Наталья Беспалова «Учёные из Калифорнийского технологического института осваивают левитацию»

Поделиться в соц. сетях

 

Как известно, свет (поток фотонов) способен оказывать давление на материальные предметы. Слабое, но, тем не менее, тоже вполне материальное. То есть, в принципе светом можно предметы передвигать.

Впервые эту мысль высказал ещё в XVII веке Иоганн Кеплер, когда наблюдал, как отклоняется хвост кометы по мере её приближения к Солнцу. В XIX веке Джеймс Максвелл подвёл под неё прочную теоретическую базу, в 1900 г. Петр Лебедев впервые измерил величину  давления, а во второй половине XX века всерьёз задумались о том, чтобы создавать на основе этого эффекта инструменты, пригодные для применения на практике. И преуспели, создав солнечный парус и оптический пинцет.

Солнечный парус – приспособление, которое использует давление света на зеркальную поверхность, для приведения в движение космического аппарата.  Идея была предложена ещё Цандером в двадцатые годы двадцатого столетия, но до её практической реализации человечество доросло лишь в 80-е – 90-е. В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к Марсу. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 г., но, увы, не состоялся из-за финансовых сложностей. Тем не менее, в России солнечный парус был создан совместными усилиями НПО «Энергия» и Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики. В феврале 1993 г. парус, тончайшую зеркальную плёнку двадцатиметровой ширины, успешно развернули в космосе на борту корабля «Прогресс М-15» в рамках программы «Знамя». Но затем ряд неудачных экспериментов заставил отказаться от продолжения этой научной программы, да и время для российской науки тогда, признаться, было не лучшее. Первым аппаратом, использовавшим космический парус как двигатель, стал японский IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun, июнь 2010) . Его общая масса составляла 293 кг, а парус представлял собой четырёхлепестковую мембрану, квадратную со стороной 14 м. В мае 2015 г. в космос отправился американский частный спутник LightSail-1 и тоже успешно развернул свой парус. На ближайшее время планируется запуск спутника LightSail-2. Пока это лишь первые шаги, но учёные надеются, что в недалёком будущем солнечные паруса помогут зондам добираться до Юпитера и даже до других звёзд.

Оптический пинцет (лазерный пинцет, оптическая ловушка) —  инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света. Сфокусированный пучок света своим давлением способен удерживать крохотные (10 нм- 10 мкм) частички диэлектриков неподвижно в трёх измерениях. Это собственно и называется оптической ловушкой. Таким образом можно фиксировать или перемещать в нужном направлении очень маленькие объекты. За исследования в этой области было присуждено две Нобелевские премии: Стивену Чу в 1997 г. и Артуру Эшкину в 2018.

Наиболее широкое применение оптический пинцет нашёл в биологии и биофизике. С его помощью можно удерживать бактерию, чтобы внимательно изучить её органеллы, изменить расположение ДНК в клетке, чтобы узнать как это повлияет на её жизнедеятельности, отсортировать нужные исследователям клетки и многое, многое другое.

Но эти превосходные приспособления имеют свои ограничения. Солнечный парус должен иметь огромную площадь и очень маленькую массу, что не всегда удобно. С помощью оптического пинцета можно перемещать только совсем крохотные объекты. Как выяснилось, давление света можно использовать гораздо эффективнее. 18 марта 2019 г. группа учёных из Калифорнийского технологического института опубликовала результаты исследований, которые кажутся совершенно фантастическими.

Речь идёт о том, чтобы левитировать с помощью светового луча довольно крупные предметы. Для этого на поверхности объекта нужно создать особые структуры. Что-то вроде затейливого узора, невидного простым глазом из-за наноразмеров его элементов. Свет должен рассеиваться по поверхностям таким образом, чтобы создавать анизатропное (направленное) давление.

Принцип работы такого устройства в общем-то тот же, что и у оптического пинцета. Один из участников проекта, вспоминая об оптическом пинцете, сравнивает его с воздушной струёй от фена, с помощью которой вы пытаетесь переместить мячик для пинг-понга. Это не будет работать, если мячик слишком велик или фен расположен слишком далеко. Но в предложенном решении сложная конфигурация поверхности создаёт давление света, позволяющее перемещать  макроскопические объекты, чьи размеры измеряются  сантиметрами и даже метрами. Причём, источник света может быть очень далеко. Это немного похоже на то, как особая конфигурация создаёт под крылом самолёта давление воздуха, позволяющее многотонной машине оторваться от земли.

Возможно, не так далёк тот день, когда этот принцип ляжет в основу двигателей космических аппаратов нового поколения. Такие двигатели не требуют запасов топлива на борту и могут получать ускорение от наземного лазера.  Притом, они будут гораздо эффективнее солнечного паруса ранее разработанного образца. Примерно так, как самолёт эффективнее дирижабля.

Источник

В Подписаться на сообщество вКонтакте

Поделиться в соц. сетях

 

Оставить комментарий

Войти с помощью: