[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+V_r/c), а частоту f в f'=f/(1+V_r/c), где V_r – лучевая 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 V_r 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+La_r/c²) и частоты света f'=f/(1+La_r/c²), где a_r – 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 Тλ_max=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+La_r/c²) длина волны λ света, испущенного видимыми нам участками крутящихся галактических ядер, обладающих ускорением направленным от нас (a_r>0), должна увеличиваться пропорционально расстоянию L до галактики, причём коэффициент пропорциональности H (постоянная Хаббла) оказался близок к величине a_r/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 T_c≈7·10⁷ K [5]. Именно такая температура T_c, найденная из закона смещения Вина T_c=b/λ_max, 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 λ_max спектрального максимума и ростом цветовой температуры T_c 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–La_r/c²) пропорциональный расстоянию L до него и ускорению источника a_r [3]. Тот же согласный с эффектом Ритца результат получался и при размещении излучателя на крутящихся дисках за счёт центростремительного ускорения Δλ=λ_R1∫^R2adR/c²=λ_R1∫^R2ω²RdR/c²=λω²/2c²(R₂²–R₁²). 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+La_r/c²) величина La_r/c² была порядка единицы. Поэтому на лабораторных расстояниях L~1 м необходимо ускорение a_r=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

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]

W