синхротронное излучение

Газовая мишень похожа на воронку: чем круче её стенки, тем сильнее поток. Только в этой воронке течёт не вода, а ультрафиолетовый свет, который рождается, когда мощный лазерный импульс проходит сквозь облако аргона. Эффективность такого преобразования обычно ничтожна — около 0.001%: из тысячи фотонов лазера лишь один превращается в полезный ультрафиолет.

Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.

В затемнённой комнате между двумя проводами проскакивает электрическая искра — и на мгновение вспыхивает свет. Физики воспроизвели нечто подобное, но в миллион раз меньше: на границе двух прозрачных кристаллов они прочертили проводящую дорожку и оставили в ней разрыв шириной всего в несколько атомов. Когда на этот микроскопический зазор подали постоянное напряжение, он начал испускать свет.

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

Стрелок целится в мишень, нажимает на спуск — и слышит два выстрела: один громкий, другой тихий. Так работает новая установка, только вместо пуль — электронный сгусток, а вместо выстрелов — две вспышки света. Одна вспышка рентгеновская, другая — терагерцовая. Они летят в одну точку с идеальным интервалом.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

Стрелок целится в мишень, нажимает на спуск — и слышит два выстрела: один громкий, другой тихий. Так работает новая установка, только вместо пуль — электронный сгусток, а вместо выстрелов — две вспышки света. Одна вспышка рентгеновская, другая — терагерцовая. Они летят в одну точку с идеальным интервалом.

В 1994–1995 годах на ускорителе LEP (Large Electron-Positron collider) сталкивали электроны и позитроны, рождая Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия, которые почти мгновенно распадались на ливни частиц.

Синхротронный луч, генерируемый ускорителем, подобен мощной струе воды из пожарного шланга: он обладает высокой интенсивностью, но его поперечный размер слишком велик для прецизионных исследований микрообъектов. Чтобы рассмотреть крошечный образец, нужна тонкая игла, а не шланг.

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Вихрь в магнитном материале — это как водоворот, но вместо воды закручиваются направления намагниченности. Электрон, пролетая сквозь такой вихрь, чувствует не просто магнитное поле, а искривление пространства: его путь изгибается, словно он катится по воронке с узким горлышком.

Солнечная корона — внешняя атмосфера Солнца, разогретая до миллионов градусов. Механизм её нагрева остаётся загадкой. Один из кандидатов — крутильные волны: они закручивают магнитные силовые линии, подобно скручиванию резинового жгута. Такие волны недавно удалось зарегистрировать на новом солнечном телескопе имени Дэниела Иноуэ.

Маяк, который мигает не каждую секунду, а раз в несколько минут или даже часов. Именно так ведут себя долгопериодические радиотранзиенты — космические источники, открытые совсем недавно. Их сигналы слишком медленные для обычных пульсаров (быстро вращающихся нейтронных звёзд), но слишком мощные, чтобы их можно было списать на случайные помехи.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Электрон — не просто точечная частица. Это облако вероятности, размазанное в пространстве. Когда такое облако сталкивается с мощным лазерным импульсом, оно может испустить фотон высокой энергии — гамма-квант. И этот фотон бывает не обычным, а закрученным, словно штопор, несущим орбитальный угловой момент.

Если задеть гитарную струну точно посередине, она будет звучать только на нечётных обертонах — такой запрет накладывает симметрия колебаний. Аналогичный принцип работает в симметричных кристаллах: когда свет выбивает электроны, их ответное излучение содержит лишь нечётные гармоники. Но физики нашли способ обойти этот запрет, не сдвинув с места ни единого атома.

Камень падает в спокойную воду — и по глади расходятся ровные кольца. Если же камень не просто падает, а ещё и вращается, на поверхности появляются маленькие воронки — вихри. Свет умеет делать то же самое, только вместо воды — само пространство и время.

Радиоастрономия начиналась с таинственного шума, пойманного антенной Карла Янского, и ритмичных импульсов, которые Джоселин Белл Бернелл первооткрывательски назвала «зелёными человечками».

В 1956 году два радиотелескопа в Джодрелл-Бэнк уставились на Сириус, ловя не изображение, а дрожание интенсивности. Эксперимент Ханбери Брауна и Твисса (HBT) открыл удивительную вещь: корреляции приходящих фотонов способны рассказать о статистике источника — хаотичен ли он, как тепловая лампа, или когерентен, как лазер.

Загадка антивещества в космосе не давала покоя астрофизикам: откуда берутся позитроны, что снежинками оседают в детекторах? Ответ может прятаться в самом вездесущем гамма-фоне. Вселенная пропитана рассеянным светом — космическим фотонным фоном (CPB).

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

Сёрфер на доске скользит по глади океана, пока не приходит большая волна — и вот он уже летит вперёд. Примерно так же свободный электрон взаимодействует со светом: обычно обмен энергией едва заметен, но если среда вокруг начинает ритмично меняться, каждый гребень волны подталкивает частицу всё сильнее.

Ещё Джоселин Белл Бернелл, впервые зарегистрировавшая строгую периодичность радиосигналов, заметила, что некоторые импульсы внезапно пропадают. Сегодня мы знаем: переменность — не каприз, а голос сложнейшей электродинамики.

Когда электрический заряд движется с ускорением, он испускает электромагнитное излучение, то есть свет — это привычное явление в физике. Однако исследователи обнаружили, что при движении по специально подобранной траектории излучение приобретает необычные свойства.

Обычный диод в электронике работает как дорога с односторонним движением: ток идёт только в одну сторону. В сверхпроводниках, где электричество течёт без сопротивления, подобное поведение долго оставалось труднодостижимым — ток обычно симметричен. Авторы новой работы нашли способ создать идеальный сверхпроводящий диод с помощью света.

Свет в своей природе симметричен: в открытом канале он распространяется в обоих направлениях с одинаковой интенсивностью. Чтобы заставить его двигаться преимущественно в одну сторону, физики традиционно прибегают к помощи магнитных полей.

Многие чёрные дыры окружены магнитными полями. Вращаясь, дыра тянет за собой искривлённое пространство-время, словно маховик станка, и запускает космическую фабрику. Если магнитное поле наклонено к оси вращения, этот «конвейер» работает особенно эффективно: возникает электрическое поле невероятной мощи.

В кристалле нитрида бора идеальная атомная решётка местами нарушена: где-то атома не хватает, где-то его заменяет чужой. Под мощным микроскопом эти крошечные изъяны видны как ловушки для электронов — они захватывают частицы и начинают светиться, а ещё отзываются на магнитное поле.

Луч фонарика, направленный сквозь матовое стекло, с каждым лишним миллиметром толщины превращается в размытое пятно. Примерно так же ведут себя сцинтилляторы — материалы, переводящие рентгеновские лучи в видимый свет. Они лежат в основе медицинских снимков, досмотра багажа и детекторов на ускорителях.

Брошенный в пруд камешек рождает круги, что разбегаются во все стороны. А теперь вообразите, что сам пруд вдруг превращается в кисель, причём мгновенно, быстрее, чем волна успевает сделать один гребень. Часть кругов продолжит расходиться, но изменит шаг, а часть — неожиданно развернётся и побежит назад, к месту броска, словно время для неё потекло вспять.

Длинная узкая грядка требует полива, но шланг нельзя двигать — только воду включать и выключать. Если просто открыть кран, вода польётся сплошным потоком и зальёт всё сразу. А если быстро дёргать рычаг, можно посылать короткие порции воды — и каждая попадёт точно в свой участок.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Когда много возбуждённых атомов собраны вместе, они часто выстреливают светом согласованно — как толпа, которая аплодирует в такт. Это давно известное явление называется сверхизлучением Дике. Но авторы новой работы задались вопросом: что будет, если атомы не одинаковы и каждый ощущает своих соседей?

Свет от далёкой звезды — не просто ровный поток. Он колеблется, как волна, и может дрожать в разных направлениях. Обычно эти колебания неразличимы, но магнитар способен их рассортировать. Его поле настолько плотное, что действует как поляризационный фильтр: одна часть волны проскальзывает чуть быстрее, а другая застревает, будто бежит по колено в воде.

Прохождение света вблизи массивного тела, например чёрной дыры, сопровождается искривлением его пути — эффект, предсказанный Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

Световая карусель кружит не людей, а электроны. Только вместо деревянных лошадок — невидимые лопасти из света. Именно такую «карусель» построили физики, чтобы придавать электронам вращение. Обычно, чтобы закрутить поток электронов в вихрь, нужна крошечная маска — трафарет с прорезями, вырезанный на масштабе атомов. Изготовить её крайне сложно.

Солнечный ветер — поток заряженных частиц от Солнца — врезается в разреженный газ, заполняющий пространство между звёздами. При столкновении рождается слабое рентгеновское свечение. Для астрономов это как туман перед фарами: он мешает разглядеть далёкие объекты.

Фонарь светит сквозь густой туман. Свет рассеивается на каплях воды, и фонарь кажется размытым. Вокруг чёрной дыры происходит нечто похожее: горячий газ, как туман, окутывает её, а рентгеновские лучи из внутренних частей диска пробиваются сквозь это облако. Только «капли» здесь — электроны, а сам «туман» называют короной.

В глубине космоса быстро вращающаяся нейтронная звезда, пульсар по прозвищу Маяк, мчится сквозь разреженный газ. Словно катер, рассекающий воду, он оставляет за собой светящийся след из заряженных частиц. Этот след виден в рентгеновских лучах как яркий хвост и тонкая нить, растянувшаяся на многие световые годы.