Přitažlivé světlo

O světelném větru už jsme slyšeli, první solární plachetnice dávno létá po vesmíru. Ale může světlo i přitahovat?

Může světlo působit na hmotu silou? Víme, že ano. Běžně se mluví o tlaku světla formujícím prachoplynné mlhoviny, kometární ohon je slunečním zářením vytlačován směrem od Slunce, sluneční plachetnice využívají tlaku záření ke svému pohybu, na zpomalených záběrech ze zkoušek laserových zbraní vidíme úlomky letící ve směru útočného paprsku... Všechny tyto jevy mají jedno společné: světlo působí na hmotu odpudivě, jako vítr, směrem od svého zdroje. Někdy to však může být i naopak.

Nejznámější aplikací, ve které světlo působí i jinými silami, než odpudivými, je optická pinzeta. Optická pinzeta je zařízení umožňující uchopit do fokusovaného laserového paprsku mikroskopický objekt o velikosti desítek nanometrů až jednotek mikrometrů. Síly, o kterých je řeč, měříme v pN (pikonewton - biliontina newtonu; jeden newton je síla odpovídající tíze stogramového závaží).

Princip není složitý. Světlo laseru dopadající na průsvitnou mikroskopickou kuličku se v opticky hustším prostředí láme a na rozhraní ohýbá. Paprsek tak doslova obtéká objekt, díky čemuž se následně rozbíhá. Na tom není nic zarážejícího, lom i ohyb světla na hraně jsou předmětem fyziky střední školy. Na co však ve škole neupozorní, je, že odbočující paprsky unášejí do strany část své hybnosti. Bez použití těchto učených pojmů si můžeme představit, že na mikrokuličce sedí mikrotenista odpinkávající okololetící fotony na stranu. Úder do balónku není zadarmo. Podle zákona akce a reakce zapůsobí na tenistu stejnou silou opačného směru. Když takhle odpinkává jeden foton za druhým na všechny strany, dostane se zákonitě do středu paprsku. Paprsek je vlastně optická past držící objekt jako v pinzetě. 

Jedna nejasnost zůstává. Aby paprsek kolem kuličky zahnul, musí se jí nějak přidržet, něčím se na chvíli přilepit. Kdyby neměl tuto schopnost, nedokázal by směr letu změnit. Vysvětlení spočívá v tom, že světlo je elektromagnetické vlnění. Má svou elektrickou a magnetickou složku. Elektrická složka samozřejmě působí na elektricky nabité částice. Nevadí, že mikroobjekt je elektricky neutrální. Jeho neutralita je způsobena stejným počtem záporných a kladných částic, které se zorientují ve směru elektrického pole. Dochází k tzv. polarizaci, částice se přitahují hlouběji do pole. To jsou ty síly, které drží kuličku uvnitř paprsku.

Jak jsme řekli, světlo je vlnění. Elektrická složka může kmitat nahoru-dolů nebo doleva-doprava. Při vhodné kombinaci těchto kmitů se může směr kmitání neustále stáčet, vlna se šíří po jakési spirále a my mluvíme o kruhové polarizaci. Použijeme-li kruhově polarizovaný paprsek, dokážeme na dálku přenášet i moment hybnosti na nesymetrické objekty, jinými slovy můžeme částice roztáčet. Díky tření přenášejí částice svůj pohyb na okolí, což vyvolává proudění. Tohoto efektu se využívá při konstrukci světlem řízených mikropump.

V současnosti je známo a aktivně využíváno široké spektrum modifikací tohoto principu. K dispozici jsou optické natahovače využívající vstřícných laserových paprsků, optické pikotenzometry k měření nepatrných sil v řádu pikonewtonů nebo ramanovská pinzeta kombinující mikromanipulační metody se spektroskopickými technikami, díky nimž můžeme měřit vibrační spektrum chemických vazeb bez nutnosti modifikovat vzorek fluorescenčními metodami. To je výčet pouze nejvýznamnějších aplikací. Není divu, že za objev optické pinzety sdílejí Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji a William D. Phillips Nobelovu cenu za rok 1997.

V nedávné době proběhl pokus, který potvrdil, že na polarizovatelné mikroobjekty může působit nejen  laserový paprsek, ale i širokopásmové záření absolutně černého tělesa, tedy třeba obyčejná rozpálená žárovka. Síly, které v takovém záření vznikají, působí směrem ke zdroji a mohou být dokonce silnější než gravitační síla (asi 20x) a překonají i radiační tlak. Ve výsledku se pak částice mohou pohybovat směrem ke zdroji, proti toku záření.

Manželé Ritschovi a M. Sonnleitner z Univerzity v Innsbrucku připravili následující pokus. Probíhal v evakuované nádobě s cesiovými atomy. Cesiové atomy byly pro pokus výhodné pro svůj nezájem o elektromagnetické záření. Pro záření o teplotě do 500K je cesium prakticky průhledné. Aby průběh pokusu nerušil ani tepelný šum, byly atomy vychlazeny laserem na pouhých 300nK. 

V horní části komory umístili experimentátoři absolutně černé těleso reprezentované dutým wolframovým válcem, který opakovaně zahřívali laserem na 460K a pak nechali šest hodin chladnout až na pokojovou teplotu, aby získali údaje v širokém teplotním rozsahu. Atomy cesia vynášeli vzhůru laserovými impulsy a nechali padat.

Naměřené hodnoty dobře souhlasily s teoretickou předpovědí. Tak, jako u optické pinzety vznikala optická past ohýbáním paprsků do strany, tady byly patřičné síly způsobeny blízkosti zdroje záření (při vzdálenosti zdroje 3.7mm nejdou paprsky rovnoběžně a dávají tak vzniknout mnoha mikroskopickým silám). Výsledná síla směřovala ke zdroji, klesala s třetí mocninou vzdálenosti a stoupala s rostoucí teplotou. Z výpočtů dále plyne, že při teplotě v řádu tisíců Kelvinů se síla vytrácí a později dokonce mění na odpudivou. 

Očekává se, že v blízké budoucnosti budeme muset přehodnotit některé modely procesů v prachoplynných mlhovinách. Ukazuje se, že nejmarkantněji se přitažlivé síly absolutně černého tělesa projevují u drobných prachových zrn a plynu. Takové síly by mohly mít zásadní význam při formování mlhovin a tvorbě planet. Zůstává otevřená otázka, jak se efekt projevuje v astrochemii. Efekt se dotkne všech metodik měření, kde se pracuje s nepatrnými silami. Typicky měření základních konstant, gravitace nebo testování teorie relativity.

Na závěr dobrá zpráva pro příznivce jachtingu na Sluncem poháněných plachetnicích. Sluneční plachetnice budou nadále urychlovány světlem pryč od Slunce. Při teplotách záření kolem 6000°C už přitažlivost mizí, nehledě na to, že ve vzdálenostech, ve kterých sluneční plachetnice mohou operovat, je již gradient záření zanedbatelný. 

Manipulace s mikroskopickými kuličkami pomocí optické pinzety; video je v reálném času