Zvětšit obrázek

Umělecké ztvárnění interakce mezi černým tělesem a atomem. Kredit: M. Sonnleitner, et al. (2013), Phys. Rev. Lett.

Černé těleso je slavná hračka fyziků. Jako ideální těleso pohlcuje veškeré záření všech vlnových délek a zároveň je ideálním zářičem, který ze všech možných těles o dané teplotě vyzařuje největší množstvím energie. Záření Slunce se docela blíží záření černého tělesa o teplotě 5 780 K a reliktní záření zase odpovídá záření černého tělesa o teplotě 2,7 K. Vlastnosti záření černého tělesa závisejí na jeho teplotě a vždycky se mělo za to, že má ve svém výsledku odpudivý účinek. Jenže, co čert nechtěl, nedávno se objevila teoretická studie, podle níž záření černého tělesa vyvolává další sílu, která je přitažlivá a měla by překonávat odpudivé působení černého tělesa. Pokud to všechno platí, tak by atomy a molekuly měly být přitahovány k povrchu černého tělesa silou, pohotově nazvanou silou černého tělesa (blackbody force), která by dokonce  mohla být silnější než gravitace.

Matthias Sonnleitner. Kredit: University of Innsbruck.

Za objevem stojí Matthias Sonnleitner z Univerzity v Innsbrucku a jeho kolegové, kteří navázali na vědomosti staré minimálně půlstoletí. Tak dlouho se už ví, že záření černého tělesa způsobuje takzvané Starkovy posuny v energetických hladinách okolních atomů a molekul. Jejich základní stav se přitom posune na nižší hladinu o tolik energie, kolik odpovídá zhruba čtvrté mocnině teploty černého tělesa. Jinými slovy, čím více horké je černé těleso, tím větší vyvolává posun energetických hladin. Podle všeho se ale až doteď poněkud přehlížely důsledky těchto posunů.

Zvětšit obrázek

Křivky záření černého tělesa. Kredit: Silla University.

Sonnleitner a spol. spočítali, že Starkovy posuny vyvolané zářením černého tělesa mohou vyvolat přitažlivou sílu, která překoná odpudivý tlak záření. To by znamenalo, že černá tělesa, z nichž proudí záření, navzdory tomu spíše přitahují neutrální atomy a molekuly. Věčné přetahování mezi přitažlivou silou a odpudivým tlakem záření důvěrně znají laboratoře kvantové optiky, teď to vypadá, že jde o mnohem běžnější záležitost.

Zvětšit obrázek

Vesmírný prach. Kredit: N. Spring, NASA.

Vypočítaná přitažlivá síla vzniká kvůli tomu, že atomy a molekuly, jejichž základní energetické stavy se posunuly do méně energetických hladin, jsou přitahovány k oblastem s vyšší intenzitou záření. Těmi jsou v uvedené situaci černá tělesa. Pokud jde o intenzitu přitažlivé síly, tak podle Sonnleitnera a spol. tato síla slábne s třetí mocninou vzdálenosti od černého tělesa. Zároveň je tato síla větší pro menší tělesa a také roste s teplotou, tedy do určité míry. Od teploty několika tisíc Kelvinů se přitažlivá podoba síly mění na sílu odpudivou. Vědci ve své studii doložili, že na zrnka prachu při teplotě 100 Kelvinů působí síla černého tělesa mnohem víc, než gravitační síla, kdežto u hvězdy s povrchovou teplotou kolem 6 000 Kelvinů má gravitace nad sílou černého tělesa jednoznačně navrch.

Pokud to celé není nesmysl, tak má objev přitažlivé síly záření černého tělesa závažné důsledky pro řadu astrofyzikálních scénářů. Mohl by změnit například naše chápání interakcí částic mezihvězdného prachu a plynu, které jsou klíčové pro vznik hvězd i planet. Zřejmě ovlivní i budoucí uspořádání řady experimentů. Změření síly černého tělesa v laboratoři bude každopádně náročným počinem, protože za typických laboratorních podmínek by měla být velice slabá.

Literatura

PhysOrg 27.7. 2013. Physical Review Letters 111: 023601, Wikipedia (Black body).