Ηχοφωταύγεια

Η ηχοφωταύγεια (Sonoluminescence) είναι το φαινόμενο της εκπομπής μικρής διάρκειας φωτεινών παλμών από φυσαλίδες που καταρρέουν μέσα σε κάποιο υγρό που διεγείρεται από ήχο.

Ιστορία

Το φαινόμενο ανακαλύφθηκε στο πανεπιστήμιο της Κολωνίας το 1934, ως αποτέλεσμα εργασιών για την ανάπτυξη του σόναρ. Οι Χ. Φρέντσελ και Χ. Σούλτες τοποθέτησαν ένα προβολέα (μορφοτροπέα) υπερήχων μέσα σε μια δεξαμενή με υγρό εμφάνισης φωτογραφιών, με την ελπίδα να επιταχύνουν τη διαδικασία εμφάνισης. Αντί αυτού, παρατήρησαν στο φιλμ μικρές κηλίδες, οι οποίες οφείλονταν στην εκπομπή φωτός από τις φυσαλίδες του υγρού, λόγω της διέγερσης από τους υπερήχους. Το φαινόμενο είναι δύσκολο να αναλυθεί και να εξηγηθεί ακριβώς ακόμη και μέχρι σήμερα. Παρόμοιο πείραμα φαίνεται ότι είχαν διεξάγει και οι Ν. Μαρινέσκο και Τζ. Τζ. Τρίλατ το 1933.

Το 1989, οι Φίλαϊπ Γκέιταν και Λόρενς Κρουμ, κατόρθωσαν να αναπαράγουν το πείραμα απομονώνοντας μία μόνο φυσαλίδα, παγιδευμένη σε κάποιο στάσιμο ακουστικό κύμα, παρέχοντας τη δυνατότητα της συστηματικότερης μελέτης του φαινομένου. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό της φυσαλίδας βρέθηκε να είναι εξαιρετικά υψηλή, περί τους 20.000 Κ , θερμοκρασία η οποία μπορεί να λιώσει ακόμη και χάλυβα.

Το 1991 οι Πάτερμαν και Μπάρμπερ παρατήρησαν επίσης λάμψεις διάρκειας picosecond από μία φυσαλίδα σε στάσιμο ακουστικό κύμα.

Το 1996, οι Λόζε και Χίλγκενφελτ, βασισμένοι στα πειραματικά ευρήματα των Χολτ και Γκέιταν (1996), κατέληξαν ότι η διάσπαση διατόμων διεξάγεται σε μία και μοναδική φυσαλίδα ηχοφωταύγειας.

Ο μηχανισμός του φαινομένου

Μια φυσαλίδα αέρα μέσα σε κάποιο δοχείο με υγρό (π.χ. νερό) εκτίθεται σε υπέρηχους. Τα κύματα κάνουν την φυσαλίδα να πάλλεται. Το μέγεθος της φυσαλίδας ξεκινά από 5 μm και επεκτείνεται στα 50 μm, μέγεθος κατά το οποίο στο εσωτερικό της φυσαλίδας επικρατεί κενό. Αυτή η περιοχή χαμηλής πίεσης περιβάλλεται από μια περιοχή πολύ υψηλότερης, που κάνει τελικά την φυσαλίδα να καταρρεύσει σε μέγεθος μεταξύ 0.1 και 1 μm. Στην διαδικασία αυτής της κατάρρευσης, από την φυσαλίδα εκπέμπεται ένας αστραπιαίος παλμός φωτός, κυρίως στην περιοχή του υπεριώδους αλλά παράγεται και αρκετό ορατό ώστε το φαινόμενο να είναι ορατό με γυμνό μάτι. Οι αστραπές φωτός διαρκούν περίπου 50 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου ή και λιγότερο, οι δε θερμοκρασίες στο επικεντρωμένο αυτό φαινόμενο ξεπερνούν αυτές της επιφάνειας του ήλιου.

Για την εξήγηση της ηχοφωταύγειας έχουν προταθεί πολλές θεωρίες μέχρι σήμερα: hotspot, ακτινοβολία πέδησης (bremsstrahlung), ακτινοβολία προερχόμενη από συγκρούσεις και εκφορτίσεις corona, non-classical light, φαινόμενο σήραγγας για πρωτόνια, ηλεκτροδυναμικοί πίδακες, fractoluminescent jets (μάλλον απορρίπτεται λόγω προσφάτων πειραμάτων), κτλ.

Από αριστερά προς τα δεξιά : εμφάνιση φυσαλίδας, αργή διαστολή, απότομη κατάρρευση, εκπομπή φωτός

Εξωτικές εξηγήσεις

Μία εξωτική θεωρία για το φαινόμενο συνδέει την ηχοφωταύγεια με την ενέργεια του κενού και το φαινόμενο Κάζιμιρ, μία διαδικασία παρόμοια με την ακτινοβολία Χόκινγκ που παρατηρείται στις μαύρες τρύπες.

Βιολογική-ηχοφωταύγεια (Biological sonoluminescence)

Το φαινόμενο της ηχοφωταύγειας παρατηρείται και σε ένα είδος γαρίδας (Pistol shrimp ή snapping shrimp). [1]

Αναφορές

• Putterman, S. J. "Sonoluminescence: Sound into Light," Scientific American, Feb. 1995, p.46. (Available Online)
• H. Frenzel and H. Schultes, Z. Phys. Chem. B27, 421 (1934)
• D. F. Gaitan, L. A. Crum, R. A. Roy, and C. C. Church, J. Acoust. Soc. Am. 91, 3166 (1992)
• M. Brenner, S. Hilgenfeldt, and D. Lohse, "Single bubble sonoluminescence", Rev. Mod. Phys., April (2002).
• R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, Jr. R. Nigmatulin, and R. C. Block, "Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation," Science 295, 1868 (2002). (see bubble fusion article for direct link)
• "Tiny Bubbles Implode With the Heat of a Star", New York Times article, registration and small fee may be required

Εξωτερικοί δεσμοί

• Buzzacchi, Matteo, E. Del Giudice, and G. Preparata, "Sonoluminescence Unveiled?" Quantum Physics, abstract (quant-ph/9804006). Thu, 2 April 1998 [ed. Single Bubble Sonoluminescence (SBSL)phenomenology.]
• Discussion of some different theories of sonoluminescence
• A how-to guide to setting up a sonoluminescence experiment
• Another detailed description of a sonoluminescence experiment
• A description of the effect and experiment, with a diagram of the apparatus
• An mpg video of the collapsing bubble (934 KB)
• Shrimpoluminescence Αρχειοθετήθηκε 2005-03-13 στο Wayback Machine.

Newer research papers largely rule out the vacuum energy explanation:

• quant-ph/9904013 S. Liberati, M. Visser, F. Belgiorno, D. Sciama:Sonoluminescence as a QED vacuum effect
• hep-th/9811174 K. A. Milton: Sonoluminescence and the Dynamical Casimir Effect