В космосе и на земле




Скачать 87.28 Kb.
НазваниеВ космосе и на земле
Дата03.10.2012
Размер87.28 Kb.
ТипДокументы
[вернуться к содержанию сайта]


УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ЧАСТОТЫ СВЕТА

В КОСМОСЕ И НА ЗЕМЛЕ

(доклад, прочитанный 14 декабря в Институте Фотонных Технологий, IPHT Йена, Германия)

Семиков С.А., Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского


Одна из актуальных задач науки состоит в открытии способов трансформации оптического излучения в другие частотные диапазоны с возможностью плавной или ступенчатой перестройки частоты излучения. Уже с приходом нелинейной оптики стало ясно, что вместо множества генераторов на каждый диапазон частот проще иметь под рукой компактный лазерный источник и трансформатор частоты его излучения, подобно использованию в автомобиле, для преобразования частоты вращения вала, редукторов и коробок скоростей (вместо набора разных типов двигателей). Преобразование частоты излучения при прохождении нелинейных сред происходит за счёт эффектов генерации гармоник, параметрических эффектов, вынужденного комбинационного рассеяния, фазовой самомодуляции и т.д. С появлением фемтосекундных лазеров стало возможно более значительное преобразование спектра, скажем в рентгеновский (аттосекундные импульсы) и терагерцовый диапазоны [1]. Здесь предложим новый, универсальный способ плавной трансформации спектра оптического излучения в любой другой диапазон электромагнитных волн от гамма- до радиоизлучения.

В оптике давно известен метод сдвига спектра по эффекту Доплера, трансформирующему длину волны λ света в λ'=λ(1+Vr/c), а частоту f в f'=f/(1+Vr/c), где Vrлучевая скорость источника, c – скорость света. Теоретически этот эффект способен преобразовать световое излучение в любое другое: надо лишь придать источнику соответствующую скорость. Но на практике обычно имеют дело лишь с ничтожным сдвигом частоты, ввиду малой скорости источников Vr в сравнении со скоростью света c [2, 3]. И лишь применив мощные линейные ускорители и синхротроны, разгоняющие электроны до околосветовой скорости, удаётся осуществить трансформацию световых ультракоротких импульсов лазера, рассеянных движущимися электронами (электронным зеркалом), в направленные гамма- и рентгеновские пучки [1], хотя эффективность этого преобразования, учитывая потери на разгон и синхротронное излучение, ничтожна, а сами установки дороги, сложны и громоздки.

Эффект Доплера это не единственно возможный способ сдвига спектра за счёт движения источника. Век назад, в 1908 г. немецкий физик Вальтер Ритц предсказал на основе своей баллистической теории света так называемый эффект Ритца, по которому кроме скорости на длину волны света влияет также и ускорение источника [4]. Согласно баллистическому принципу источник дополнительно сообщает свою скорость испущенному свету, так же как движущееся орудие придаёт дополнительную скорость снарядам. Поэтому, если источник движется ускоренно к приёмнику, то волновые фронты, приобретая в моменты испускания всё большие скорости, будут по мере движения догонять друг друга, тем самым сокращая длину волны. Если же ускорение источника направлено от наблюдателя, то гребни волн будут расходиться, наращивая длину волны. Из элементарной кинематики сразу следует найденный Ритцем закон изменения длины волны λ'=λ(1+Lar/c2) и частоты света f'=f/(1+Lar/c2), где ar – лучевое ускорение источника, L – путь, пройденный светом. Поскольку в знаменателе стоит квадрат скорости света, то эффект этот обычно ещё менее выражен, чем доплеровский, но в некоторых случаях именно он способен приводить к гигантским сдвигам частоты и длины волны, поскольку не требует околосветовых скоростей источника.

Так, ещё в 1920-х гг. Ла Роза и Цурхелен показали, что эффект Ритца мог бы проявиться в космосе у двойных звёзд, ускоренное движение которых по орбите привело бы к сильным сдвигам спектра за счёт гигантских космических расстояний L. Периодичное изменение лучевого ускорения вызовет смещение спектра то в красную, то в синюю сторону. И такие периодичные колебания спектра были реально открыты у цефеид, что ошибочно трактовали по закону смещения Вина Тλmax=b как колебания их температуры Т. Также из эффекта Ритца сразу вытекает существование красного смещения в спектрах галактик λ'=λ(1+LH/c) [5]. По эффекту Ритца λ'=λ(1+Lar/c2) длина волны λ света, испущенного видимыми нам участками крутящихся галактических ядер, обладающих ускорением направленным от нас (ar>0), должна увеличиваться пропорционально расстоянию L до галактики, причём коэффициент пропорциональности H (постоянная Хаббла) оказался близок к величине ar/c для галактик [4, 6]. Более того, такое объяснение красного смещения галактик без их разлёта, без выдуманного расширения Вселенной от Большого взрыва, позволяет объяснить и ряд парадоксов красного смещения, в том числе открытые Гальтоном Арпом (Институт Астрофизики Макса Планка в Мюнхене) парные объекты, находящиеся от нас на равных расстояниях, но имеющие существенно разнящиеся красные смещения, а также избежать многочисленных дополнительных гипотез ad hoc (придуманных по случаю), включая гипотезу тёмной энергии.

Благодаря эффекту Ритца простое объяснение получают и многочисленные источники излучения неоптических диапазонов, в том числе радио-, рентгеновского и гамма-диапазона (пульсары, барстеры, квазары). Если справедлив эффект Ритца, то вполне возможно, что в них мы наблюдаем обычное оптическое излучение звёзд, сильно трансформированное эффектом Ритца. Такое объяснение не только наиболее просто и естественно (поскольку задолго до открытия таких источников их предполагали на основе эффекта Ритца), но и снимает вопрос об источнике гигантской энергии этих излучений – это энергия обычного теплового излучения звёзд. Гипотезу о тепловой природе космического радиоизлучения (скажем у радиогалактик, квазаров и пульсаров) отвергали на том основании, что спектр этого излучения показывает падение спектральной плотности мощности S с ростом частоты, в отличие от закона Джинса. Но если спектр радиоизлучения – это обычный оптический спектр, сильно смещённый эффектом Ритца в красную область, то от смещения спектрального максимума в область радиочастот попадёт и ниспадающая ветвь теплового спектра [5].

Так же и рентгеновские или гамма-источники (например, пульсары и барстеры) – это обычные звёзды с оптическим тепловым излучением, сильно смещённым в высокочастотную область за счёт орбитального ускоренного движения и эффекта Ритца. Это подтверждает и вид спектра барстеров, который идентичен спектру излучения абсолютно чёрного тела с немыслимо высокой температурой Tc≈7·107 K [5]. Именно такая температура Tc, найденная из закона смещения Вина Tc=b/λmax, и должна получаться от эффекта Ритца, повышающего в 103–104 раз частоту f теплового излучения звезды с температурой T≈104 K. Эффект и переводит излучение из оптики (f=1015 Гц) в рентген (f=1018–1019 Гц) с пропорциональным сокращением длины волны λmax спектрального максимума и ростом цветовой температуры Tc в тысячи раз. Таким образом, природа, вероятно, давно создала эффективные преобразователи оптического излучения в другие частотные диапазоны. Теория Ритца предсказывает все эти космические источники и их характеристики как простое следствие классического принципа относительности Галилея, говорящего о зависимости скорости света от скорости источника.

В земных условиях из-за малости дистанций L обнаружить эффект Ритца гораздо сложнее. Тем не менее, и в этом случае эффект был зафиксирован с помощью эффекта Мёссбауэра, например в опыте Бёммеля (1962 г.), который прикреплял источник γ-лучей к пъезоэлектрическому вибратору и наблюдал сдвиг частоты излучения на приёмнике f'=f(1–Lar/c2) пропорциональный расстоянию L до него и ускорению источника ar [3]. Тот же согласный с эффектом Ритца результат получался и при размещении излучателя на крутящихся дисках за счёт центростремительного ускорения Δλ=λR1R2adR/c2R1R2ω2RdR/c2=λω2/2c2(R22R12). Впрочем, этот результат, подобно изменению длины волны света в гравитационном поле Земли и Солнца, трактовался с позиций общей теории относительности. Но гораздо проще такая величина эффекта следует из классической теории Ритца, если учесть, что излучающие и переизлучающие атомы находятся в поле тяготения Земли и движутся с ускорением g.

Итак, ряд космических и земных наблюдений подтверждает эффект Ритца. Но возможности применения этого эффекта для преобразования частоты, казалось бы, ограничены ещё больше, чем у эффекта Доплера. Ведь для заметной трансформации частоты необходимо, чтобы в формуле λ'=λ(1+Lar/c2) величина Lar/c2 была порядка единицы. Поэтому на лабораторных расстояниях L~1 м необходимо ускорение ar=c2/L~1017 м/с2. Это ускорение недостижимо для человека и любого светоизлучающего прибора. Однако его легко придать атомам и электронам, которые могут либо сами быть источниками света, либо служить переизлучающими центрами (как в случае применения эффекта Доплера). По второму закону Ньютона ускорение электрона a=Ee/m. Поскольку удельный заряд электрона e/m=1,76·1011 Кл/кг, то уже при напряжённости поля E~106 В/м будет достигнуто требуемое ускорение. Для ионов (скажем, водорода), соответствующая величина в тысячу раз больше: E~109 В/м. Такие напряжённости поля получаются сравнительно легко. Более того, существуют лазерные установки, в сфокусированных лазерных пучках которых достигаются значения внутриатомного поля E=5·1011 В/м и даже на порядки большие.

Поэтому эффективные универсальные преобразователи спектра могут работать не только в космосе, но и в земных лабораториях. Надо лишь наложить на пучок ионов или колеблющихся электронов сильное электрическое поле E~106–109 В/м, вызвав их ускорение, после чего позволить излучению свободно пройти некоторый путь L в сверхчистом вакууме до переизлучающей пластины. По преодолении этого пути исходное оптическое излучение будет преобразовано в радио-, терагерцовый, ИК, УФ, рентгеновский или гамма-диапазон, в зависимости от величины и направления поля. Частоту выходного излучения можно плавно перестраивать, меняя пролётную длину L (благодаря смещению пластины) или величину ускоряющего поля. При этом, поскольку, частицы не надо сильно разгонять, будет происходить эффективное преобразование оптического излучения в другой диапазон с почти 100 % КПД [7]. Можно исключить и дополнительные энергозатраты на генерацию электрического поля, поскольку достаточное ускорение можно создать световым давлением со стороны сфокусированного лазерного пучка на отдельные электроны, атомы или наночастицы, подвешенные в лазерном пучке (в световой ловушке). Тогда лазерный свет будет одновременно ускорять частицы и, за счёт переизлучения ими, трансформироваться по эффекту Ритца в иные диапазоны.

Интересно, что нечто подобное ещё в 1950 г. предложил С.И. Вавилов (много сделавший для нелинейной оптики), причём как раз имея в виду проверку баллистической теории. Он предлагал модулировать скорость пучка ионов и каналовых лучей за счёт быстрой перезарядки (быстрых изменений величины ускоряющего поля) и наблюдать, возникнут ли при этом предсказанные Ритцем нелинейные преобразования спектра и фазы световых колебаний [8]. Однако преждевременная смерть Вавилова в 1951 г. не позволила ему построить установку и осуществить эксперимент. Сейчас, когда экспериментальная техника продвинулась далеко вперёд, проведение такого эксперимента было бы весьма желательно, особенно с учётом потребности в эффективных трансформаторах светового излучения.


14 Декабря,

Йена, Германия


PPT-презентация на английском


Источники:

1. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. М.: Физматлит, 2008.

2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

3. H. E. Bömmel. Measurement of the frequency shift of gamma rays in accelerated systems using the Mässbauer effect. «Mossbauer effect», Ld. 1962, p. 229–232.

4. Семиков С. БТР и картина мироздания. Н.Новгород: ПРЕСС-КОНТУР, 2009.

5. Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1986.

6. Справочник необходимых знаний. М.: РИПОЛ КЛАССИК, 2002.

7. Семиков С. Преобразование электромагнитных волн в поле ускорений. Сборник трудов конференции по радиофизке, ННГУ, 7 мая 2010 г.

8. Бонч-Бруевич А.М. Сергей Иванович Вавилов в моей жизни // УФН 171, 2001. (English translation is available).

9. WEB site: www.ritz-btr.narod.ru (Ritz original articles in German is available).

10. WEB site: www.ebicom.net.

11. WEB site: www.ekkehard-friebe.de (site of Ekkehard Friebe, Munich).

12. WEB site: www.bourabai.kz/arp/index.html (articles of Halton Arp, Munich).

13. Ельяшевич М.А. и др. Вальтер Ритц как физик-теоретик и его исследования по теории атомных спектров // УФН 165, 1995, №4. (English translation is available).

14. Martínez Alberto A. Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis // Physics in perspective. №6 (2004) 4–28.

15. M. La Rosa. Neur Beitrag zur ballistischen Theorie der "veräanderlichen sterne", Astronomische Nachrichten, 234, 235, (1929).

16. M. La Rosa. Addiert sich die Geschwindigkeit des Lichtes zu derjenigen der Lichtquelle? Dafür sprechende Beweise aus den Phänomenen der "veränderlichen Sterne" , Physik. Zeitschr., 21, 333, (1924).


см. также вариант доклада на английском

см. также доклад и презентацию от 7 мая 2010 года


Дата установки: 25.12.2010

Последнее обновление: 27.01.2012

[вернуться к содержанию сайта]




Похожие:

В космосе и на земле iconО возможной природе "фактора Пастера"
Земле с космическими причинами [1]. На диссиметричные явления в космосе, как на возможную причину диссиметрии живого вещества на...
В космосе и на земле iconРоль Творца в возникновении жизни в космосе и на Земле. Role of the Creator in the origin of life in cosmos and on Earth
Были ли первые люди на земле умнее нас?Человек не мог произойти от обезьяны. Первые люди родились в океане. Их разделяли большие...
В космосе и на земле iconРеферат по физике на тему: невесомость работу
До начала исследования мне было известно лишь то, что невесомость – состояние, которое наблюдается в космосе, на космическом корабле,...
В космосе и на земле iconЛекция 1 борьба с хаосом невежества 18 Древние знали многое 18 "Белые пятна" науки 21 «Научные»
В книге впервые воедино связываются древние представления о человеке, космосе и земле, религиозные учения, взгляды русских космистов,...
В космосе и на земле iconРадиоактивность отнюдь не новое явление; новизна состоит в том, как люди пытались е использовать. Ионизирующие излуче- ния существовали на Земле задолго до
Радиоактивность отнюдь не новое явление; новизна состоит в том, как люди пытались е использовать. Ионизирующие излуче- ния существовали...
В космосе и на земле iconКонтрольная работа №5 3
У саши 7 наборов марок о спорте по 9 штук в каждом наборе и столько же наборов марок о космосе по 7 штук в каждом наборе. На сколько...
В космосе и на земле iconАлександр Борисович Железняков Первые в космосе. Как СССР победил США александр Борисович Железняков Первые в космосе. Как СССР победил США
«Байконур» (правда, таковым он станет только через несколько часов, когда надо будет оповестить мир о свершившемся событии) возвышается...
В космосе и на земле iconИсследование Мирового океана 11
Земле. Науке ещё не известно такое живое существо, которое могло бы обходиться без воды. Мировой океан, как колоссальное скопление...
В космосе и на земле iconТема: Возникновение жизни на Земле
Цель – изучить начальный этап жизни на Земле; формировать поисковый стиль мышления и коммуникативные навыки; развить практические...
В космосе и на земле iconОпубликовано в журнале «Вопросы культурологии» (Москва): Федоров А. В. Советская кинофантастика о войне и космосе: герменевтический анализ // Вопросы культурологии. 2011. №11
Федоров А. В. Советская кинофантастика о войне и космосе: герменевтический анализ // Вопросы культурологии. 2011. №11
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница