Луч Тяготения: От Фантастики к Научной Реальности

Введение

Технологическое устройство

Тяговый луч — это устройство, способное притягивать один объект к другому на расстоянии. Эта концепция возникла в научной фантастике: термин был введен Э. Э. Смитом (как развитие его более раннего "притягательного луча") в его романе «Космические гончие» (Spacehounds of IPC, 1931). С 1990-х годов технологии и исследования направлены на то, чтобы воплотить эту идею в реальность, и на микроскопическом уровне некоторые успехи уже достигнуты. Менее распространенным является аналогичный луч, который отталкивает, он известен как луч-прессор или луч-репульсор. Гравитационные импульсы и гравитационные тяговые лучи традиционно относятся к областям исследований в маргинальной физике, которые пересекаются с концепциями тяговых и отталкивающих лучей.

1960-е годы

В июле 1960 года журнал Missiles and Rockets сообщил, что Мартин Н. Каплан, старший научный сотрудник, отдел электроники, авиационная компания Ryan Aeronautical Company, Сан-Диего, провёл эксперименты, обосновывающие планирование более масштабной исследовательской программы. В статье указывалось, что в случае успеха эта программа могла бы дать либо "ограниченные", либо "общие" результаты. "Ограниченные" результаты описывались как возможность направлять антигравитационную силу к другому телу или от него. В 1964 году копенгагенские физики Л. Гальперн из Университетского института теоретической физики и Б. Лоран из Нордического института теоретической атомной физики отметили, что общая теория относительности и квантовая теория допускают генерацию и усиление гравитонов аналогично принципу работы лазера. Они показали, что теоретически гравитационное излучение в виде пучка гравитонов может быть сгенерировано и усилено посредством индуцированного резонансного излучения.

1990-е годы

В 1992 году российский профессор химии Евгений Подклетнов и Ниминен из Тампереского технологического университета в Тампере, Финляндия, обнаружили колебания веса объектов над электромагнитно левитируемым, массивным, композитным сверхпроводящим диском. Три года спустя Подклетнов сообщил о результатах дополнительных экспериментов с тороидальным сверхпроводником в форме диска. Они сообщили, что вес образцов колебался в пределах от −2,5% до +5,4% при увеличении угловой скорости сверхпроводника. Определенные комбинации угловой скорости диска и электромагнитных частот приводили к стабилизации колебаний со снижением веса на 0,3%. Эксперименты с тороидальным диском показали снижение веса, достигающее максимума 1,9–2,1%. В отчетах об обоих экспериментах указывалось, что область уменьшения веса имела цилиндрическую форму и простиралась вертикально как минимум на три метра над диском. Осенью 1995 года были сообщены качественные наблюдения об изгнании (выталкивающей силе) на границе экранированной зоны. Итальянский физик Джованни Моданезе, будучи стипендиатом Фонда Гумбольдта в Институте физики Макса Планка, предпринял первую попытку теоретического объяснения наблюдений Подклетнова. Он предположил, что эффект экранирования и небольшая изгнание на границе экранированной зоны можно объяснить в терминах индуцированных изменений локальной космологической постоянной. Моданезе описал несколько эффектов, связанных с реакцией на изменения локальной космологической постоянной внутри сверхпроводника. Нинг Ву из Института физики высоких энергий в Пекине (Китай) использовал разработанную им в 2001 году квантовую калибровочную теорию гравитации для объяснения наблюдений Подклетнова. Теория Ву аппроксимировала относительную потерю гравитации как 0,03% (на порядок меньше, чем сообщаемый диапазон 0,3–0,5%). Несколько групп по всему миру пытались воспроизвести наблюдения Подклетнова об экранировании гравитации. С. С. Унникришан из Института фундаментальных исследований Tata в Бомбее (Индия) показал, что если бы эффект был вызван гравитационным экранированием, форма экранированной области была бы аналогична тени от гравитационного экрана. Например, форма экранированной области над диском была бы конической. Высота вершины конуса над диском изменялась бы пропорционально высоте экранирующего диска над землей. Подклетнов и Ниминен описали форму области уменьшения веса как цилиндр, проходящий через потолок над криостатом.

In 1992, Russian Professor of Chemistry, Yevgeny Podkletnov, and Nieminen, Tampere University of Technology, Tampere, Finland, discovered weight fluctuations in objects above an electromagnetically levitated, massive, composite superconducting disk. Three years later, Podkletnov reported the results of additional experiments with a toroidal disk superconductor. They reported the weight of the samples would fluctuate between −2.5% and +5.4% as the angular speed of the superconductor increased. Certain combinations of disk angular speeds and electromagnetic frequencies caused the fluctuations to stabilize at a 0.3% reduction. The experiments with the toroidal disk yielded reductions that reached a maximum of 1.9–2.1%. Reports about both sets of experiments stated the weight loss region was cylindrical, extending vertically for at least three meters above the disk. Qualitative observations of an expulsive force at the border of the shielded zone were reported in the Fall of 1995. Italian physicist Giovanni Modanese, while a Von Humboldt Fellow at the Max Planck Institute for Physics, made the first attempt to provide a theoretical explanation of Podkletnov's observations. He argued the shielding effect and slight expulsive force at the border of the shielded zone could be explained in terms of induced changes in the local cosmological constant. Modanese described several effects regarding responses to modifications to the local cosmological constant within the superconductor. Ning Wu, Institute of High Energy Physics, Beijing, China, used the quantum gauge theory of gravity he had developed in 2001 to explain Podkletnov's observations. Wu's theory approximated the relative gravity loss as 0.03% (an order of magnitude smaller than the reported range of 0.3–0.5%). Several groups around the world tried to replicate Podkletnov's gravity shielding observations. C. S. Unnikrishan, Tata Institute of Fundamental Research, Bombay, India, showed that if the effect had been caused by gravitational shielding, the shape of the shielded region would be similar to a shadow from the gravitational shield. For example, the shape of the shielded region above a disk would be conical. The height of the cone's apex above the disk would vary directly with the height of the shielding disk above the earth. Podkeltnov and Nieminen described the shape of the weight loss region as a cylinder that extended through the ceiling above the cryostat.

2010-е годы

Команда ученых из Австралийского национального университета во главе с профессором Андреем Роде создала устройство, похожее на тяговый луч, для перемещения мелких частиц в воздухе на 1,5 метра. Однако вместо создания нового гравитационного поля устройство использует лазерный луч Лагер-Гауса в форме пончика, который имеет высокоинтенсивное кольцо света, окружающее темное ядро вдоль оси луча. Этот метод ограничивает частицы в центре луча с помощью фотофореза, при этом освещенные участки частицы имеют более высокую температуру и, таким образом, придают больше импульса молекулам воздуха, попадающим на поверхность. Благодаря этому методу такое устройство не может работать в космосе из-за отсутствия воздуха. Тем не менее, профессор Род утверждает, что есть практические применения для устройства на Земле, например, транспортировка микроскопических опасных материалов и других микроскопических объектов. Джон Синко и Клиффорд Шлехт исследовали форму обратного лазерного движения в виде макроскопического лазерного тягового луча. Предполагаемые приложения включают в себя удаленное манипулирование космическими объектами на расстоянии до 100 км, удаление космического мусора и извлечение дрейфующих астронавтов или инструментов на орбите. Функционирующие тяговые лучи, основанные на соленоидной световой системе, были продемонстрированы в 2010 году физиками Нью-Йоркского университета. Спиральное распределение интенсивности в этих недифракционных лучах имеет тенденцию захватывать освещенные объекты и, таким образом, помогает преодолеть давление излучения, которое обычно бы двигало их вниз по оптической оси. Орбитальный угловой момент, перенесенный из спиральных волновых фронтов соленоидного пучка, затем движет захваченные объекты вверх по спирали. И Бесселев луч, и соленоидный тяговый луч рассматриваются для применения в исследовании космоса НАСА. В марте 2011 года китайские ученые предположили, что специфический тип лучов Бесселя (особый вид лазера, который не дифрактируется в центре) способен создавать эффект тяги на данную микроскопическую частицу, заставляя ее двигаться к источнику луча. Физическая основа – максимизация рассеяния вперед посредством интерференции радиационных многополюсов. Они явно показывают, что необходимым условием для реализации отрицательной (тягивающей) оптической силы является одновременное возбуждение мультиполей в частице. Если общая проекция импульса фотона вдоль направления распространения мала, возможна привлекательная оптическая сила. Китайские ученые предполагают, что эта возможность может быть реализована для оптической микроманипуляции. В 2013 году ученые из Института научных приборов (ISI) и Университета Сент-Эндрюса создали тяговый луч, который тянет объекты на микроскопическом уровне. В исследовании говорится, что этот метод может иметь потенциал для биомедицинских исследований. Профессор Земанек сказал: "Вся команда провела несколько лет, исследуя различные конфигурации доставки частиц светом". Доктор Брзобохати сказал: "Эти методы открывают новые возможности для фундаментальной фотоники, а также для применения в науке о жизни". Доктор Цизмар сказал: "Из-за сходства между оптической и акустической манипуляцией частицами мы ожидаем, что эта концепция вдохновит на будущие исследования в областях за пределами фотоники". Физики из Австралийского национального университета создали обратимый тяговый луч, способный переносить частицы "диаметром в одну пятую миллиметра на расстояние до 20 сантиметров, что примерно в 100 раз больше, чем в предыдущих экспериментах". По словам профессора Вислава Кроликовского из Исследовательской школы физики и инженерии, "демонстрация такого крупномасштабного лазерного луча – это своего рода священный Грааль для лазерных физиков". Работа была опубликована в Nature в 2014 году. В том же году доктор Хорст Пунцманн и его команда из Австралийского национального университета разработали тяговый луч, который работает на воде, и который можно использовать для сдерживания разливов нефти, контроля плавающих объектов или изучения образования трещин на пляжах. В 2015 году группа исследователей создала первый в мире звуковой тяговый луч, который может поднимать и перемещать объекты с помощью звуковых волн. Была выпущена инструкция по созданию собственного игрушечного акустического тягового луча. В 2016 году ученые Райского университета обнаружили, что катушки Тесла могут генерировать силовые поля, способные манипулировать материей (процесс, называемый теслафорезом). В декабре 2016 года исследователям удалось манипулировать движением бактериальных клеток с помощью тягового луча, тем самым открывая возможность того, что тяговые лучи могут иметь будущие применения в биологических науках. В 2018 году исследовательская группа из Университета Тель-Авива во главе с доктором Алоном Бахабадом экспериментально продемонстрировала оптический аналог знаменитого Архимедова винта, где вращение спирального лазерного луча передается на осевое движение оптически захваченных микроскопических, находящихся в воздухе, частиц на основе углерода. С помощью этого оптического винта частицы легко перемещались с контролируемой скоростью и направлением, вверх или вниз по оптическому потоку, на более чем полсантиметра. В 2019 году исследователи из Университета Вашингтона использовали тяговый луч для сборки наноматериалов в процессе, который они описывают как "фотонную нанопайку".

A team of scientists at the Australian National University led by Professor Andrei Rode created a device similar to a tractor beam to move small particles 1.5 meters through the air. Rather than create a new gravitational field, however, the device utilizes a doughnut shaped Laguerre Gaussian laser beam, which has a high intensity ring of light that surrounds a dark core along the beam axis. This method confines particles to the center of the beam using photophoresis, whereby illuminated sections of the particle have a higher temperature and thus impart more momentum to air molecules incident on the surface. Owing to this method, such a device cannot work in space due to lack of air. Still, Professor Rode states that there are practical applications for the device on Earth, for example, the transportation of microscopic hazardous materials and other microscopic objects. John Sinko and Clifford Schlecht researched a form of reversed thrust laser propulsion as a macroscopic laser tractor beam. Intended applications include remotely manipulating space objects at distances up to about 100 km, removal of space debris, and retrieval of adrift astronauts or tools on orbit. Functioning tractor beams based on solenoidal modes of light were demonstrated in 2010 by physicists at New York University. The spiraling intensity distribution in these non diffracting beams tends to trap illuminated objects and thus helps to overcome the radiation pressure that ordinarily would drive them down the optical axis. Orbital angular momentum transferred from the solenoid beam's helical wavefronts then drives the trapped objects upstream along the spiral. Both Bessel beam and solenoidal tractor beams are being considered for applications in space exploration by NASA. In March 2011, Chinese scientists posited that a specific type of Bessel beam (a special kind of laser that does not diffract at the center) is capable of creating a pull like effect on a given microscopic particle, forcing it toward the beam source. The underlying physics is the maximization of forward scattering via interference of the radiation multipoles. They show explicitly that the necessary condition to realize a negative (pulling) optical force is the simultaneous excitation of multipoles in the particle. If the total photon momentum projection along the propagation direction is small, attractive optical force is possible. The Chinese scientists suggest this possibility may be implemented for optical micromanipulation. In 2013, scientists at the Institute of Scientific Instruments (ISI) and the University of St Andrews created a tractor beam that pulls objects on a microscopic level. The study states that this technique may have potential for bio medical research. Professor Zemanek said: "The whole team have spent a number of years investigating various configurations of particles delivery by light. Dr. Brzobohaty said: "These methods are opening new opportunities for fundamental photonics as well as applications for life sciences." Dr Cizmar said: "Because of the similarities between optical and acoustic particle manipulation we anticipate that this concept will inspire exciting future studies in areas outside the field of photonics." Physicists from the Australian National University built a reversible tractor beam, capable of transporting particles "one fifth of a millimetre in diameter a distance of up to 20 centimetres, around 100 times further than previous experiments." According to Professor Wieslaw Krolikowski, of the Research School of Physics and Engineering, "demonstration of a large scale laser beam like this is a kind of holy grail for laser physicists." The work was published in Nature in 2014. In the same year, Dr. Horst Punzmann and his team at the Australian National University developed a tractor beam that works on water, which could potentially be used to contain oil spills, control floating objects, or study the formation of rips on beaches. In 2015, a team of researchers built the world's first sonic tractor beam that can lift and move objects using sound waves. A DIY instructables to build your own toy acoustic tractor beam was made available. In 2016, Rice University scientists discovered that Tesla coils can generate force fields able to manipulate matter (process called teslaphoresis). In December 2016, researchers were able to manipulate the movement of bacterial cells using a tractor beam, thereby opening up the possibility that tractor beams could have future applications in biological sciences. In 2018, a research team from Tel Aviv University led by Dr. Alon Bahabad experimentally demonstrated an optical analog of the famous Archimedes' screw where the rotation of a helical intensity laser beam is transferred to the axial motion of optically trapped micrometer scale, airborne, carbon based particles. With this optical screw, particles were easily conveyed with controlled velocity and direction, upstream or downstream of the optical flow, over half a centimeter. In 2019, researchers at the University of Washington used a tractor beam to assemble nanoscale materials in a process they describe as "photonic nanosoldering".

Кино и телесериалы

Звёздный путь (телесериалы, фильмы, книги и игры). Одно из самых известных и культовых воплощений этой концепции. Один из немногих заметных вымышленных примеров, где подобные лучи использовались многократно и последовательно именовались тяговыми лучами.