Сверхсветимость - Superradiance

В физика, сверхизлучение - это эффекты усиления излучения в нескольких контекстах, включая квантовая механика, астрофизика и относительность.

Квантовая оптика

За неимением лучшего термина газ, сильно излучающий из-за когерентности, будет называться «сверхизлучателем».

— Роберт Х. Дике, 1954, [1]

В квантовая оптика, сверхизлучение - это явление, которое возникает, когда группа N излучатели, такие как возбужденные атомы, взаимодействуют с общим световым полем. Если длина волны света намного больше, чем 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 N2). Это удивительный результат, резко отличающийся от ожидаемого экспоненциального спада (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 квантовая точка массивы [3] и J-агрегаты.[4] Эффект недавно был использован для получения сверхизлучательный лазер.

Вращательное сверхизлучение

Вращательное сверхизлучение[5] связан с ускорением или движением ближайшего тела (которое обеспечивает энергию и импульс для эффекта). Это также иногда описывается как следствие «эффективного» перепада полей вокруг тела (например, эффект приливные силы ). Это позволяет телу с концентрацией углового или линейного момента двигаться в сторону более низкого энергетического состояния, даже если для этого нет очевидного классического механизма. В этом смысле эффект имеет некоторое сходство с квантовое туннелирование (например, тенденция волн и частиц «найти способ» использовать существование энергетического потенциала, несмотря на отсутствие очевидного классического механизма для этого).

  • В классической физике, обычно ожидается, что движение или вращение тела в среде с твердыми частицами приведет к импульс и энергия переносится на окружающие частицы, и тогда увеличивается статистическая вероятность обнаружения частиц, следующих по траекториям, которые подразумевают удаление импульса от тела.
  • В квантовой механике, этот принцип распространяется на случай тел, движущихся, ускоряющихся или вращающихся в вакуум - в квантовом случае квантовые флуктуации с соответствующими векторами, растягиваются и искажаются и снабжаются энергией и импульсом за счет движения соседнего тела, с этим избирательным усиление генерирование реального физического излучения вокруг тела.

В то время как классическое описание вращающейся изолированной невесомой сферы в вакууме будет иметь тенденцию говорить, что сфера будет продолжать вращаться бесконечно из-за отсутствия фрикционный эффекты или любая другая форма очевидной связи с его гладкой пустой средой, в рамках квантовой механики окружающая область вакуума не совсем гладкая, и поле сферы может взаимодействовать с квантовыми флуктуациями и ускорять их, чтобы произвести реальное излучение. Гипотетические виртуальные волновые фронты с соответствующими путями вокруг тела стимулируются и усиленный в реальные физические волновые фронты посредством процесса связи. В описаниях иногда упоминаются эти колебания, «щекочущие» поле, чтобы произвести эффект.

В теоретических исследованиях черных дыр этот эффект также иногда описывают как следствие гравитационного приливные силы вокруг сильно гравитирующего тела, разрывающего виртуальные пары частиц которые в противном случае быстро взаимно аннигилируют, создавая популяцию реальных частиц в области за пределами горизонта.

В черная дыра бомба - экспоненциально нарастающая неустойчивость взаимодействия массивных бозонное поле и вращающаяся черная дыра.

Астрофизика и теория относительности

В астрофизика, потенциальным примером сверхизлучения является Зельдовича излучения.[6] Это было Яков Зельдович кто впервые описал этот эффект в 1971 г.[7], Игорь Новиков в Московском университете дальнейшее развитие теории. Яков Борисович Зельдович взял дело под квантовая электродинамика («QED»), где ожидается, что область вокруг экватора вращающейся металлической сферы будет отбрасывать электромагнитное излучение по касательной, и предположил, что случай вращающейся гравитационной массы, такой как Черная дыра Керра должны производить аналогичные эффекты связи и излучать в аналогичный путь.

Далее последовали аргументы от Стивен Хокинг и другие, что ускоренный наблюдатель около черной дыры (например, наблюдатель, осторожно опущенный к горизонту на конце веревки) должен видеть область, населенную "реальным" излучением, тогда как для удаленного наблюдателя это излучение будет считаться «виртуальный». Если ускоренный наблюдатель около горизонт событий захватывает ближайшую частицу и выбрасывает ее удаленному наблюдателю для захвата и изучения, затем для удаленного наблюдателя появление частицы можно объяснить, сказав, что физическое ускорение частицы превратило ее из виртуальная частица в "настоящую" частицу [8] (видеть Радиация Хокинга ).

Аналогичные аргументы применимы к случаям наблюдателей в ускоренных системах отсчета (Унру радиация). Черенковское излучениеэлектромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися через твердую среду со скоростью, превышающей номинальную скорость света в этой среде, также было описано как «сверхизлучение при инерционном движении».[5]

Дополнительные примеры сверхизлучения в астрофизических средах включают изучение радиационных вспышек в областях, где находятся мазеры. [9] [10] и быстрые радиовсплески [11]. Свидетельства сверхизлучения в этих условиях предполагают существование интенсивных излучений из запутанных квантово-механических состояний с участием очень большого числа молекул, повсеместно присутствующих во Вселенной и охватывающих большие расстояния (например, на расстоянии нескольких километров в межзвездной среде). [12] возможно более нескольких миллиардов километров [11]).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дике, Роберт Х. (1954). «Когерентность в спонтанных радиационных процессах». Физический обзор. 93 (1): 99–110. Bibcode:1954ПхРв ... 93 ... 99Д. Дои:10.1103 / PhysRev.93.99.
  2. ^ Гросс, М .; Гарош, С. (1 декабря 1982 г.). «Сверхизлучение: очерк теории коллективного спонтанного излучения». Отчеты по физике. 93 (5): 301–396. Bibcode:1982ФР .... 93..301Г. Дои:10.1016/0370-1573(82)90102-8.
  3. ^ Шайбнер, Майкл; Schmidt, T .; Worschech, L .; Forchel, A .; Bacher, G .; Passow, T .; Хоммель, Д. (2007). «Сверхизлучение квантовых точек». Природа Физика. 3 (2): 106–110. Bibcode:2007НатФ ... 3..106С. Дои:10.1038 / nphys494.
  4. ^ Бенедикт, М. (1996). Сверхизлучение: многоатомное когерентное излучение. Бристоль [u.a.]: Inst. Физики Publ. ISBN  0750302836.
  5. ^ а б Бекенштейн, Якоб; Шиффер, Марсело (1998). «Многоликая сверхсветимость». Физический обзор D. 58 (6): 064014. arXiv:gr-qc / 9803033. Bibcode:1998ПхРвД..58ф4014Б. Дои:10.1103 / PhysRevD.58.064014. S2CID  14585592.
  6. ^ Торн, Кип С. (1994). Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна. п. 432.
  7. ^ Зельдович, Яков Борисович (1971). «Генерация волн вращающимся телом» (PDF). ЖЭТФ Письма Редакции. 14: 270. Bibcode:1971ЖПмР..14..270З - через http://adsabs.harvard.edu/.
  8. ^ Торн, Прайс и Макдональд (редакторы) (1986). Черные дыры: мембранная парадигма.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов (связь)
  9. ^ Rajabi, F .; Худе, М. (2016). "СУПЕРРАДИАЦИЯ ДИККА В АСТРОФИЗИКЕ. I. ЛИНИЯ 21 см". Астрофизический журнал. 826 (2): 216. arXiv:1601.01717. Bibcode:2016ApJ ... 826..216R. Дои:10.3847 / 0004-637X / 826/2/216. S2CID  28730845.
  10. ^ Раджаби, Ферештех (2016). "СУПЕРРАДИАЦИЯ ДИККА В АСТРОФИЗИКЕ. II. ЛИНИЯ OH 1612 МГц". Астрофизический журнал. 828 (1): 57. arXiv:1601.01718. Bibcode:2016ApJ ... 828 ... 57R. Дои:10.3847 / 0004-637X / 828/1/57. S2CID  20321318.
  11. ^ а б Houde, M .; Мэтьюз, А .; Раджаби, Ф. (12 декабря 2017 г.). «Объяснение быстрых всплесков радиоизлучения через сверхизлучение Дике». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 475 (1): 514. arXiv:1710.00401. Bibcode:2018МНРАС.475..514Н. Дои:10.1093 / мнрас / стх3205. S2CID  119240095.
  12. ^ Rajabi, F .; Худе, М. (2017). «Объяснение повторяющихся мазерных вспышек в ISM через крупномасштабные запутанные квантово-механические состояния». Достижения науки. 3 (3): e1601858. arXiv:1704.01491. Bibcode:2017SciA .... 3E1858R. Дои:10.1126 / sciadv.1601858. ЧВК  5365248. PMID  28378015.