2013年,来自奥地利的几位物理学家提出了一种新的、与众不同的力,被称为“黑体力”(Blackbody force)。所谓的黑体是一种能够吸收外来的全部电磁辐射的不透明物体,在室温下会呈现为黑色,并且不会有任何的反射与透射。例如使用纳米管材料制造的梵塔黑涂层就很接近黑体。长久以来,科学家一直知道黑体会释放出黑体辐射,并且会排斥附近的小物体,比如原子和分子。
但是物理学家意外地发现,在理论上黑体辐射也会对这些物体施加吸引力。他们将这种力称为“黑体力”,它要比具排斥的辐射压更强,而且对于小的粒子来说,这种吸引甚至强过引力。
当黑体吸热导致释放黑体辐射时,辐射会使附近的原子和分子的能级产生位移。在这些“斯塔克位移”(Stark shifts)中,原子或分子的基态会转移到更低的能级,位移的程度大约正比于黑体温度的四次方。因此黑体的温度越高,位移越大。
过去,这些能量位移的潜在影响一直被忽视。而在2013年的研究中,物理学家第一次证明黑体辐射诱发的斯塔克位移可以结合以产生吸引力。因为原子和分子的基态被转移到更低能级时,它们就会被吸引到高辐射强度(即黑体)的区域。
物理学家还计算了黑体力的强度,并发现了一些有意思的事情。首先,黑体力会随着与黑体的距离呈三次方衰减。其次,物体越小,黑体力越强。最后,越热的物体,黑体力越强。
但是超过一定温度值时,吸引力就会变成排斥力。现在,另一组物理学家在《EPL》发表的一篇论文中从理论上证明黑体力不仅依赖于物体自身的几何,同时也取决于周围的时空几何和拓扑结构。在某些情况下,后者会显著地增加黑体力的强度。这项发现将有助于科学家更好的研究一些天体现象,比如行星和恒星的形成。
论文作者Muniz表示:“这项工作将2013年发现的黑体力进一步扩展,涉及到强引力源和奇异物质,比如宇宙弦。
”在新的研究中,物理学家研究了球形黑体和圆柱形黑体,并展示了时空的拓扑和局域曲率是如何影响其黑体力的。研究表明,与平直时空中的黑体相比,像中子星(其周围时空高度被弯曲)这种超致密球形黑体所产生的黑体力会被放大。这是因为引力改变了黑体的温度和附近原子和分子“看到”黑体的立体角。另一方面,在一个不那么致密的天体,比如太阳(其周围时空弯曲程度较弱),产生的黑体力就跟平直时空中的相近。
接着,研究人员研究了全局单极子(global monopole)的情况,并发现了不同类型的影响。全局单极子是一种可以改变空间全局性质的球形物体。对于其它球形黑体,时空影响来自引力,并且会随着与黑体的距离而减少,但对于全局单极子,影响来自拓扑性质,随着距离减少但最终会达到恒定值。
最后,物理学家还研究了圆柱形黑体的黑体力,围绕它周围的时空是局域平直的,他们发现温度不用进行引力校正,但是,对附近物体的角度会有影响。当一个圆柱形黑体变得无限薄,转变为假想的宇宙弦时,黑体力就会完全消失。总得来说,科学家希望新发现的几何和拓扑对黑体力的影响能够帮助阐明这种不寻常的力对宇宙的影响。
Muniz表示:“我们认为,由于超致密源导致的黑体力的增强能够影响跟它们相关的可探测现象,比如超高能量粒子的辐射,以及黑洞周围吸积盘的产生。黑体力也有助于探测到黑洞释放的霍金辐射,因为这些辐射服从黑体光谱。未来,我们将会继续研究在其它时空中黑体力的行为,以及额外维对它的影响。”