Трансформаторы спектра в космосе и на Земле

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В школе мы узнаём, что не только разные цвета, но и вообще все виды электромагнитных излучений (включая радио-, терагерцовый, инфракрасный, оптический, ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазон) - это всё тот же свет, электромагнитные волны, разнящиеся лишь частотой колебаний и длиной волны (рис. 1). Но, даже осознав единую природу этих излучений, физики, не понимая механики движения света и его структуры, до сих пор не научились эффективно трансформировать свет из одного диапазона в другой, плавно перестраивая длину волны излучения и частоту источника во всём диапазоне электромагнитных волн. А потребность в этом огромная, ибо на каждый диапазон приходится делать свои, специфические генераторы, причём некоторые диапазоны, скажем терагерцовый, освоены очень слабо.

Рис. 1

Уже благодаря нелинейной оптике физики поняли, что, вместо громоздких генераторов каждой частоты, проще иметь под рукой компактный лазерный источник и трансформатор спектра его излучения, подобно использованию трансформаторов напряжения (вместо набора разных источников) и применению редукторов, вариаторов, коробок скоростей на автомобиле (вместо набора разных двигателей). Плавное или ступенчатое (в разы) изменение частоты света в нелинейных средах осуществляют посредством генерации оптических гармоник, параметрических эффектов, вынужденного комбинационного рассеяния, фазовой самомодуляции и других нелинейных эффектов. С появлением лазеров ультракоротких импульсов осуществили и гораздо более сильное преобразование оптического излучения, скажем в рентгеновский (аттосекундные импульсы) и терагерцовый диапазоны [1, 2]. У этих методов своя специфика и свои ограничения, а преобразование идёт с низкой эффективностью. Поэтому предложим новый, универсальный способ трансформации спектра оптического излучения в любой другой диапазон электромагнитных волн от гамма- до радиоизлучения.

В оптике давно открыт метод сдвига спектра по эффекту Доплера, меняющему частоту f света по закону:

f'= f/(1+Vr/C),

где Vr - лучевая скорость источника, C - скорость света. Теоретически эффект способен перевести видимый свет в любой частотный диапазон: надо лишь придать источнику или зеркалу нужную скорость Vr. Так, ещё в 1900 г. А.А. Белопольский, заставив свет многократно отражаться от крутящихся зеркал, укреплённых на колёсах редуктора, впервые на практике осуществил трансформацию частоты света по эффекту Доплера (рис. 2), а И. Штарк вызвал смещение частоты спектральных линий, излучаемых потоком атомов водорода [3, 4]. Но на практике сдвиг частоты обычно ничтожен, ввиду малой скорости источников Vr в сравнении со скоростью света C. Лишь применив мощные ускорители, разгоняющие электроны до световых скоростей, удалось трансформировать свет лазера, рассеянный электронами (отражённый "электронным зеркалом"), в рентгеновские и гамма-пучки [1]. Но, из-за потерь на разгон и синхротронное излучение электронов, эффективность трансформации мала, а сами установки дороги, сложны и громоздки.

Рис. 2

К счастью, эффект Доплера это не единственный способ сдвига спектра за счёт движения источника. В 1908 г. Вальтер Ритц предсказал на основе баллистической теории света так называемый эффект Ритца, по которому на частоту света влияет, кроме скорости, ещё и ускорение источника [5]. Согласно баллистическому принципу, движущийся источник дополнительно сообщает свою скорость свету, вылетающему из источника в виде потока микрочастиц (реонов, осуществляющих перенос электровоздействий), равно как движущееся орудие дополнительно придаёт свою скорость выстрелянным снарядам. Поэтому, если источник ускоренно движется к приёмнику, то световые волны и их волновые фронты (идущие с потоком реонов, будто параллельные шеренги солдат в колонне) приобретают в моменты испускания всё большие скорости и догоняют друг друга по мере движения, сокращая длину волны и наращивая частоту прихода к наблюдателю. Если же ускорение источника направлено от приёмника, то гребни волн расходятся, наращивая длину волны и снижая частоту. Из классической кинематики сразу следует найденный Ритцем закон изменения длины волны л'=л(1+Lar/C2) и частоты света f'=С/л'=f/(1+Lar/C2), где ar - лучевое ускорение источника, L - путь, пройденный светом. Поскольку в знаменателе стоит квадрат скорости света C2, то эффект обычно ещё менее заметен, чем доплеровский. С другой стороны, для сильной трансформации частоты в эффекте Ритца нужны не световые скорости, а лишь большие ускорения или дистанции. Поэтому иногда именно он заметно трансформирует частоту и длину волны.

Идея Ритца о свете как о потоке свободно летящих частиц, выброшенных источником световых, электрических или магнитных воздействий, имеет очень глубокие корни, идущие от древних атомистов, которые умело сочетали эту корпускулярную модель света с волновой. По идее Демокрита светоносные частицы идут периодичными быстро сменяющими друг друга волнами-плёнками, будто цепочка пуль в очереди из пулемёта, или круговые волны капель от крутящегося водомёта для полива травы (рис. 3). Не зря основатели оптической науки Востока и Запада,- Альхазен и Кеплер, тоже считали свет потоком частиц, вылетающих из источника с огромной скоростью. Эта античная идея о вылете светоносных частиц, возрождённая Галилеем, Гассенди и Ньютоном, процветала не только на протяжении XVII-XVIII веков, но ещё в Древней Индии, Греции и Риме, где веками торжествовали светоносные принципы Кбнады, Демокрита, Эпикура и Лукреция, забытые в тёмные средние века. Механика разбрасывания лучей света источниками, наподобие метательных снарядов-копий, и сама электрическая природа света была близка и понятна нашим предкам, почитавшим за верховное божество Индру-Зевса-Перуна, мечущего свет молний. Не случайно на знаках отечественных радистов и войск связи, совсем как на древнеримских щитах, выбиты периодично иззубренные, волнистые молнии, выбрасываемые зарядом и изображающие стремительный полёт радиоволн, света (рис. 3.в, г). Но, несмотря на столь древнюю историю баллистических представлений о свете и их опытное подтверждение, учёные не признают элементарных носителей электромагнитных воздействий - частиц-реонов, испускаемых светильниками, магнитами и зарядами. Оттого в физике до сих пор и не используют эффект Ритца.

Рис. 3

А ведь ещё в 1920-х гг. Ла Роза и Цурхелен показали, что эффект Ритца отчётливо проявился бы в космосе у двойных звёзд, ускоренное движение которых по орбите вызовет периодичные сдвиги спектра за счёт гигантских космических расстояний L. Цикличное изменение лучевого ускорения звёзд ar должно смещать спектр то в красную, то в синюю сторону (рис. 4). И такой цикличный сдвиг спектрального максимума

л'max= лmax(1+Lar/C2),

был реально открыт у цефеид, что, впрочем, трактовали по закону смещения Вина:

Тcл'max=b,

как колебания их температуры Тc, вопреки мнению А. Белопольского, открывшего эти вариации спектра и видевшего их причину в движении компонент двойной звезды по орбите. Из эффекта Ритца:

л'=л(1+Lar/C2),

вытекал и закон красного смещения в спектрах Солнца, звёзд и галактик:

л'=л(1+LH/C),

Крутящиеся галактики служат яркими примерами космических трансформаторов спектра, редукторов частоты света в красную область. С ещё более мощной трансформацией спектра сталкиваемся в случае радиогалактик, которые, по гипотезе С.П. Масликова, являются простыми оптическими галактиками, но с излучением, сдвинутым в радиодиапазон. Долгое время считали, что радиоизлучение этих объектов нельзя объяснить тепловым излучением звёзд, ибо интенсивность радиоизлучения гораздо выше, чем того требовал закон Планка. К тому же закон Планка предсказывал рост интенсивности радиоизлучения по мере роста его частоты (закон Джинса), а наблюдения выявили спад интенсивности.

Рис. 4

Поэтому В.Л. Гинзбург и другие предложили сложные нетепловые механизмы генерации радиоизлучения объектами типа радиогалактик, квазаров и пульсаров, например синхротронный. Этот механизм, основанный на вращении релятивистских электронов в сильных магнитных полях, выглядит надуманно и отвечает разве что за слабое радиоизлучение планет и звёзд. Зато все особенности мощного радиоизлучения легко объяснить эффектом Ритца, сдвигающим максимум теплового излучения звёзд из оптики в радиодиапазон (словно у тел низкой температуры), в котором и воспримется основная энергия звезды (Рис. 5). Тогда, в радиодиапазон попадёт и ниспадающая ветвь планковского спектра, и спектр радиоизлучения придётся описывать уже не законом Джинса, а законом Вина, дающим спад интенсивности излучения с ростом частоты, как у космических радиоисточников. Не зря вид спектра пульсаров и других ярких радиоизлучающих объектов очень напоминает спектр излучения тела с крайне низкой температурой и максимумом, сильно сдвинутым в низкочастотную область. Поэтому на частотах f<100 МГц, где начинается "завал" спектра пульсаров, становится видна и восходящая ветвь планковского спектра, описываемая законом Джинса S~f 2, ибо пульсары в этом диапазоне дают спектр вида S~f -б, где спектральный индекс б=-2 [6].

Рис. 5

А если эффект Ритца сдвинет спектральный максимум звезды в область высоких частот, то сильно вырастет излучение в рентгеновском и гамма-диапазонах, будто у тела с гигантской цветовой температурой Tc. Так, спектр рентгеновских вспышек барстеров идентичен спектру излучения тела с немыслимо высокой эквивалентной температурой Tc?7·107 K [6]. Вероятно, эта температура Tc, найденная из закона смещения Вина Tc=b/лmax,- лишь иллюзия от эффекта Ритца л'=л(1+Lar/C2), снизившего длину волны и повысившего в 103-104 раз частоту f теплового излучения звезды с температурой T?104 K. Эффект и перевёл излучение из оптики (f=1015 Гц) в рентген (f=1018-1019 Гц), пропорционально сжав длину волны лmax спектрального максимума и повысив расчётную температуру Tc в тысячи раз (рис. 6). Впрочем, и эти вспышки барстеров пытаются трактовать как проявление синхротронного и тормозного излучения электронов. Но, раз летящие по орбите звёзды сами генерируют такой спектр, что объясняет повторяемость вспышек и их огромную энергию (это энергия теплового излучения звезды), то зачем привлекать ещё и непонятно откуда взявшиеся сверхбыстрые электроны, крутящиеся в непонятно как возникших сверхсильных магнитных полях звёзд?

Рис. 6

Так же и рентгеновские пульсары - это, вероятно, простые звёзды, в ходе орбитального вращения трансформирующие свет в иные диапазоны по эффекту Ритца. Вот почему спектр рентгеновских пульсаров подобен спектру излучения простой звезды, но с максимумом, смещённым в синюю область [6]. Поэтому пики (гиролинии) на сплошном рентгеновском спектре пульсаров вызваны не синхротронным излучением электронов, а эффектом Ритца, сдвигающим оптические эмиссионные линии атомов в рентгеновский диапазон. То есть барстеры и рентгеновские пульсары блестяще подтверждают теорию Ритца. Да и другие источники мощного излучения неоптических диапазонов, включая вспышки сверхновых и чёрные дыры - это, видимо, обычные звёзды с трансформированным спектром. Не зря многие источники неоптических диапазонов (пульсары, барстеры, сверхновые, "чёрные дыры") давно отождествлены с простыми оптическими звёздами. Выходит, природа давно создала эффективные преобразователи оптического излучения в другие диапазоны. Теория Ритца предсказывает все эти источники, а также их характеристики, как прямое следствие зависимости скорости света от скорости источника, то есть как следствие преобразований Галилея. Они и преобразуют частоту и силу света, будучи применены к крутящимся по орбитам звёздам и планетам, играющим ту же роль, что крутящиеся зубчатые колёса в планетарных передачах, преобразующих частоту и силу вращения. В земных условиях из-за малых дистанций L обнаружить эффект Ритца гораздо сложнее. Но и в этом случае эффект был зафиксирован по эффекту Мёссбауэра, скажем в опыте Бёммеля и в опытах с крутящимися дисками [4, 7].

Итак, космические и земные наблюдения подтверждают эффект Ритца. Но возможности применения этого эффекта для трансформации частоты в земных условиях, казалось бы, ограничены ещё больше, чем у эффекта Доплера. Ведь для заметного эффекта в формуле f'=f/(1+Lar/C2) величина Lar/C2 должна быть порядка ±1, то есть на лабораторных расстояниях L?1 м нужно ускорение ar=C2/L?1017 м/с2. Светоизлучающие приборы не могут двигаться с таким ускорением, но его легко придать электронам, атомам и другим микрочастицам, которые могут либо сами быть источниками света, либо служить переизлучающими центрами (как в случае с "электронным зеркалом", рис. 2.в). Так, в поле E ускорение электрона a=Ee/m (e/m=1,76·1011 Кл/кг - удельный заряд электрона) достигнет нужной величины уже при E?106 В/м. Для ионов эта величина в тысячи раз больше: E?109 В/м. Такие напряжённости поля, и даже на порядки большие, легко достижимы [1, 2]. Значит, в земных лабораториях вполне можно построить трансформаторы спектра, аналогичные космическим [5, 8].

Рис. 7

По сути, такой трансформатор - это баллон, откачанный до сверхвысокого вакуума, куда заводится излучение импульсного лазера, которое следует преобразовать (рис. 7). Через прозрачный электрод (как в жидкокристаллических экранах) излучение попадает в конденсатор и выходит через отверстие в другом электроде. Между электродами сфокусированный лазерный пучок переизлучается пучком ионов или электронов, ускоряемых полем E?106-109 В/м. Далее оптическое излучение преобразуется по эффекту Ритца, свободно пролетая в вакууме путь L?1 м до переизлучающей пластины (она нивелирует разницу скоростей лучей света, завершая его трансформацию), и выходит из баллона преобразованным в радио-, терагерцовый, ИК, УФ, рентгеновский или гамма-диапазон, в зависимости от величины и направления поля. Частоту выходного излучения можно плавно перестраивать, меняя величину поля E и пролётную длину L, сдвигая пластину приводом винтов микрометрической подачи. Поскольку частицы не надо разгонять до V?C, а поле можно налагать в импульсном режиме, синхронизуя с импульсами лазера, то возможно эффективное преобразование оптического излучения в другой диапазон с высоким КПД. Ведь за время лазерного импульса даже при ar?1017 м/с2 частицы не успеют сильно разогнаться: энергия почти не тратится на их разгон.

В таком оптическом аналоге механической передачи, повышающей или понижающей частоту, роль зубьев и зубчатых колёс играют подвижные микрочастицы, электроны или атомы. Этот универсальный генератор, напоминающий перестраиваемый лазер (типа ВКР-лазера, параметрического лазера или лазера на красителях [2]), сможет выдавать и когерентное излучение любого диапазона (рис. 1). То есть открыт путь создания СВЧ-, терагерцовых, ИК-, УФ-, рентгеновских и гамма-лазеров, нужных в медицине, военной технике, исследовательской и диагностирующей аппаратуре. Для этого излучение надо уже не фокусировать, а впускать в баллон параллельным пучком, возможно, даже с коррекцией волнового фронта, а затем трансформировать в такой же параллельный пучок, но с иной длиной волны.

Электрическое поле в конденсаторе, ускоряющем электроны, можно создать и без высоковольтных генераторов, если подавать напряжение на электроды краткими импульсами, синхронно с импульсами лазера. Поэтому можно применить компактные высокочастотные трансформаторы напряжения, искровые разрядники и т.п. Высокие поля E можно получить и за счёт миниатюризации электродов. Так, возле острия с радиусом закругления r порядка микрона (10-6 м) напряжённость поля E~U/r достигает значений E~106 В/м уже при напряжении U=1 В. То есть трансформатор частоты может работать от простой батарейки, если фокусировать свет лазера точно перед остриём, окружённым электронами. Само остриё может служить эффективным источником электронов за счёт автоэлектронной и холодной эмиссии.

Впрочем, электрическую часть трансформатора и расходы на её питание можно вовсе исключить, если ускорять атомы и другие микрочастицы давлением света со стороны сфокусированного лазерного пучка на отдельные электроны, атомы или наночастицы, подвешенные в лазерном пучке (в световой ловушке). Ведь уже при фокусировке непрерывного лазерного излучения с мощностью 1 Вт на шарик размером в микрон, тот получит ускорение порядка 107 м/с2 [2]. Поэтому, если применить пикосекундные лазерные импульсы (длительностью порядка 10-12 с), где за счёт концентрации света во времени достигают пиковых мощностей излучения вплоть до 1012 Вт [1], то излучение, направленное на частицы меньших размеров (на электроны, атомы и наночастицы), вполне сможет сообщить им требуемое ускорение в 1017 м/с2. Тогда лазерный свет будет одновременно генерировать частицы (за счёт фотоэлектронной или ионной эмиссии [1, 2]), ускорять их, и за счёт переизлучения ими, трансформироваться по эффекту Ритца в иные диапазоны. Интересно, что эффект концентрации во времени (временной фокусировки) работает и в трансформаторе Ритца. Он ещё больше сжимает длительность импульса по эффекту Ритца, за счёт чего низкоэнергичное оптическое излучение преобразуется в высокочастотное рентгеновское: энергия в импульсе сохраняется, но длительность его сокращается, а мощность растёт.

Интересно, что подобный трансформатор ещё в 1950 г. разработал академик С.И. Вавилов (пионер нелинейной оптики), как раз имея в виду проверку баллистической теории. Он предлагал модулировать скорость пучка ионов за счёт быстрой перезарядки (быстрых изменений величины ускоряющего поля) и наблюдать, возникнут ли при этом предсказанные Ритцем нелинейные преобразования спектра и фазы световых колебаний [9]. Однако внезапная смерть Вавилова в 1951 г., незадолго до 60-летия, помешала ему построить установку. В этом с горечью признался его ученик А.М. Бонч-Бруевич, которому пришлось так видоизменить схему эксперимента, что не только не могли наблюдаться предсказанные Вавиловым эффекты БТР, но и сама баллистическая теория не могла быть проверена. Сейчас, когда техника шагнула далеко вперёд, проведение эксперимента Вавилова было бы весьма желательно, особенно с учётом потребности в эффективных трансформаторах частоты. А возможно, подобные трансформаторы излучения уже давно работают там, где электроны и ионы движутся с огромными ускорениями (в грозовых разрядах, в генераторах аттосекундных импульсов, синхротронах), однако генерируемое при этом рентгеновское и гамма-излучение интерпретируют как синхротронное или тормозное излучение электронов.

Итак, общая механическая основа движений света и микрочастиц открывает огромные возможности в плане трансформации световой энергии. Не зря баллистическая модель света и единство излучений разных частот с детства прививались нам иносказательным правилом для запоминания цветов спектра радуги: "Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан". Эта баллистическая аналогия насчитывает много тысячелетий: ещё в древнеиндийском эпосе "Рамаяне" радугу именовали "семицветным луком Громовника", то есть охотничьим или боевым луком Индры. Лук служил ему, так же как славянскому Громовнику-Перуну и античному Зевсу, для метания световых стрел-молний, используемых в эмблемах римских легионеров и российских войск связи. Тем самым баллистическая, стрелковая аналогия и световые стрелы связывают воедино прошлое и будущее, механику и оптику, оптическое и радиоизлучение. Поэтому открытая Ритцем единая механическая основа, взаимосвязь всех типов энергий, всех видов взаимодействий и излучений, позволит далеко продвинуться в их познании и практическом применении путём преобразования одних энергий в другие.

Литература

доплеровский космический конденсатор орбита

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

2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: МГУ, 1998.

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

4. Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. М.: Наука, 1972.

5. Семиков С. БТР и картина мироздания. Н. Новгород: Стимул-СТ, 2010.

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

7. Семиков С. Ключ к загадкам космоса // Инженер. 2006. №3; 2010. №8.

8. Семиков С. Преобразование электромагнитных волн в поле ускорений // Труды XIV конференции по радиофизике 7 мая 2010 г. Н. Новгород: ННГУ, 2010.

9. Бонч-Бруевич А.М. Сергей Иванович Вавилов в моей жизни // УФН. Т. 171. 2001.

Размещено на Allbest.ru