Физики впервые экспериментально измерили силу притяжения, которая действует на отдельные атомы цезия со стороны черного тела. Эта сила оказалась в несколько раз больше гравитационной силы и силы давления электромагнитного излучения, пишут авторы работы, опубликованной в Nature Physics.
Эффект теплового излучения тел при комнатной температуре, которое возникает за счет наличия у тела внутренней энергии, становится хоть сколько-то значимым при измерении очень маленьких сил. Например, при работе атомных часов это может привести к дополнительной ошибке в одну секунду в сто тысяч лет, что может примерно на три порядка понизить их максимальную точность. Тем не менее, в случае равномерного электромагнитного поля, этот эффект довольно незначителен. Однако несколько лет назад ученые показали, что в случае пространственно неоднородного распределения теплового излучения оно может приводить к возникновению силы притяжения, действующей на атомы, которая значительно превосходит эффект давления электромагнитного излучения, которое создается за счет поглощения фотонов, а также силу гравитационного притяжения.
Чтобы проверить этот эффект количественно, группа физиков из США, Великобритании и Австрии под руководством Хольгера Мюллера (Holger Müller) из Калифорнийского университета в Беркли экспериментально измерила силу притяжения, которая действует на движущийся атом цезия со стороны вольфрамового цилиндра сантиметрового размера. С помощью лазера атомы цезия охлаждали до температуры 300 нанокельвинов и запускали их в сторону нагретого вольфрамового цилиндра. Температуру цилиндра авторы исследования меняли в диапазоне от комнатной температуры до 170 градусов Цельсия. Движение атома цезия регулировалось с помощью последовательности лазерных импульсов разной фазы, разделенных интервалами в 65 миллисекунд. Атом цезия в такой системе ведет себя как волна и вся система работает как атомный интерферометр Маха — Цендера, который позволяет с помощью определения фазового сдвига с высокой точностью измерить действующую на атом силу.
Оказалось, что тепловое излучение со стороны цилиндра действительно приводит к притяжению атомов. Величина силы притяжения (она соответствует ускорению порядка одного микрона на квадратную секунду) как минимум в 10 раз превосходит силу гравитационного притяжения и силу давления теплового излучения во всем исследованном диапазоне температур. Кроме того, ученые установили, что сила пропорциональна четвертой степени температуры цилиндра, что полностью соответствует теоретическим оценкам.
По словам авторов работы, влияние этой силы притяжения необходимо учитывать во всех случаях, когда надо измерить очень маленькие силы с хорошей точностью, в частности при измерении тонких гравитационных эффектов, при интерферометрии и определении фундаментальных констант. По словам авторов, пока не очень понятно, в каких устройствах роль этой силы будет действительно важной, но они допускают, что в ближайшее время такие устройства появятся. Устройство, для которого учет влияния эффектов, связанных с тепловым излучением, важен уже сейчас — атомные часы. Сейчас их максимальная точность составляет 10-17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет, и такие часы работают как раз на основе молекулярных фонтанов из атомов цезия.
