| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Přitažlivé černé těleso
Rudolf Mentzl
Může světlo působit na hmotu silou? Víme, že ano. Běžně se mluví o tlaku světla formujícím prachoplynné mlhoviny, kometární ohon je slunečním zářením vytlačován směrem od Slunce, sluneční plachetnice využívají tlaku záření ke svému pohybu, na zpomalených záběrech ze zkoušek laserových zbraní vidíme úlomky letící ve směru útočného paprsku... Všechny tyto jevy mají jedno společné: světlo působí na hmotu odpudivě, jako vítr, směrem od svého zdroje. Někdy to však může být i naopak.
Světlo přenáší energii, hybnost a moment hybnosti. Zdroj: Encyklopedie Brrittanica.
|
Optická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší. LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Polarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. Polarizace dielektrika – jev, při kterém se působením elektrického pole z neutrálních atomů a molekul stanou elektrické dipóly, tedy část kladného náboje jedinců se přesune ve směru pole a část záporného náboje proti směru pole. |
Optická pinzeta
Nejznámější aplikací, ve které světlo působí i jinými silami, než odpudivými, je optická pinzetaOptická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší.. Optická pinzeta je zařízení umožňující uchopit do fokusovaného laserového paprsku mikroskopický objekt o velikosti desítek nanometrů až jednotek mikrometrů. Síly, o kterých je řeč, měříme v pikonewtonech (biliontinách newtonu).
Princip je jednoduchý. Uplatňuje se při něm elektrická složka elektromagnetického vlnění. Ta je schopna polarizovat dielektrikumPolarizace dielektrika – jev, při kterém se působením elektrického pole z neutrálních atomů a molekul stanou elektrické dipóly, tedy část kladného náboje jedinců se přesune ve směru pole a část záporného náboje proti směru pole. a následně ho silově ovládat. Je to obdobné, jako když tyčové magnety podléhají magnetickému poli, ale v tomto případě jde o pole elektrické a elektrický dipól. Světlo laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. dopadající na přemisťovaný objekt se v opticky hustším prostředí láme a na rozhraní ohýbá. Elektrická složka záření doslova obtéká objekt, čímž vzniká boční gradient elektrického pole a vytváří optickou past držící objekt jako v pinzetě.
V místě fokusace laserového svazku působí na kuličku různé síly. Za část z nich je zodpovědný lom světla, který znamená změnu hybnosti paprsku, což vede ke vzniku síly působící na kuličku ve směru kolmém na zvyšující se intenzitu světla. Jde o tzv. gradientní sílu. Kromě této síly působí na kuličku rozptylové síly a gravitace. Správná pinzeta je navržena tak, že výslednice všech sil míří vždy do ohniska laserového svazku. Na levém obrázku je kulička v ohnisku. Výslednice gradientních sil míří vzhůru a je kompenzována gravitací působící směrem dolů. Zdroj: GIST.
Příbuzné technologie
Použijeme-li kruhově polarizovaný paprsek, dokážeme na dálku přenášet na nesymetrické objekty i moment hybnosti. Díky tření přenášejí roztočené částice svůj pohyb na okolí, což vyvolává proudění. Tohoto efektu se využívá při konstrukci světlem řízených mikropump. V současnosti je známo a aktivně využíváno široké spektrum modifikací principu optické pinzety. K dispozici jsou optické natahovače využívající vstřícných laserových paprsků, optické pikotenzometry k měření nepatrných sil v řádu pikonewtonů nebo ramanovská pinzeta kombinující mikromanipulační metody se spektroskopickými technikami, díky nimž můžeme měřit vibrační spektrum chemických vazeb bez nutnosti modifikovat vzorek fluorescenčními metodami. To je výčet pouze nejvýznamnějších aplikací. Není divu, že za objev optické pinzety sdílejí Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji a William Daniel Phillips Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za rok 1997.
V nedávné době proběhl pokus, který potvrdil, že na polarizované mikroobjekty může působit nejen světlo koherentního mononchromatického laserového paprsku, ale i širokopásmové záření absolutně černého tělesa. Síly, které tu vznikají, působí směrem ke zdroji a mohou být dokonce silnější než gravitační síla (asi dvacetkrát) a překonají i tlak záření. Ve výsledku se pak částice mohou pohybovat směrem ke zdroji, proti toku záření. Profesor Helmut Ritsch s manželkou a Mathiasem Sonnleitnerem z Innsbrucké univerzity připravili pokus, který probíhal ve vakuované nádobě s cesiovýmiCesium – Caesium, chemický prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Cesium je měkký (měkkčí než vosk), lehký a zlatožlutý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od ostatních alkalických kovů je spolu s rubidiem těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Cesium bylo objeveno roku 1860 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. atomy. Cesiové atomy byly pro pokus výhodné pro svůj nezájem o elektromagnetické záření. Pro záření o teplotě do 500 K je cesium prakticky průhledné. Aby průběh pokusu nerušil ani tepelný šum, byly atomy vychlazeny metodou laserového ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku. na pouhých 300 nK.
Pohled do komory s cesiem. V horní části je vidět wolframový válec v roli
absolutně černého tělesa. Zdroj:
Innsbrucká univerzita.
V horní části komory umístili experimentátoři absolutně černé těleso reprezentované dutým wolframovým válcem, který opakovaně zahřívali laserem na 460 K a pak nechali šest hodin chladnout až na pokojovou teplotu, aby získali údaje v širokém teplotním rozsahu. Atomy cesia vynášeli vzhůru laserovými impulsy v intervalech 65 ms. Jejich délkou a intenzitou rozhodovali, zda bude atom vynesen, či ne. Dále nahlíželi na atomy jako na hmotnostní vlny a studovali jejich fázový posun. Systém se choval jako atomový interferometr, s jehož pomocí přesně změřili zrychlení cesiových atomů. Naměřené hodnoty dobře souhlasily s teoretickou předpovědí. Gradient nutný k tomu, aby vznikly patřičné síly je zde důsledkem blízkosti zdroje záření (3,7 mm). Výsledné zrychlení směřovalo ke zdroji, klesalo s třetí mocninou vzdálenosti a stoupalo s rostoucí teplotou. Z výpočtů dále plyne, že při teplotě v řádu tisíců kelvinů se síla vytrácí a později dokonce mění na odpudivou.
Naměřené hodnoty dobře souhlasí s výpočtem (červená tečkovaná čára).
Zdroj:
Innsbrucká univerzita.
Závěr
Očekává se, že v blízké budoucnosti budeme muset přehodnotit některé modely procesů v prachoplynných mlhovinách. Ukazuje se, že nejmarkantněji se přitažlivé síly absolutně černého tělesa projevují u drobných prachových zrn a plynu. Takové síly by mohly mít zásadní význam při formování mlhovin a tvorbě planet. Zůstává otevřená otázka, jak se efekt projevuje v astrochemii. Efekt se dotkne všech metodik měření, kde se pracuje s nepatrnými silami. Typicky měření základních konstant, gravitace nebo testování teorie relativity. Na závěr dobrá zpráva pro příznivce jachtingu na Sluncem poháněných plachetnicích. Sluneční plachetnice budou nadále urychlovány světlem pryč od Slunce. Při teplotách záření kolem 6 000 °C už přitažlivost mizí, nehledě na to, že ve vzdálenostech, ve kterých sluneční plachetnice mohou operovat, je již gradient záření zanedbatelný.
Manipulace s mikroskopickými kuličkami pomocí optické pinzety.
Video je v reálném čase. Zdroj:
Elliot Scientific Ltd.
Odkazy
- University of California - Berkeley: Blackbody radiation from a warm object attracts polarizable objects; PhysOrg, 8 Dec 2017
-
Philipp
Haslinger et al.: Attractive force on atoms due to blackbody
radiation;
arXiv:1704.03577, 12 Apr 2017 - Philipp Haslinger et al.: Attractive force on atoms due to blackbody radiation; Nature Physics, 4 Dec 2017
- M. Sonnleitner, et al.: Blackbody radiation induces attractive force stronger than gravity; PhysOrg, 25 Jul 2013
