Суперсияние
 | Было предложено сверхлучистого излучения объединить в эту статью тему . ( Обсудить ) Предлагается с мая 2024 г. |
В физике квантовую сверхизлучение – это эффект усиления излучения в нескольких контекстах, включая механику , астрофизику и теорию относительности .
Квантовая оптика
[ редактировать ]За неимением лучшего термина газ, который сильно излучает из-за когерентности, будет называться «сверхизлучающим».
- Роберт Х. Дике , 1954 г., [1]
В квантовой оптике сверхизлучение — это явление, которое возникает, когда группа N излучателей, например возбужденных атомов, взаимодействует с общим световым полем. Если длина волны света намного превышает 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, радикально отличающийся от ожидаемого экспоненциального распада (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 квантовых точек. массивы [3] и J-агрегаты . [4] Этот эффект был использован для создания сверхизлучающего лазера .
Вращательное сверхизлучение
[ редактировать ]Вращательное сверхизлучение [5] связан с ускорением или движением близлежащего тела (которое обеспечивает энергию и импульс для эффекта). Его также иногда называют следствием «эффективного» перепада полей вокруг тела (например, эффекта приливных сил ). Это позволяет телу с концентрацией углового или линейного момента двигаться в сторону более низкого энергетического состояния, даже если для этого не существует очевидного классического механизма. В этом смысле эффект имеет некоторое сходство с квантовым туннелированием (например, тенденцией волн и частиц «найти способ» использовать существование энергетического потенциала, несмотря на отсутствие очевидного классического механизма, позволяющего этому произойти).
- В классической физике обычно ожидается, что движение или вращение тела в среде 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 получают энергию и импульс за счет движения близлежащего тела. , благодаря этому избирательному усилению вокруг тела генерируется реальное физическое излучение.
В то время как классическое описание вращающейся изолированной невесомой сферы в вакууме склонно утверждать, 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 совсем гладкая, и поле сферы может взаимодействовать с квантовыми флуктуациями и ускорять их, создавая настоящее излучение. Гипотетические виртуальные волновые фронты с соответствующими путями вокруг тела стимулируются и усиливаются в реальные физические волновые фронты в процессе взаимодействия. В описаниях иногда упоминается, что эти колебания «щекочут» поле, чтобы произвести эффект.
В теоретических исследованиях черных дыр этот эффект также иногда описывается как следствие того, что гравитационные приливные силы вокруг сильно гравитирующего тела растягивают пары виртуальных частиц , которые в противном случае быстро взаимно аннигилировали бы, с образованием популяции реальных частиц в области за пределами черной дыры. горизонт.
Бомба черной дыры — это экспоненциально растущая нестабильность во взаимодействии массивного бозонного поля и вращающейся черной дыры.
Астрофизика и теория относительности
[ редактировать ]В астрофизике потенциальным примером сверхизлучения является излучение Зельдовича . [6] году . Впервые этот эффект описал Яков Зельдович в 1971 [7] Игорь Новиков из Московского университета развил теорию. 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 керровский черный дырка должна производить аналогичные эффекты связи и должна 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 «настоящим» излучением, тогда как для далекого наблюдателю это излучение можно было бы назвать «виртуальным». Если ускоренный наблюдатель вблизи горизонта событий захватывает ближнюю частицу и выбрасывает ее дальнему наблюдателю для захвата и изучения, то для удаленного наблюдателя появление частицы можно объяснить тем, что физическое ускорение частицы стало это из виртуальной частицы в «настоящую» частицу [8] (см. Излучение Хокинга ).
Аналогичные аргументы применимы и для случаев наблюдателей в ускоренных системах отсчета ( излучение Унру ). Черенковское излучение , электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися через среду частиц со скоростью, превышающей номинальную скорость света в этой среде, также описывается как «сверхизлучение инерционного движения». [5]
Дополнительные примеры сверхизлучения в астрофизической среде включают изучение радиационных вспышек в регионах, где расположены мазеры. [9] [10] и быстрые радиовсплески . [11] Доказательства сверхизлучения в этих условиях предполагают существование интенсивных излучений из запутанных квантово-механических состояний, в которых участвует очень большое количество молекул, повсеместно присутствующих во Вселенной и охватывающих большие расстояния (например, на расстоянии нескольких километров в межзвездной среде). [12] возможно, более нескольких миллиардов километров [11] ).
См. также
[ редактировать ]- Квантовая оптика
- Спонтанное излучение
- Сверхизлучательный фазовый переход
- Толстая модель
- Излучение Хокинга
- Эффект Унру
- Черенковское излучение
- Бомба черной дыры
- Сверхизлучение в полупроводниковой оптике
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дике, Роберт Х. (1954). «Когерентность в спонтанных радиационных процессах» . Физический обзор . 93 (1): 99–110. Бибкод : 1954PhRv...93...99D . дои : 10.1103/PhysRev.93.99 .
- ^ Гросс, М.; Гарош, С. (1 декабря 1982 г.). «Сверхизлучение: очерк теории коллективного спонтанного излучения». Отчеты по физике . 93 (5): 301–396. Бибкод : 1982PhR....93..301G . дои : 10.1016/0370-1573(82)90102-8 .
- ^ 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 .
- ^ Бенедикт, МГ (1996). Сверхизлучение: многоатомное когерентное излучение . Бристоль [ua]: Инст. физики Изд. ISBN 0750302836 .
- ^ Jump up to: а б Бекенштейн, Джейкоб; Шиффер, Марсело (1998). «Многоликое сверхсияние». Физический обзор D . 58 (6): 064014. arXiv : gr-qc/9803033 . Бибкод : 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. Бибкод : 1971ЖПмР..14..270З . Архивировано из оригинала (PDF) 20 мая 2018 г. Получено 20 мая 2018 г. - через http://adsabs.harvard.edu/ .
{{cite journal}}: Внешняя ссылка в|via= - ^ Торн, Прайс и Макдональд (редакторы) (1986). Черные дыры: мембранная парадигма .
{{cite book}}:|last=имеет общее имя ( справка ) - ^ Раджаби, Ф.; Уд, М. (2016). «СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИКЕ В АСТРОФИЗИКЕ. I. ЛИНИЯ 21 СМ» . Астрофизический журнал . 826 (2): 216. arXiv : 1601.01717 . Бибкод : 2016ApJ...826..216R . дои : 10.3847/0004-637X/826/2/216 . S2CID 28730845 .
- ^ Раджаби, Ферештех (2016). «СВЕРХИЗЛУЧЕНИЕ ДИКЕ В АСТРОФИЗИКЕ. II. ЛИНИЯ OH 1612 МГц» . Астрофизический журнал . 828 (1): 57. arXiv : 1601.01718 . Бибкод : 2016ApJ...828...57R . дои : 10.3847/0004-637X/828/1/57 . S2CID 20321318 .
- ^ Jump up to: а б Уд, М.; Мэтьюз, А.; Раджаби, Ф. (12 декабря 2017 г.). «Объяснение быстрых радиовсплесков сверхизлучением Дике». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 475 (1): 514. arXiv : 1710.00401 . Бибкод : 2018MNRAS.475..514H . дои : 10.1093/mnras/stx3205 . S2CID 119240095 .
- ^ Раджаби, Ф.; Уд, М. (2017). «Объяснение повторяющихся мазерных вспышек в МЗС через крупномасштабные запутанные квантово-механические состояния» . Достижения науки . 3 (3): e1601858. arXiv : 1704.01491 . Бибкод : 2017SciA....3E1858R . дои : 10.1126/sciadv.1601858 . ПМЦ 5365248 . ПМИД 28378015 .