению, создаваемому падающей волной:

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

таким образом удвоение чистое радиационное давление на поверхность:

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

Для частично отражающей поверхности второй член необходимо умножить на коэффициент отражения (также известный как коэффициент интенсивности отражения), чтобы увеличение было менее чем вдвое. Для диффузно отражающий поверхности, необходимо учитывать детали отражения и геометрию, что опять же приводит к увеличению чистого радиационного давления менее чем вдвое.

Радиационное давление по выбросам

Подобно тому, как волна, отраженная от тела, вносит свой вклад в общее воспринимаемое радиационное давление, тело, которое испускает собственное излучение (а не отраженное), получает радиационное давление, опять же, определяемое освещенностью этого излучения. в направлении нормали к поверхности я_е:

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

Эмиссия может быть от излучение черного тела или любой другой радиационный механизм. Поскольку все материалы излучают излучение черного тела (если только они не являются полностью отражающими или имеют абсолютный ноль), этот источник радиационного давления встречается повсеместно, но обычно очень крошечный. Однако, поскольку излучение черного тела быстро увеличивается с температурой (в соответствии с четвертой степенью температуры, определяемой Закон Стефана – Больцмана ), радиационное давление из-за температуры очень горячего объекта (или из-за приходящего излучения черного тела из такой же горячей окружающей среды) может стать очень значительным. Это становится важным для звездных интерьеров, которые находятся под миллионами градусов.

Радиационное давление в фотонах

Смотрите также: Фотоны и Импульс

Электромагнитное излучение может быть просмотрено в терминах 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 формулой:

${\displaystyle p={\dfrac {h}{\lambda }}={\frac {E_{p}}{c}},}$

где п импульс, час является Постоянная Планка, λ есть длина волны, и c скорость света в вакууме. И E_п энергия отдельного фотона, определяемая по формуле:

${\displaystyle E_{p}=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}$

Радиационное давление снова можно рассматривать как передачу импульса каждого фотона к непрозрачной поверхности, плюс импульс, обусловленный (возможным) фотоном отдачи для (частично) отражающей поверхности. Поскольку падающая волна излучения я_ж по площади А имеет силу я_жА, это подразумевает поток я_ж/ E_п фотонов в секунду на единицу площади, падающей на поверхность. Комбинируя это с приведенным выше выражением для импульса одиночного фотона, получаем те же отношения между энергетической мощностью и давлением излучения, описанные выше с использованием классической электромагнетизма. И снова отраженные или испускаемые иным образом фотоны будут одинаково влиять на чистое радиационное давление.

Сжатие в однородном поле излучения

В общем, давление электромагнитных волн может быть получено из исчезновение следа тензора электромагнитных напряжений: Поскольку этот след равно 3п – ты, мы получаем

${\displaystyle P={\frac {u}{3}}}$

где ты - энергия излучения на единицу объема.

Это также может быть показано в конкретном случае давления, оказываемого на поверхности тела в тепловое равновесие с окружающей средой, при температуре Т: Тело будет окружено однородным полем излучения, описываемым Закон 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

${\displaystyle P_{\text{compress}}={\frac {u}{3}}={\frac {4\sigma }{3c}}T^{4}}$

где ${\displaystyle \sigma }$ это Постоянная Стефана – Больцмана.

Давление солнечного излучения

Давление солнечной радиации связано с солнечной радиацией на более близких расстояниях, особенно в пределах Солнечная система. (Радиационное давление солнечного света на Земле очень мало: оно эквивалентно тому, которое оказывает примерно одна тысячная грамма на площадь 1 квадратного метра, или 10 мкН / м2.) Хотя он действует на все объекты, его чистый эффект обычно больше для меньших тел, так как они имеют большее отношение площади поверхности к массе. Все космические корабли испытывают такое давление, за исключением случаев, когда они находятся за тенью более крупного вращающееся тело.

Давление солнечной радиации на объекты вблизи Земли можно рассчитать, используя сияние в 1Австралия, известный как солнечная постоянная или г_SC, значение которого установлено на 1361 W /м² по состоянию на 2011 год.^[17]

У всех звезд есть спектральное распределение энергии это зависит от температуры их поверхности. Распределение примерно такое же, как у излучение черного тела. Это распределение необходимо учитывать при расчете радиационного давления или выборе материалов отражателя для оптимизации солнечный парус например.

Давления поглощения и отражения

Давление солнечной радиации на расстоянии Земли от Солнца может быть рассчитано путем деления солнечная постоянная г_SC (выше) скорость света c. Для поглощающей пленки, обращенной к Солнцу, это просто:^[18]

${\displaystyle P={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}\approx 4.5\cdot 10^{-6}~{\rm {Pa}}=4.5~\mu {\rm {Pa}}}$

Этот результат находится в С.И. единица измерения Паскалях, эквивалент Н / м² (ньютоны за квадратный метр). Для листа, расположенного под углом α к Солнцу, эффективная площадь А листа уменьшается на геометрический фактор, в результате чего возникает сила в направлении солнечного света из:

${\displaystyle F={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}(A\cos \alpha )}$

Чтобы найти компонент этой силы, перпендикулярный поверхности, необходимо применить другой косинусоидальный коэффициент, что приведет к давлению п на поверхности:

${\displaystyle P={\frac {F}{A}}={\frac {G_{\text{SC}}}{c}}\cos ^{2}\alpha }$

Обратите внимание, однако, что для того, чтобы учесть чистое воздействие солнечной радиации, например, на космический аппарат, необходимо учитывать Всего сила (в направлении от Солнца), заданная предыдущим уравнением, а не просто компонент, нормальный к поверхности, который мы определяем как «давление».

Солнечная постоянная определяется для излучения Солнца на расстоянии от Земли, также известного как единица. астрономическая единица (au). Следовательно, на расстоянии р астрономические единицы (р таким образом, будучи безразмерным), применяя закон обратных квадратов, мы найдем:

${\displaystyle P={\frac {G_{\text{SC}}}{cR^{2}}}\cos ^{2}\alpha }$

Наконец, учитывая не поглощающую, а идеально отражающую поверхность, давление равно вдвое из-за 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, действующая на отражающее тело, определяется именно этим давлением, действующим нормально к поверхности, при этом тангенциальные силы падающей и отражающей волн компенсируют друг друга. На практике материалы не являются ни полностью отражающими, ни полностью поглощающими, поэтому результирующая сила будет средневзвешенной величиной сил, рассчитанных по этим формулам.

Расчетное давление солнечного излучения на идеальный отражатель при нормальном падении (α = 0)

Расстояние от Солнца	Радиационное давление в мкПа (мкН / м^2)
0,20 а.е.	227
0,39 а.е. (Меркурий )	59.7
0,72 а.е. (Венера )	17.5
1,00 а.е. (Земля)	9.08
1,52 а.е. (Марс )	3.93
3,00 а.е. (типичное астероид )	1.01
5.20 а.е. (Юпитер )	0.34

Возмущения радиационного давления

Смотрите также: Эффект Ярковского, YORP эффект, и Эффект Пойнтинга – Робертсона

Давление солнечного излучения является источником орбитальные возмущения. Это существенно влияет на орбиты и траектории малых тел, включая все космические аппараты.

Давление солнечной радиации влияет на тела на большей части Солнечной системы. Маленькие тела страдают больше, чем большие из-за их меньшей массы по сравнению с площадью поверхности. Космические аппараты страдают вместе с естественными телами (кометы, астероиды, пылинки, молекулы газа).

Радиационное давление приводит к появлению сил и моментов на телах, которые могут изменять их поступательное и вращательное движения. Трансляционные изменения влияют на орбиты тел. Скорость вращения может увеличиваться или уменьшаться. Слабо агрегированные тела могут развалиться при высоких скоростях вращения. Зерна пыли могут либо покинуть Солнечную систему, либо по спирали устремиться к Солнцу.^{[нужна цитата ]}

Все тело обычно состоит из множества поверхностей, которые имеют разную ориентацию на теле. Грани могут быть плоскими или изогнутыми. У них будут разные области. Они могут иметь оптические свойства, отличные от других аспектов.

В любой конкретный момент некоторые грани будут выставлены на солнце, а некоторые будут в тени. Каждая поверхность, подвергающаяся воздействию Солнца, будет отражать, поглощать и излучать излучение. Грани в тени будут излучать излучение. Сумма давлений по всем граням определит чистую силу и крутящий момент на теле. Их можно рассчитать, используя уравнения из предыдущих разделов.^[12][18]

В Эффект Ярковского влияет на перевод маленького тела. Это происходит из-за того, что лицо, выходящее из-под солнечного света, имеет более высокую температуру, чем лицо, приближающееся к солнечному. Излучение, исходящее от более теплого лица, будет более интенсивным, чем излучение противоположного лица, в результате чего на тело будет действовать суммарная сила, которая будет влиять на его движение.^{[нужна цитата ]}

В YORP эффект представляет собой набор эффектов, расширяющих более раннюю концепцию эффекта Ярковского, но аналогичного характера. Это влияет на спиновые свойства тел.^{[нужна цитата ]}

В Эффект Пойнтинга – Робертсона относится к крупнозернистым частицам. С точки зрения пылинки, вращающейся вокруг Солнца, кажется, что солнечное излучение идет немного вперед (аберрация света ). Следовательно, поглощение этого излучения приводит к возникновению силы, составляющей против направления движения. (Угол аберрации крошечный, поскольку излучение движется со скоростью света, в то время как пылинка движется на много порядков медленнее, чем это.) Результатом является постепенная спираль пылинок в направлении Солнца. В течение длительного времени этот эффект очищает большую часть пыли в Солнечной системе.

Хотя сила радиационного давления довольно мала по сравнению с другими силами, она неумолима. В течение длительных периодов времени чистый эффект силы оказывается значительным. Такое слабое давление может оказывать заметное воздействие на мельчайшие частицы, такие как газ ионы и электроны, и существенны в теории эмиссии электронов из Солнца, кометный материал и так далее.

Поскольку отношение площади поверхности к объему (и, следовательно, массы) увеличивается с уменьшением размера частиц, пыльный (микрометр -размер) частицы чувствительны к радиационному давлению даже во внешней части Солнечной системы. Например, эволюция внешние кольца Сатурна существенно зависит от радиационного давления.

Как следствие легкого давления, Эйнштейн^[19] в 1909 году предсказал существование «радиационного трения», которое будет препятствовать движению материи. Он писал: «Излучение будет оказывать давление на обе стороны пластины. Силы давления, действующие на обе стороны, равны, если пластина находится в состоянии покоя. Однако, если она находится в движении, от поверхности будет отражаться больше излучения, чем находится впереди во время движения (передняя поверхность), чем на задней поверхности. Обратно действующая сила давления, оказываемого на переднюю поверхность, таким образом, больше, чем сила давления, действующая на спину. Следовательно, как результат двух сил, остается сила, которая противодействует движению пластины и увеличивается с увеличением скорости пластины. Вкратце мы будем называть это результирующим «радиационным трением» ».

Солнечные паруса

Основная статья: Солнечный парус

Солнечный парусный спорт, экспериментальный метод двигательная установка космического корабля, в качестве движущей силы использует радиационное давление Солнца. Идея межпланетных путешествий на свете была упомянута Жюль Верн в С Земли на Луну.

Парус отражает около 90% падающего излучения. Поглощенные 10% излучаются от обеих поверхностей, при этом пропорция, излучаемая неосвещенной поверхностью, зависит от теплопроводности паруса. Парус имеет кривизну, неровности поверхности и другие незначительные факторы, влияющие на его характеристики.

Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA ) успешно развернул в космосе солнечный парус, который уже успел запустить полезную нагрузку с помощью ИКАРОС проект.

Космические эффекты радиационного давления

Радиационное давление оказало большое влияние на развитие космоса, от зарождения Вселенной до продолжающегося образования звезд и образования облаков пыли и газа в широком диапазоне масштабов.^[20]

Ранняя вселенная

В фотонная эпоха это фаза, когда в энергии Вселенной преобладали фотоны, между 10 секундами и 380000 лет спустя после Большой взрыв.^[21]

Формирование и эволюция галактик

В Столпы Творения облака внутри Туманность Орла формируется радиационным давлением и звездным ветром.

Процесс формирование и эволюция галактик началось в начале истории космоса. Наблюдения за ранней Вселенной убедительно свидетельствуют о том, что объекты росли снизу вверх (т. Е. Более мелкие объекты сливались в более крупные). Так как звезды таким образом образуются и становятся источниками электромагнитного излучения, радиационное давление от звезд становится фактором динамики оставшихся околозвездный материал.^[22]

Облака пыли и газов

В гравитационное сжатие облаков пыли и газов сильно зависит от давления излучения, особенно когда конденсация приводит 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 уровень рождаемости в этих близлежащих регионах.

Скопления звезд

Звезды преимущественно образуются в областях больших облаков пыли и газа, вызывая образование звездные скопления. Радиационное давление от звезд-членов в конечном итоге рассеивает облака, что может оказать сильное влияние на эволюцию скопления.

Много открытые кластеры по своей природе нестабильны, с достаточно малой массой, чтобы скорость убегания системы ниже среднего скорость составляющих звезд. Эти скопления быстро разойдутся в течение нескольких миллионов лет. Во многих случаях удаление газа, из которого скопление образовано радиационным давлением горячих молодых звезд, уменьшает массу скопления в достаточной степени, чтобы обеспечить быстрое рассеяние.

Протопланетный диск с очищенной центральной областью (концепция художника).

Звездообразование

Звездообразование это процесс, при котором плотные области внутри молекулярные облака в межзвездное пространство свернуть, чтобы сформироваться звезды. Как филиал астрономия, звездообразование включает изучение межзвездная среда и гигантские молекулярные облака (GMC) как предшественники процесса звездообразования, а также изучение протозвезды и молодые звездные объекты как ее непосредственные продукты. Теория звездообразования, а также учет образования одиночной звезды, также должны учитывать статистику двойные звезды и начальная функция масс.

Звездные планетные системы

Планетные системы обычно считается частью того же процесса, который приводит к звездообразование. А протопланетный диск образует гравитационный коллапс молекулярное облако, называется солнечная туманность, а затем превращается в планетную систему за счет столкновений и гравитационного захвата. Радиационное давление может очистить область в непосредственной близости от звезды. По мере продолжения процесса образования давление излучения продолжает играть роль в распределении вещества. В частности, пыль и частицы могут закручиваться в звезду или покидать звездную систему под действием радиационного давления.

Комета Хейла – Боппа (C / 1995 O1). Отчетливо видно влияние радиационного давления и солнечного ветра на пылевые и газовые хвосты.

Звездные интерьеры

В звездный внутри очень высокие температуры. Звездные модели предсказывают температуру 15 МК в центре солнце, а в основе сверхгигант звезды 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. У самых тяжелых невырожденных звезд радиационное давление является доминирующей составляющей давления.^[23]

Кометы

Давление солнечного излучения сильно влияет кометные хвосты. Солнечное отопление вызывает выделение газов из ядро кометы, которые также уносят пылинки. Радиационное давление и Солнечный ветер затем отогнать пыль и газы от Солнца. Газы образуют, как правило, прямой хвост, в то время как более медленно движущиеся частицы пыли образуют более широкий изогнутый хвост.

Лазерные приложения радиационного давления

Оптический пинцет

Основная статья: Оптический пинцет

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

Поэтому радиационное давление 30 мВт лазера с длиной волны 1064 нм можно рассчитать следующим образом:

${\displaystyle A_{rea}=\pi \left({\frac {\lambda }{2}}\right)^{2}\approx 10^{-12}{\text{ m}}^{2}}$

${\displaystyle F_{orce}={\frac {P_{ower}}{c}}={\frac {30{\text{ mW}}}{299792458{\text{ m/s}}}}\approx 10^{-10}{\text{ N}}}$

${\displaystyle P_{ressure}={\frac {F_{orce}}{A_{rea}}}\approx {\frac {10^{-10}{\text{ N}}}{10^{-12}{\text{ m}}^{2}}}=100{\text{ Pascal}}}$

Это используется для захвата или левитации частиц в оптический пинцет.

Легкие взаимодействия

Основные статьи: Оптомеханика полости и Лазерное охлаждение

В этом оптомеханическом резонаторе свет задерживается и усиливается между двумя зеркалами. Одно из зеркал прикреплено к пружине и может двигаться. Сила радиационного давления света, циркулирующего в полости, может гасить или усиливать колебания зеркала на пружине.

Отражение лазерного импульса от поверхности упругого твердого тела может вызвать различные типы упругих волн, которые распространяются внутри твердого тела или жидкости. Другими словами, свет может возбуждать и / или усиливать движение материалов и внутри них. Это предмет исследования в области оптомеханики. Самыми слабыми волнами обычно являются те, которые генерируются давлением излучения, действующим во время отражения света. Такие упругие волны, индуцированные световым давлением, например, наблюдались внутри сверхвысокой отражательной способности. диэлектрическое зеркало.^[24] Эти волны являются основным отпечатком взаимодействия легкой и твердой материи в макроскопическом масштабе.^[25] В области полость оптомеханики, свет улавливается и резонансно усиливается в оптические резонаторы, например между зеркалами. Это служит цели серьезного усиления мощность света и радиационного давления, которое он может оказывать на предметы и материалы. Реализован оптический контроль (то есть манипулирование движением) множества объектов: с километровых лучей (например, в Интерферометр LIGO )^[26] облакам атомов,^[27] и из микротехнический батуты^[28] к сверхтекучие жидкости.^[29][30]

В отличие от возбуждающего или усиливающего движения, свет также может гасить движение предметов. Лазерное охлаждение это метод охлаждения материалов, очень близкий к полный ноль путем преобразования части движущей энергии материала в свет. Двигательная энергия и термальная энергия материала являются здесь синонимами, потому что они представляют энергию, связанную с Броуновское движение материала. Атомы, летящие к источнику лазерного света, воспринимают Эффект Допплера настроен на частоту поглощения целевого элемента. Радиационное давление на атом замедляет движение в определенном направлении до тех пор, пока эффект Доплера не выйдет за пределы частотного диапазона элемента, вызывая общий охлаждающий эффект.^[31]

Воспроизвести медиа

В этой оптомеханической системе сила радиационного давления используется для обнаружения одного молекула белка. Лазерный свет взаимодействует с стеклянный шар: сила радиационного давления заставляет его вибрировать. Присутствие одной молекулы на сфере нарушает эту (тепловую) вибрацию, и возмущение в движении сферы может быть обнаружено в спектр генератора слева.^[32]

Смотрите также

• Физический портал
• Астрономический портал
• Космический портал
• Звездный портал

• Фотон
• Поглощение (электромагнитное излучение)
• Лазерное охлаждение
• Оптомеханика полости
• LIGO
• Квантовая оптика
• Оптический пинцет
• Вектор Пойнтинга
• Эффект Пойнтинга – Робертсона
• Солнечная постоянная
• Солнечный парус
• Солнечный лучик
• Дуальность волна-частица
• Эффект Ярковского
• Эффект Ярковского – О'Кифа – Радзиевского – Паддака.

использованная литература

1. Звездные Атмосферы, Д. Михалас (1978), второе издание, W H Freeman & Co
2. Эддингтон, А.С., и Эддингтон, А.С. (1988). Внутреннее строение звезд. Издательство Кембриджского университета.
3. Чандрасекхар, С. (2013). Радиационный перенос. Курьерская корпорация.
4. Юджин Хехт, «Оптика», 4-е издание (стр. 57)
5. Коэн-Таннуджи, Клод Н. (1998-07-01). «Нобелевская лекция: Манипулирование атомами с помощью фотонов». Обзоры современной физики. 70 (3): 707–719. Дои:10.1103 / RevModPhys.70.707. ISSN  0034-6861.
6. Вайнленд, Дэвид Дж. (12 июля 2013 г.). «Нобелевская лекция: суперпозиция, запутанность и воспитание кота Шредингера». Обзоры современной физики. 85 (3): 1103–1114. Дои:10.1103 / RevModPhys.85.1103. ISSN  0034-6861.
7. Вайс, Райнер (18 декабря 2018 г.). «Нобелевская лекция: LIGO и открытие гравитационных волн I». Обзоры современной физики. 90 (4): 040501. Дои:10.1103 / RevModPhys.90.040501.
8. Ширбер, Майкл (2018-10-04). «Нобелевская премия. Лазеры как инструмент». Физика. 11. Дои:10.1103 / физика.11.100.
9. Иоганн Кеплер (1619). De Cometis Libelli Tres.
10. П. Лебедев, 1901, "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes", Annalen der Physik, 1901 Серия 4 6, 433-458.
11. Николс, Э. Ф. и Халл, Г. Ф. (1903) Давление из-за излучения, Астрофизический журнал, Том 17 №5, с.315-351
12. Райт, Джером Л. (1992), Космический парусный спорт, Издательство Gordon and Breach Science
13. Шанкар Р., Принципы квантовой механики, 2-е изд.
14. Кэрролл, Брэдли В. и 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, G .; Лин, Дж. Л. (2011). «Новое, более низкое значение общей солнечной радиации: доказательства и климатическое значение». Письма о геофизических исследованиях. 38: н / д. Дои:10.1029 / 2010GL045777.
18. Джорджвич, Р. М. (1973) "Модель сил давления и моментов солнечного излучения", Журнал астронавтических наук, Vol. 27, No. 1, янв – фев. Первая известная публикация, описывающая, как давление солнечного излучения создает силы и крутящие моменты, влияющие на космический корабль.
19. Эйнштейн, А. (1909). О развитии наших взглядов на природу и строение излучения. Переведено в: Сборник статей Альберта Эйнштейна, т. 2 (Издательство Принстонского университета, Принстон, 1989). Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. п. 391.
20. Карел Велан, А. (1992), «Рождение первого поколения звезд», Мультивселенный космос, Springer, США, стр. 267–278, Дои:10.1007/978-1-4684-6030-8_22, ISBN  9781468460322
21. Ранняя вселенная. Унру, У. Г., Семенов, Г. У., Организация Североатлантического договора. Отдел по научным вопросам. Дордрехт: Д. Рейдел. 1988 г. ISBN  9027726191. OCLC  16684785.
22. Лонгэр, Малкольм С., 1941- (2008). Формирование галактики. Springer. ISBN  9783540734772. OCLC  212409895.
23. Дейл А. Остли и Брэдли В. Кэрролл, Введение в современную астрофизику (2-е издание), стр. 341, Пирсон, Сан-Франциско, 2007 г.
24. Пожар, Т .; Можина, Ю. (2013). «Измерение упругих волн, вызванных отражением света». Письма с физическими проверками. 111 (18): 185501. Дои:10.1103 / Physrevlett.111.185501. PMID  24237537.
25. Пожар, Т .; Laloš, J .; Бабник, А .; Петковшек, Р .; Bethune-Waddell, M .; Chau, K. J .; Лукасевич, Г. В. Б .; Астрат, Н. Г. С. (2018). «Изолированное обнаружение упругих волн, возбуждаемых импульсом света». Nature Communications. 9 (1): 3340. Дои:10.1038 / s41467-018-05706-3. ЧВК  6105914. PMID  30131489.
26. Джонстон, Хэмиш (10 декабря 2019 г.). «Квантовое сжатие повышает производительность детекторов гравитационных волн LIGO и Virgo». PhysicsWorld.
27. Шрепплер, Сидней; Спетманн, Николас; Брамс, Натан; Боттер, Тьерри; Барриос, Мэрироуз; Стампер-Курн, Дэн М. (27.06.2014). «Оптическое измерение силы вблизи стандартного квантового предела». Наука. 344 (6191): 1486–1489. arXiv:1312.4896. Дои:10.1126 / science.1249850. ISSN  0036-8075. PMID  24970079. S2CID  206554506.
28. Клекнер, Дастин; Маршалл, Уильям; de Dood, Michiel J. A .; Диньяри, Ходадад Нима; Порс, Барт-Ян; Ирвин, Уильям Т. М .; Баумейстер, Дирк (2006-05-02). "Высококачественная оптико-механическая полость с подвижным зеркалом размером тридцать микрон". Письма с физическими проверками. 96 (17): 173901. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.173901. HDL:1887/65506. PMID  16712296.
29. Harris, G.I .; McAuslan, D. L .; Sheridan, E .; Сачков Ю.А. Baker, C .; Боуэн, У. П. (2016). «Лазерное охлаждение и контроль возбуждений в сверхтекучем гелии».. Природа Физика. 12 (8): 788–793. arXiv:1506.04542. Дои:10.1038 / nphys3714. ISSN  1745-2481. S2CID  118135792.
30. Кашканова, А.Д .; Шкарин, А.Б .; Brown, C.D .; Флауэрс-Джейкобс, Н.Е .; Чайлдресс, L .; Hoch, S.W .; Hohmann, L .; Отт, К .; Reichel, J .; Харрис, Дж. Г. Э. (2017). «Супертекучая оптомеханика Бриллюэна». Природа Физика. 13 (1): 74–79. arXiv:1602.05640. Дои:10,1038 / nphys3900. ISSN  1745-2481. S2CID  10880961.
31. Аспельмейер, Маркус; Киппенберг, Тобиас Дж .; Марквардт, Флориан (30 декабря 2014 г.). «Полостная оптомеханика». Обзоры современной физики. 86 (4): 1391–1452. arXiv:1303.0733. Дои:10.1103 / RevModPhys.86.1391. S2CID  119252645.
32. Ю, Вэньян; Цзян, Вэй Ч .; Линь, Цян; Лу, Тао (27.07.2016). "Полостное оптомеханическое пружинное зондирование одиночных молекул". Nature Communications. 7 (1): 12311. Дои:10.1038 / ncomms12311. ISSN  2041-1723. ЧВК  4974467. PMID  27460277.

дальнейшее чтение

• Демир, Дилек, "Настольная демонстрация радиационного давления", 2011, Дипломатия, Университет электронных тезисов
• Р. Шанкар, «Основы квантовой механики», 2-е издание. [1]