Серия «Физика»

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная

Предупреждение: данный пост содержит некоторое количество формул, однако, они вполне доступны для понимания даже школьнику, ничего сложного, обещаю!


Аршин, локоть, спан, ярд, фут, лига, метр, километр – за время своего существования люди придумали огромное количество единиц измерения (в частности –длины), каждая из которых была вполне естественной для современников, которые их использовали. Во времена, предшествовавшие промышленной революции, однако, у людей возникла необходимость в некоей стандартизации единиц измерения. Благодаря усилиям множества людей, сейчас, спустя почти 300 лет, мы имеем международную систему СИ, в которой единицы длины, массы, времени и прочих физических характеристик точно определены и привязаны к естественным природным константам. Осталось лишь несколько стран, не использующих в быту метрическую систему. Самая известная из них – США. Отдельные американцы даже находят в этом повод для некоей гордости, однако, мало кто из них знает, что американская система стандартов уже давно определяет значения ярда, фунта и прочих величин через переводные коэффициенты с единиц измерения СИ.

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Система единиц измерения, используемая нами в повседневной жизни, вполне нас устраивает. Мы все имеем прекрасное представление о метре, килограмме, секунде. Тем не менее, людям, которые занимаются научными изысканиями, этого мало, так как зачастую они исследуют объекты либо слишком огромные, такие как галактики, либо слишком малые – такие как атомы. Действительно, хотя мы и можем выразить размеры любого объекта через метры, используя приставки, мы уже с трудом понимаем, чем, например, пикометр отличается от аттометра. Подавляющее большинство из нас даже не сможет сказать, что больше, а многие – вообще не слышали о таких приставках.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк раздумывал, наверное, над чем-то подобным, потому и написал следующее:

Все до сих пор используемые системы единиц, в том числе так называемая абсолютная СГС-система, обязаны своим происхождением пока что случайному стечению обстоятельств, поскольку выбор единиц, лежащих в основе каждой системы, сделан не исходя из общей точки зрения, обязательно приемлемой для всех мест и времён, но исключительно исходя из потребностей нашей земной культуры…

Результатом его раздумий явилась работа, опубликованная в 1900 году, в которой он предложил систему единиц измерения…

…которые не зависели бы от выбора каких-либо тел или веществ и обязательно сохраняли бы своё значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных и нечеловеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве «естественных единиц измерений».

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Макс Планк - герой этого поста

Забегая вперёд, скажу, что данный труд впоследствии был использован в большей части теоретической физики, а большинство общепринятых в настоящее время единиц измерения выведены напрямую из системы измерений, названных в его честь: Планковскими единицами.

До чего же он додумался? Предлагаю вместе пройти по пути его рассуждений.

Представим, что у нас есть пара электронов на расстоянии r друг от друга:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Что будет происходить, если бы мы начали сводить эту пару электронов всё ближе и ближе друг к другу?


1. Поскольку электроны обладают массой, между ними будет иметь место сила гравитационного притяжения, стремящаяся их сблизить.

2. Так же, мы знаем, что электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому между ними будет иметь место электростатическая сила, расталкивающая их друг от друга.


Какая же из двух сил будет сильнее по мере их сближения (когда r → 0)? По закону всемирного тяготения, сила притяжения между двумя электронами будет выражена формулой:

Fg = G m₁ m₂ / r² – сила прямо пропорциональна произведению масс электронов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В нашем эксперименте, m₁ и m₂ одинаковы и равны массе электрона, которую можно просто обозначить m, и переписать уравнение так:


Fg = G m² / r²


Сила электростатического расталкивания определяется по закону Кулона по такой формуле:

Fe = Q₁Q₂ / 4 πε₀ r² – эта сила прямо пропорциональна произведению двух зарядов и так же – обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В данном случае, коэффициент пропорциональности задаётся ε₀ - электрическая постоянная (электрическая проницаемость вакуума). В нашем примере обе величины Q₁ и Q₂ равны e – заряду электрона, поэтому, формулу можно переписать так:


Fe = e² / 4 πε₀ r²


Посмотрим на отношение сил, чтобы понять, какая из них будет преобладать Fe / Fg = ? Запишем отношение:


Fe / Fg = e² / 4 πε₀ Gm²


Первое, что можно заметить, что сократилось, а это значит, что отношение двух сил никак не зависит от расстояния между двумя электронами и всегда будет одним и тем же (Хаха, нет! Но об этом позже). Зная значения всех элементов данного уравнения, подставив их и произведя расчёты, мы получим:


Fe / Fg = e² / 4 πε₀ Gm² ≈ 10⁴²


Иными словами, сила электростатического расталкивания превышает силу гравитации на 42 порядка! Чтобы полнее ощутить масштабы, запишу так:


Fe ≈ 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 * Fg.


Во столько раз гравитация слабее электромагнетизма, но именно гравитация была обнаружена первой. Почему? Потому что атомы, из которых состоит вещество, электрически нейтральны, положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов. Из-за нейтральности атомов мы просто не замечали исключительно сильное электромагнитное взаимодействие. Гравитация – другое дело. Насколько можно судить сейчас, такой штуки как «отрицательная масса» не существует (во всяком случае, до сих пор никому не удалось обнаружить ничего похожего), поэтому два тела, обладающих массой, будут всегда испытывать взаимное притяжение.


Упрощённая Ньютоновская модель позволила нам сделать вывод о том, что отношение сил электростатического расталкивания и гравитации вообще не зависят от расстояния между двумя электронами, но, к сожалению, реальный мир не всегда так прост, как наши математические модели. Как обычно, её величество квантовая механика всё портит.

Чем меньше становится расстояние между электронами тем сильнее проявляется роль принципа неопределённости Гейзенберга (подробнее можно почитать в этом моём посте) – чем точнее мы пытаемся определить положение электронов в пространстве, тем сильнее разброс в их импульсах, тем больше они «дрожат», а чем сильнее эта «дрожь», тем выше их энергия. В какой-то момент, эта энергия становится достаточной для того, чтобы создать новый электрон (принцип эквивалентности массы и энергии А. Эйнштейна, знаменитое уравнение E = mc²). На самом деле мы можем легко посчитать расстояние между электронами, при котором наступят подобные условия, скомбинировав уравнение Эйнштейна с неравенством принципа неопределённости Гейзенберга.


Запишем уравнение таким образом: если мы ограничиваем объект в определённой области пространства размера ∆x, неопределённость в импульсе такого объекта ∆p должна быть примерно больше ħ / ∆x:


∆p ≳ ħ / ∆x


(ħ – редуцированная Планковская константа – просто коэффициент преобразования между энергией фотона и его частотой. На данном этапе достаточно понимать, что это константа).


В нашем случае с двумя электронами ∆x = r – расстояние между ними (∆p ≳ ħ / r).

Если импульс объекта растёт, очевидно, что растёт и энергия данного объекта, поэтому мы можем выразить энергию в данном выражении, умножив обе части на скорость света (с):


∆E ≳ ħ c / r


Кто сомневается, может вспомнить, что импульс – это произведение массы на скорость, а произведение единиц импульса (кг•м/с) на скорость (м/с) даст вам выражение единицы энергии (Джоуля) по определению (1 Дж = 1 Н•м=1 кг•м²/с²).


Из этого соотношения мы видим, что при уменьшении r, ∆E будет увеличиваться. Эта как раз энергия той квантовомеханической «вибрации», которую мы упускали из виду, используя уравнения классической механики. Теперь, имея на руках это соотношение, мы можем «прикинуть», какому расстоянию между электронами будет соответствовать энергия, достаточная для создания массы электрона по уравнению Эйнштейна (∆E ~ mc²), где m – масса электрона. Иными словами, нам нужен ответ на вопрос, когда соблюдётся отношение:


r ≲ ħ / mc


Подставив известные значения констант и массы электрона, мы получим:


ħ / mc ≈ 10⁻¹³ м


Это расстояние меньше среднего размера атома, которое составляет примерно 10⁻¹⁰ м, но сильно больше размера ядерного ядра (10⁻¹⁵ м). Иными словами, полученная величина говорит нам о том, что если мы попытаемся сблизить два электрона на расстояние, меньшее 10⁻¹³ м, квантовая неопределённость в их энергии будет достаточной для создания нового электрона. То есть, на этом расстоянии уже нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни теорией относительности.

Но что будет, если мы будем продолжать сближать электроны друг к другу? Мы уже убедились, что согласно Гейзенбергу, с уменьшением расстояния ∆x растёт энергия ∆E, а согласно Эйнштейну, это эквивалентно добавлению массы в нашу систему. А раз гравитация у нас взаимодействует с массой, то расти будет и Fg (гравитационное притяжение между электронами)? С ростом массы, соотношение сил электростатического расталкивания и гравитационного притяжения уже не будет оставаться неизменной величиной, посчитанной нами ранее (10⁴²).


И так, следующий вопрос, на который нам надо найти ответ – при какой расстоянии между электронами гравитационное притяжение станет сравнимым с электростатическими силами, расталкивающими заряды по закону Кулона?


Для этого, мы просто должны выяснить, при каком значении m, выполнится данное условие:

Fe / Fg = e² / 4 πε₀ Gm² ≈ 1


Преобразуем уравнение к следующему виду:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Теперь, это значение массы можно преобразовать к энергии и подставить в выражение принципа неопределённости. После всех преобразований, получим:


r ≲ ħ / mc ≈ 10⁻³⁴ м


На этом расстоянии, гравитационное притяжение между электронами уравновесит силу их электростатического расталкивания, но что произойдёт, если мы продолжим уменьшать расстояние между электронами? Разумеется, гравитационное взаимодействие будет только увеличиваться, но будет ли это продолжаться всегда?


Оказывается, что нет. В дело снова вступит теория относительности и предъявит свой самый эффектный козырь – чёрную дыру. Здесь нужно чуть отвлечься от наших электронов и разобраться, какие условия вообще способствуют образованию чёрной дыры.

Давайте рассмотрим тело с малой массой m, расположенное на поверхности большего тела с массой M.

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Между этими двумя телами действует сила гравитационного притяжения, выраженная формулой:


F = G Mm / r²,


… и, чтобы оторвать малое тело от поверхности большого, мне необходимо совершить работу по преодолению этой силы. Если я удалю малое тело от большого на некоторое расстояние dr, я совершу работу:


dW = F dr = (GMm / r² ) dr


Но если мне потребуется понять, какую работу мне необходимо совершить, чтобы удалить малое тело на бесконечно большое расстояние, так как сила притяжения между двумя телами будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния между этими двумя телами – надо будет проинтегрировать:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

чтобы убедиться, что полная работа будет равняться:


W = GMm / r


По мере удаления m от M, тело будет набирать потенциальную энергию, и полная величина этой потенциальной энергии будет равняться полной проделанной работе.


Вооружившись этим знанием, я могу задаться вопросом, с какой скоростью мне надо подбросить m, чтобы оно вырвалось из области гравитационного притяжения M. Или, если перефразировать: какую скорость надо придать m, чтобы оно смогло удалиться на произвольно большое (бесконечное) расстояние от M?


Поскольку я только что посчитал, какая энергия необходима для этого, мне достаточно сообщить m такую же кинетическую энергию. Зная формулу кинетической энергии, получаю:


½ mv² = GMm/r


Решаем уравнение в отношении v (скорости) и получаем:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

в русскоязычной терминологии эта скорость получила название «Вторая космическая скорость» (скорость освобождения или скорость убегания). Для Земли эта скорость составляет приблизительно 11 км / с, а, например, для Юпитера – уже около 60 км / с.


Из формулы видно, что вторую космическую скорость определяют два фактора – масса тела и его радиус – большая скорость освобождения требуется не только при старте с массивного объекта, но и с более плотного (чем в меньший объём «упакована» масса, тем сложнее с неё улететь).


И следующий вопрос, которым может озадачиться пытливый ум – а что случится, если объект будет настолько плотным, что вторая космическая скорость для него сравняется со скоростью света? Такие объекты получили название «чёрная дыра», так как даже свет не может покинуть их окрестности. Уже зная формулу, мы можем просто подставить в уравнение скорость света и решить его для любой массы (плотности), а преобразовав его для r – получим уравнение радиуса, внутрь которого необходимо «упаковать» массу M, чтобы образовалась чёрная дыра:


Rs = 2GM / c²


Эту величину называют «Радиусом Шварцшильда», в честь немецкого физика Карла Шварцшильда, который впервые решил уравнения Эйнштейна для такого случая и, тем самым, предсказал существование чёрных дыр.


Так какое отношение это всё имеет к нашим электронам? Самое непосредственное. Мы уменьшаем расстояние между ними, масса системы растёт, а размеры уменьшаются. Рано или поздно мы «упакуем» их достаточно плотно, так, чтобы в этой области пространства сформировалась чёрная дыра. А, имея необходимые формулы, мы можем вычислить, когда это произойдёт.


Во-первых, мы можем оценить, сколько гравитационной массы содержится в системе из двух электронов на расстоянии r друг от друга (r ~ ħ / mc). И так же, мы только что посчитали, как радиус Шварцшильда связан с гравитационной массой (r ~ Gm/c²). Объединив эти два уравнения, мы увидим, что m сократится, а всё, что останется можно записать следующим образом:


Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Что примечательно, если внимательно приглядеться к этой формуле, можно заметить, что она целиком состоит из констант и никак не содержит никаких других параметров. Мы можем взять не только электроны, но и любые иные два объекта, и если мы уменьшим расстояние между ними до 10⁻³⁵ м, в данном объёме неизбежно возникнет чёрная дыра и на этом этапе мы больше не сможем извлечь никакой дополнительной информации из системы. Даже если вы захотите «вкачать» в систему ещё больше энергии, это приведёт лишь к росту этой чёрной дыры.


Мы подошли к фундаментальному пределу, точнее которого мы физически не в состоянии ничего измерить. Данный предел, по фамилии его первооткрывателя носит название Планковская длина. Это граница, где заканчиваются даже наши теоретические возможности познания пространства. Примечательно, что на данном пределе и квантовая механика и теория относительности становятся одинаково важны.

Тут человек, знающий историю научных открытий, может спросить – но ведь Планк опубликовал свои труды раньше, чем Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, да и до открытия принципа неопределённости было ещё далеко!


Поэтому сейчас мы пройдём по пути, пусть менее наглядному, но доступному Максу Планку в самом конце 19 века.


В наших выкладках можно увидеть постоянное использование 3 разных констант из трёх областей физики. Мы использовали постоянную Планка-Дирака (E = ħω) , основную константу квантовой механики; так же – скорость света (E = mc²), основную константу общей и специальной теории относительности, а так же Ньютоновскую универсальную гравитационную константу (F = G (m1m2 / r²). Здесь можно задаться вопросом – каковы фундаментальные, базовые единицы измерения для этих трёх констант?


Все возможные единицы измерения являются производными от 7 базовых:


Расстояние – метр, м

Время – секунда, с

Масса – килограмм, кг

Электрический ток – Ампер, А

Количество вещества – моль

Интенсивность света – канделла, Кд

Температура – кельвин, К

(четыре последних нас сейчас не интересуют, они приведены просто для комплекта)


Любая другая величина выражается через использование этих семи. Например, скорость выражается как расстояние, преодолённое за время (метры в секунду, м/с), ускорение будет выражено как изменение скорости за единицу времени (метры в секунду за секунду или м/с²)


Как же выражаются используемые константы скорости света, гравитационной постоянной и постоянной самого Планка?


Скорость света (с) – это просто – м/с.


Постоянная Планка-Дирака (ħ) уже сложнее – исходя из определения, видно, что она имеет в себе единицы энергии, разделённые на частоту ħ = E / ω, где в числителе мы имеем энергию (Джоуль – это сила * расстояние, или 1 Дж = 1 Н•м=1 кг•м²/с²), а в знаменателе – частоту ([ω] = [2πf]) = Гц (раз в секунду или с⁻¹). Совместив единицы, мы получаем единицы измерения постоянной Планка (ħ): кг*м²/с.


Ну и гравитационная постоянная (G) выражается следующим образом:


Раз F = Gm1m2/r², то G = F r² / m1m2, то есть кг * м³ * c⁻² / кг² или м³ / кг * c²


Теперь, зададимся вопросом, а можем ли мы при помощи этих констант выразить длину?


Именно этот вопрос задал себе Макс Планк более 100 лет назад. Можно ли при помощи этих трёх фундаментальных констант создать новую единицу измерения длины? Трюк, который он придумал – записывать их как произведение G в какой-то степени α, ħ в какой-то степени β и с в какой-то степени γ:


Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Тогда его задача сводилась к определению степеней α, β и γ, таким, чтобы комбинации:

[c] = м с⁻¹

[ħ] = кг м² с⁻¹

[G] = кг⁻¹ м³ с⁻²

сводились бы просто к метрам.

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Упрощаем:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Теперь, запишем левую часть уравнения в более подходящей форме:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Ну и теперь нам нужно просто сопоставить степени в левой и правой части уравнения, получив следующую систему:

0 = β – α

1 = 3 α + 2 β + γ

0 = –2α -β – γ


Первое уравнение говорит нам, что α = β, зная это , получаем:

1 = 3 α + 2 β + γ → 1 = 5 α + γ

0 = –2α -β – γ → 3 α = – γ


Следовательно, имеем α = 1/2 , β = 1/2, γ = – 3/2

Подставив значения степеней в формулу, мы обнаружим, что мы получили то же самое уравнение, что и раньше:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Планк не остановился на этом. Мы так же можем посчитать, а сколько массы нужно упаковать в этот объём, чтобы получить чёрную дыру. Нам всего только надо преобразовать полученное уравнение:


Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Эта величина получила название «Планковская масса».


Есть так же «Планковское время» – строго говоря, время, за которое свет проходит расстояние равное «Планковской длине» (5,3 * 10⁻⁴⁴ с), но у этой величины есть и другое значение. Помимо того, что это – кратчайший интервал времени, который в принципе имеет физический смысл, это так же и кратчайший интервал, дальше которого мы никогда не сможем проникнуть в исследовании условий большого взрыва. Период с момента возникновения нашей Вселенной до 5,3 * 10⁻⁴⁴ с так и называется – Планковская эпоха.


Концепция самого времени теряет физический смысл на интервалах, меньше планковского времени!


Очень часто можно слышать вопрос «А что было до Большого взрыва?». Правда в том, что время не существовало как концепция на протяжении всей Планковской эпохи, как и не существовало никаких «до» (см. пост Правды и кривды теории Большого взрыва.).


Теперь, уткнувшись в столь фундаментальный барьер, мы можем только гадать, является ли пространство-время непрерывным на любом интервале, мы лишь не можем ничего измерить на расстояниях, меньших Планковских, либо пространство-время дискретно, имеет «воксели» – мельчайшие кирпичики, и тогда самым наглядным аналогом подобной реальности станет популярная игра Minecraft, а пространства-времени в меньшем масштабе попросту не существует.

Показать полностью 14

Как работает зеркало?

Мало кто задумывался о том, как работает обычное зеркало. Ну да, в нём можно увидеть своё отражение, а ещё пускать солнечные зайчики, благодаря своей способности отражать свет. Мало кто из людей задумывается о механизмах, благодаря которым «работает» зеркало, и ещё меньше догадываются о том, насколько удивительным может оказаться столь обыденный предмет, если разобраться. Лично для меня эта «кроличья нора» оказалась неожиданно глубокой.


Что такое отражение?


Свет вообще-то отражают почти все материальные объекты в нашем мире (кроме, разве что, чёрных дыр). Мы говорим «я вижу предмет», что означает «на сетчатку моего глаза попал отражённый этим предметом свет». В то же время, не все предметы обладают свойством зеркала. Мы так и разделяем два типа отражений — зеркальное и диффузное (рассеивающее). В чём разница? Это мы проходим ещё в школе, где нам показывают примерно такую картинку:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

С объяснением вроде того, что угол падения равен углу отражения, с неровных поверхностей свет отражается под разными углами и рассеивается, зато вот с гладких поверхностей все лучи света отражаются под одним и тем же углом. Это правило вытекает из принципа, который сформулировал ещё Христиан Гюйгенс в конце 17 века, и дополнил Огюстен Френель в начале 19. Каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн (принцип Гюйгенса-Френеля).

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

То же в анимации:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Но почему вот, например, относительно гладкий лист бумаги нам видится белым, а весьма шершавый кусок железосодержащей породы обладает, как мы говорим «характерным металлическим блеском». И почему существуют прозрачные материалы, которые пропускают свет сквозь себя практически без изменений?

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Металлический блеск


Опустимся ещё глубже. Предметы состоят из атомов, так, наверное, это «одни атомы отражают, а другие пропускают сквозь себя лучи света»? (Физики, не спешите кидать в меня камни, я исправлюсь, обещаю!). При этом, какие-то лучи будут отражаться от внешних атомов, а какие-то будут проникать между ними и попадать в атомы, лежащие в более глубоких слоях:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

При этом, может сложиться так, что лучи света будут отражаться даже внутрь материала. И да, я ещё пока не упоминал волновую природу света. Абсолютно любой материал, без исключения, будь то зеркало, камень или стекло разделит падающий луч света на 2 неравные части — одна часть будет отражена, а вторая будет направлена внутрь материала. При этом, вторая часть может быть как поглощена данным материалом, так и пройти сквозь него практически без изменений.

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Для стекла, лишь малая толика света будет отражена, большая же часть пройдёт сквозь него. Для зеркала всё с точностью «до наоборот». То, насколько глубоко в материал проникнет свет, зависит, в основном, от 4 вещей: магнитной проницаемости материала, его диэлектрической проницаемости, частоты падающего излучения и, наиболее важного фактора — удельного электрического сопротивления материала. Так, например, в стекле (электрический изолятор) интенсивность светового пучка упадёт ниже 1% от первоначального примерно через 750 метров. Для серебряной амальгамы (отлично проводящей электрический ток) эта глубина составит всего около 7 нанометров (несколько десятков атомов). Комбинируя данные параметры можно создать и более экзотические материалы (о метаматериалах я писал в этом посте).


Интересующимся — формула:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Но тогда почему не все изоляторы прозрачны? Есть ещё один фактор, но для этого, надо нырнуть ещё глубже. Вспоминаем, что фотон — это волна, а не мячик, который может отскочить от поверхности. Фотон движется прямолинейно и не может изменить своей траектории относительно геодезических линий пространства(времени). Фотон никуда не отражается. Любой материальный объект (включая зеркало) может лишь поглотить падающий фотон, либо пропустить его сквозь себя.


Так что же происходит на самом деле? Давайте вспомним, как происходит взаимодействие атомов с квантами электромагнитного излучения (подробно разжёвано здесь). Каждый электрон в атоме находится в состоянии, которое можно описать 4 квантовыми числами, а если проще — имеет определённую энергию. Чем больше энергия, тем дальше от ядра она позволяет ему находиться, но есть одно условие — электрон не может находиться на произвольном расстоянии от ядра, как в здании с лифтом — нельзя находиться на этаже 3 ½, можно либо на 3, либо на 4, но не между ними. «Этажи» называются орбиталями и переход с одной на другую осуществляется мгновенно, без каких-либо промежуточных стадий. Если фотон с совершенно определённой энергией встретится с электроном, он будет поглощён, а его энергия позволит электрону подпрыгнуть на этаж выше. Про такой электрон говорят, что он возбуждён. Рано или поздно, возбуждённый атом «успокоится» и вернётся в исходное состояние, а, поскольку для этого необходимо будет отдать энергию, он отдаст её в виде нового фотона, у которого будет точно такая же энергия (частота) как и у поглощённого фотона. Но если энергии фотона будет недостаточно для того, чтобы электрон перескочил на следующую орбиту, то он просто пролетит мимо, а электрон останется на свой орбите. Также электрон останется на орбите и в случае, если фотон имеет слишком большую энергию. Для перехода электрона на другой уровень фотон должен обладать совершенно определенном количеством энергии.

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Поглощение и эмиссия фотонов


Определённые материалы прозрачны для определённой частоты излучения (как, например, стекло) из-за того, что энергии фотонов видимого диапазона недостаточно, чтобы возбудить электроны в атомах стекла, поэтому фотоны спокойно проходят сквозь них. При этом, один и тот же материал может быть прозрачным в одном диапазоне и непрозрачным в другом — так, например, стекло очень хорошо поглощает ультрафиолет.


Но данный механизм отвечает лишь за нагрев материала, на который попадает свет, так как перевыпущенный фотон будет, скорее всего, поглощён соседним атомом, через какое-то время, снова перевыпущен, и так дальше. Так светится нагретый металл, например. Исключением из этого правила может быть лишь такие явления как флуоресценция или фосфоресценция, когда интенсивность свечения материала значительно превышает интенсивность теплового излучения.

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолете


Для объяснения физики отражения нам, оказывается, вовсе не нужна квантовая механика, всё объясняется вполне классическим эффектом. Свет является электромагнитной волной, а сам атом имеет два электрических заряда — положительный в ядре и отрицательный в электронах. Что мы знаем о зарядах в магнитном поле? Они движутся под действием силы Лоренца. Атом начинает вибрировать с той же частотой, что и попадающий в него свет. А поскольку вибрация — это движение с ускорением, вспомним, что делает электрический заряд, движущийся с ускорением? Он начинает испускать фотоны. Именно эти фотоны и формируют отражённую электромагнитную волну.


При этом, разумеется, каждому отдельному атому и фотонам, которые ими испускаются, глубоко наплевать на правило «угол падения равен углу отражения». Излучение испускается во всех направлениях сразу. Только согласно принципу Гюйгенса-Френеля мы получаем в зеркале отражённое изображение.


На формирование отражения влияет множество факторов — расстояние между атомами, интервалы времени между поглощением и перевыпуском фотонов, резонансные частоты и многое другое. Чтобы не заморачиваться со всеми этими параметрами, люди объединили их влияние в один параметр — индекс рефракции. Его посчитали для всех известных материалов и занесли в таблицы и теперь при расчётах, связанных с оптическими системами, мы можем просто забыть об атомах и молекулах, достаточно знать лишь тип материала. Разумеется, каждый материал имеет индивидуальные характеристики поглощения и отражения для света разных частот, именно эта особенность материалов отвечает за наше восприятие цвета.


Подводя итог — свет на самом деле не отражается от зеркала. Зеркало поглощает падающий на него свет и испускает новый, точно такой же.

Показать полностью 9

Время, термодинамика и мозг Больцмана

Время – концепция, с которой мы все знакомимся, наверное, ещё до того, как научимся ползать, если не раньше. Однако, если попытаться дать определение понятию «время», мы столкнёмся с некоторыми трудностями. Это настолько фундаментальное понятие, что дать определение ему очень сложно. Обратимся к учёным. И так, время это:


– то, что измеряют часы (Альберт Эйнштейн, физик).

– то, что препятствует событиям происходить одновременно (Джон Уилер, физик)

– линейный континуум мгновений (Адольф Грюнбаум, философ)

– определённый период, в течение которого что-то происходит (медицинский справочник)

– континуум, лишённый пространственных измерений (Британская энциклопедия)

– форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения (Википедия)


Время не является чем-то, что можно увидеть или потрогать. Время – не просто измерение, характеристика или концепция, у времени, если подумать, есть множество аспектов, разных для разных людей. Единой и общепризнанной теории времени в настоящее время не существует. Физика рассматривает время как априорную характеристику мира, которая ничем не определяется.


Объекты и материя, с которой мы взаимодействуем в повседневной жизни, совершенно определённо не проявляют симметрию во времени (протекающие процессы имеют естественный временной порядок, и мы можем чётко проследить направление времени). Мы прекрасно можем интуитивно определить, в каком порядке были сделаны снимки этого яйца:

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Но объекты на микроскопическом уровне почти всегда обладают такой симметричностью. Проще говоря, если бы нам довелось смотреть видеозапись макро-процесса (разбивающийся стакан, к примеру) в обратном направлении, мы смогли бы в большинстве случаев распознать, что смотрим запись «задом-наперёд», однако, в микро-мире (взаимодействие молекул, атомов, элементарных частиц), однозначно сказать, в каком направлении протекает процесс на записи мы не сможем. В какой-то степени аналогией может служить запись упругого столкновения двух бильярдных шаров, отскакивающих после удара друг от друга.


Почти все фундаментальные физические законы, по которым развивается наша вселенная, не требуют указания направления времени. Они полностью симметричны относительно времени (это называется T-симметрия). Есть лишь одно исключение – второе начало термодинамики.


Мы говорим о времени, при чём здесь термодинамика?


В 1824 году французкий офицер Сади Карно опубликовал свою первую и единственную книгу под названием «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Это был, в сущности, анализ существовавших в то время паровых машин, КПД которых в то время не превышал 2%, а так же рассматривалась модель идеальной тепловой машины. В процессе своих умозаключений, Карно пришёл к выводу, что какое бы вещество ни использовалось в паровой машине в качестве рабочего тела, её КПД будет зависеть исключительно от разницы температур, в пределах которой работает машина.


Позднее, Немец Рудольф Клаузиус в 1850 году сделал дополнительное эмпирическое наблюдение: «Теплота не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более тёплому». Собственно, следствием этого наблюдения и является второе начало термодинамики. Ведь температура – это мера кинетической энергии молекул вещества, чем быстрее они движутся, тем более высоким будут показания термометра. Для наглядности возьмём бильярд, но допустим, что трение шаров о поверхность стола нулевое, а столкновения шаров – абсолютно упругие. Если на таком бильярде разбить пирамиду, то один быстрый биток передаст так или иначе свою энергию остальным шарам и они будут продолжать столкновения друг с другом и стенками до тех пор, пока скорости (импульсы) всех шаров не станут одинаковыми относительно друг друга.


И даже на уровне интуиции понятно, что в силу закона сохранения импульса, скорость ни у одного из шаров не может быть больше первоначальной скорости битка.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Если бы шары были молекулами идеального газа, то мы бы сказали, что система достигла термодинамического равновесия – то есть внутри этой системы невозможно дальнейшая передача энергии (при любом соударении, импульсы шаров не изменятся), соответственно, никакой работы эта система производить не может.


Чтобы иметь возможность количественно охарактеризовать степень близости системы к подобному состоянию, Клаузиус ввёл понятие «Энтропия», как меру количества микросостояний, в которые может перейти система. Если определённое состояние А системы может быть достигнуто большим числом способов, чем другое состояние Б, то и вероятность перехода системы в состояние А больше, чем вероятность перехода в состояние Б.


Чтобы было проще, давайте посмотрим на пару игральных костей. Данная система может иметь 11 различных макросостояний (сумма чисел на гранях от 2 до 12) и 36 микросостояний (индивидуальные значения каждой грани – 6 * 6). Есть лишь одно микросостояние, когда на костях выпадет 2, и 6 различных микросостояний, когда на костях выпадет 7. Соответственно, вероятность выпадения семёрки гораздо выше:

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Чем больше микросостояний (комбинаций возможных значений) у заданного макросостояния, тем выше энтропия, и наоборот. Если мы постоянно бросаем кубики, то система с большей вероятностью будет переходит в состояние с максимально возможной энтропией. Если же вместо 2 кубиков мы возьмём триллионы молекул газа, то вероятность перехода этой системы к хоть сколько-нибудь упорядоченному состоянию будет стремиться к нулю (однако, никогда не будет нулевой – это важно, но об этом чуть позже!)


При попытке сравнить энтропию с мерой беспорядка можно попасть во множество не совсем очевидных ловушек, так как следует осторожно подходить к определению беспорядка и всегда помнить, что энтропия измеряет не беспорядок, а количество микросостояний. Возьмём два стакана – один наполнен осколками льда, второй – просто водой.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Количество молекул воды в обоих стаканах примерно одинаковое, но беспорядочно-смешанные осколки льда кажутся нам более беспорядочными, чем ровный слой воды во втором стакане, однако, лёд накладывает ограничение на количество способов распределения молекул в стакане, а в воде таких ограничений нет, соответственно, энтропия больше у воды, чем у льда.


Наконец, в 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман вывел и доказал свою знаменитую H-Теорему: «При временной эволюции к равновесному состоянию, энтропия внешне замкнутой системы возрастает и остаётся неизменной при достижении равновесного состояния».


Стрела времени


Вернёмся ко времени. Время, как нам кажется, имеет направление. Мы живём в настоящем, наше прошлое находится позади нас, оно «фиксировано» и неизменно, доступно нашей памяти или письменным документам. Перед нами – будущее, которое мы можем предсказывать с переменным успехом, основываясь на нашем опыте и наблюдениях, но без всяких гарантий.


Большинство событий, свидетелями которых мы становимся, необратимы. Можно смешать сметану и борщ, но нет никакой возможности снова разделить их. Можно разбить вазу, но обратить процесс так, чтобы она снова стала целой – невозможно. Время кажется ассиметричным, и именно это наблюдение послужило отправным пунктом для концепции «стрелы времени», того, что даёт нам впечатление продвижения вперёд во времени мгновение за мгновением.


Идею стрелы времени рассмотрел и разработал британский астроном Сэр Артур Эддингтон в 1927 году. Интересовало его то, что та же самая «стрела времени» должна быть применима и к любой внеземной цивилизации на другом конце вселенной, поэтому восприятие направленности времени не имеет ничего общего с нашей физиологией или психологией.


Однако те, кто знаком с основными положениями теории относительности, знают, что реальность нашей вселенной может быть описана 4-мерным пространством-временем, и время на самом деле никуда не «течёт», оно просто «есть». Таким образом, восприятие стрелы времени в нашей повседневной жизни является не более чем иллюзией нашего сознания. По всей видимости, именно так наш мозг воспринимает нарушение Т-симметрии в макромире.


Во всех макро-процессах существует выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Чем больше порядок системы, тем сложнее восстановить его из беспорядка (тем больше требуется энергии).

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

У кого-то может возникнуть возражение – ведь, совершая работу по упорядочиванию какой-либо структуры, я тем самым уменьшаю энтропию. Данное возражение обычно возникает у тех, кто не делает разницы между открытой и закрытой системой. Открытая система свободно обменивается энергией с окружающей средой, что позволяет локально уменьшить энтропию за счёт ещё большего увеличения её во внешней среде (помните, что КПД больше 100% невозможен). По этой причине, например, вода может замерзать, образовывая сложные, упорядоченные кристаллы с более низкой энтропией. Но это происходит потому, что тепловая энергия передаётся окружающему воздуху, увеличивая его энтропию. Увеличение энтропии воздуха будет всегда больше, чем уменьшение энтропии воды.


Из второго начала термодинамики следует и неутешительный прогноз для всего, из чего состоит наша Вселенная. Если она является закрытой системой, то рано или поздно её ждёт состояние максимальной энтропии – полного термодинамического равновесия, в условиях которого уже не сможет протекать никакой процесс обмена энергией – тепловая смерть.


Хаос и флуктуации


Очень часто можно слышать термин «Второй закон термодинамики». Лично мне больше нравится термин «второе начало», так как, строго говоря, никакой это не закон, а всего лишь статистическое наблюдение, не более того. С вероятностной точки зрения даже самое маловероятное событие вполне возможно, а если при этом мы будем наблюдать систему неограниченно-долгое время, то любая вероятность, даже самая мизерная, будет стремиться к единице.


Статистический характер второго закона термодинамики указывает на то, что увеличение энтропии отражает наиболее вероятный путь изменений. Согласно формулировке самого Больцмана, «никакое неоднородное распределение, сколь бы маловероятно оно ни было, не является строго невозможным».


Для реальных систем, состоящих из большого числа частиц, очень высокая вероятность направления протекания какого-либо процесса практически означает его достоверность.


Однако и в таких системах всегда наблюдается в отдельных участках некоторые небольшие отклонения свойств от средних значений – колебания концентрации в растворах, плотности, давления, температуры и т.д. Такие случайные отклонения называются флуктуациями.


Наблюдаемая необратимость процессов в природе связана со стремлением систем к переходу в наиболее вероятное состояние, однако, в принципе, пусть с исчезающе малой долей вероятности, энтропия системы может и уменьшиться, а это значит, что ваза теоретически может спонтанно собраться в единое целое из осколков, а сметана с борщом случайно разделятся на два слоя. Если бы мы стали свидетелем подобного, то, скорее всего, мы бы это восприняли как движение во времени вспять, назад в прошлое.


Начало начал, происхождение вселенной


Зная всё это, невольно задаёшься вопросом, а каким образом наблюдаемая нами Вселенная «всего» каких-то 13,5 млрд. лет назад представляла собой систему с крайне низкой энтропией (состояние большого взрыва, когда вся она умещалась в одной бесконечно малой точке с бесконечно большой плотностью). Что это, тоже флуктуация?


В спорах вокруг попыток объяснить происхождение Вселенной было сломано немало копий. Здесь особенно сильно проявляют себя креационисты, заявляющие, что, коль скоро вероятность подобной флуктуации не просто низка, а настолько стремится к нулю, что человеческому воображению не за что зацепиться, чтобы сравнить эту исчезающе-малую вероятность хоть с чем-либо, то вполне логично напрашивается вывод о том, что наша вселенная была создана вследствие вмешательства какого-то внешнего агента (или, как они говорят «Создателя»).


Впрочем, есть среди креационистов и подвид, получающий меньше насмешек в свой адрес, однако, их позиция выглядит, в целом, нисколько не лучше, но и не хуже позиций классических креационистов. По их мнению, мы живём в некоей компьютерной симуляции (думаю, многие смотрели «Матрицу»). С моей точки зрения, автор данной симуляции является для нашей вселенной богом-творцом в понимании почти всех классических религий.


Есть, однако, и альтернативные теории. Например, теория о мультивселенной. гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая ту, в которой мы находимся). Популярной данная теория стала благодаря американскому физику Хью Эверетту, который сделал попытку интерпретировать квантовую механику наличием бесконечного множества различных параллельных миров.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Строго говоря, время – метрика лишь нашей вселенной, её пространства-времени. Мы не знаем ничего о том, что находится за её пределами. Космолог Макс Тегмарк высказал предположение, что любому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая вселенная. Это предположение, хотя и не поддаётся экспериментальной проверке, привлекательно тем, что снимает вопрос, почему наблюдаемые физические законы и значения фундаментальных физических постоянных именно такие (см. тонкая настройка Вселенной).


Если предположить, что в мультивселенной, которая может существовать вне времени, происходит неограниченное количество флуктуаций, каждая из которых порождает собственную вселенную, то нет ничего странного в том, что рано или поздно кубики выпали так, что создалась именно наша вселенная, именно с такими физическими законами, где именно так эволюционирует материя.


Российский астрофизик Николая Кардашёв (автор «Шкалы Кардашёва») предполагает, что, если гипотеза Мультивселенной верна, то наиболее развитые цивилизации покинули нашу Вселенную и переселились в другие, более подходящие для них.


Больцмановский мозг


Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Есть и другая возможность объяснения, довольно жуткая. Задумайтесь вот о чём, если мы допускаем, что рождение нашей вселенной – гигантская флуктуация (мой поклон братьям Стругацким), то образование одной только Солнечной системы при флуктуации вероятнее, чем образование целой Вселенной. А образование одного человека-наблюдателя вероятнее, чем образование целой Солнечной системы. А ещё вероятнее образование одного только мозга, чем целого человека. И в принципе, всё, что вы воспринимаете как объективную реальность, вся ваша память, чувства, планы, переживания, ваши представления об окружающем мире могут быть всего лишь плодом вашей же фантазии, а в действительности вы – лишь случайно сформировавшийся мозг.


Вообще, в попытках объяснить природу возникновения вселенной, мы не можем выйти за классические критерии научного метода, а именно – фальсифицируемости той или иной теории. Поскольку нет способов опровергнуть ни одну из этих теорий, все они, строго говоря, не научны. А уж во что верить – выбирайте сами.

Показать полностью 7

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы

Все из нас, наверное, знакомы с явлением преломления света (рефракции), когда при переходе из одной оптической среды в другую (например, при переходе из воздуха в воду), лучи видимого света изменяют своё направление. Многие даже знакомы с понятием коэффициента преломления – характеристики оптической среды, величина, равная отношению фазовых скоростей света (электромагнитных волн) в вакууме и в данной среде. Однако, задумывались ли вы, какими свойствами будет обладать материал, если коэффициент его преломления будет отрицательным?

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Материалы, проявляющие подобные свойства называются метаматериалы.


Приставка «мета-» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.


Одним из основных свойств метаматериалов является их возможность на макро-уровне манипулировать световыми или звуковыми волнами, либо изменять свои электромагнитные свойства.


Существует много теоретических сфер применения высокотехнологичных материалов.

Мы не будем касаться такой фантастической экзотики как компьютроний, нейтроний, странная или кварковая материя, а коснёмся лишь «обычных» метаматериалов, способных изменять свои акустические или электромагнитные свойства, ведь человечество уже начало использовать некоторые из них, а в принципе, подобные метаматериалы способны изменить нашу жизнь кардинальным образом.


Чтобы дальше не вдаваться в тонкости физики, нас интересуют в первую очередь такие свойства как магнитная и диэлектрическая проницаемость.


Магнитная проницаемость – характеристика материала, показывающая способность материала к формированию внутри себя магнитного поля, иными словами – степень магнетизации материала под воздействием внешнего магнитного поля.


Диэлектрическая проницаемость отвечает за скорость изменения электрического заряда при формировании электрического поля (при изменении электрического потенциала).


Данные свойства так же влияют на коэффициент преломления (рефракции) материала, и в целом, определяют характер их взаимодействия с электромагнитными полями.


Природные материалы имеют положительные по величине значения диэлектрической или магнитной проницаемости, в метаматериалах данные значения могут быть и отрицательными (к способам изготовления вернёмся позднее). В равной степени метаматериал может обладать и отрицательным коэффициентом преломления (причём, мы говорим не только о видимом свете, но так же и об инфракрасном, микроволновом и радио-диапазонах).

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Чтобы представить себе отрицательный коэффициент преломления, сначала представьте зеркало, отражающее свет из верхнего левого угла в нижний левый. Теперь, если мы заменим зеркало на расположенную горизонтально пластину метаматериала, мы получим тот же самый эффект.


Электродинамика сред, проявляющих отрицательный коэффициент преломления, была впервые изучена советским теоретиком Виктором Веселаго в 1967 году. Он предсказал многие свойства метаматериалов, которые появились лишь тремя десятилетиями позже.


Как они изготавливаются? Принцип создания подобного материала основывается на конструировании геометрически-упорядоченных «ячеек» из материалов с отрицательной магнитной или диэлектрической проницаемостью. Каждый индивидуальный элемент подобного материала не проявляет никаких особых свойств, однако, в целом, набор подобных ячеек начинает проявлять свойства метаматериала. Подобная ячейка должна быть меньше длины волны видимого спектра, и мы только сейчас начинаем подступаться к нанотехнологиям, способным конструировать объекты с подобной точностью. Неудивительно, что изначально такие метаматериалы были найдены для радиоволн и микроволнового диапазона, имеющего существенно большую длину волны в сравнении с длиной волны видимого спектра, однако уже в 2007 году были найдены метаматериалы, работающие и в оптическом диапазоне:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2007-01/dl-mft010407.php


Как уже было сказано, большинство природных материалов имеют положительную магнитную и диэлектрическую проницаемость, но есть и исключения. Ферриты, например, обладают магнитными свойствами ферромагнитного металла, и электрическими свойствами диэлектрика. Если скомбинировать крохотные ферритовые кольца с крохотными металлическими стержнями, мы можем добиться проявления свойств метаматериала.

https://cyberleninka.ru/article/v/printsipy-postroeniya-kompozitnoy-sredy-s-otritsatelnoy-magnitnoy-pronitsaemostyu


Чтобы понять, как это происходит, нужно понимать, что электромагнитная волна, проходящая сквозь металл, возбуждает электроны в атомах. Электрон выходит из своего стационарного положения. При смещении электрона возникает разность потенциалов между электроном и ионом, которые оказались разнесены. Разность потенциалов вызывает электрическое поле, которое стремится вернуть электрон в исходное состояние. В этом движении он приобретает инерцию и по инерции проходит своё стационарное состояние, оказываясь в противоположной стороне. Поле снова воздействует на него, но оно противоположного направления. Возникает колебательный процесс, при достаточно высокой частоте которого, металл приобретёт свойства диэлектрика, а электромагнитная волна проходит сквозь него, словно сквозь вакуум.

Крохотные стержни такого металла обеспечат нам отрицательную магнитную, а малые ферритовые кольца – отрицательную диэлектрическую проницаемость для той частоты электромагнитного излучения, которая нам нужна.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

https://www.iflscience.com/technology/beyond-invisibility-engineering-light-metamaterials/


Каждый из этих материалов по отдельности не сможет обеспечить нам отрицательный коэффициент преломления, но если их скомбинировать, получится «ячейка» метаматериала.


У нас теперь есть метаматериал, давайте посмотрим, что мы можем с ним сделать?


Представим, что нам необходимо сконцентрировать радиоволны на приёмнике. С метаматериалом, мы можем создать крохотную антенну, которая будет справляться с задачей не хуже, и даже лучше стандартной громоздкой конструкции. Более того, наша антенна может быть абсолютно плоской.


По сути, мы создали идеальную линзу, которая может фокусировать излучение, но может быть при этом абсолютно плоской и тонкой.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Чем большей миниатюризации мы добьёмся при изготовлении такой линзы, тем меньше длина волны, которую она сможет фокусировать.


Более того, мы можем тонко подстраивать нашу линзу лишь на интересующий нас диапазон частот (например, диапазон Wi-Fi 2,4 ГГц с длиной волны 12,5 см), а всё остальное – рассеивать. С такой линзой отношение сигнал/шум улучшается на порядки.


Ещё одним свойством метаматериала является возможность компенсировать эффект Доплера (https://arstechnica.com/science/2011/03/inverse-doppler-effect/), что сильно облегчит связь с космическими аппаратами, сигнал от которых приходит либо с красным, либо с синим смещением, в зависимости от направления движения. Например, немало головной боли доставила инженерам НАСА посадка зонда «Гюйгенс» на Титан (один из спутников Сатурна), когда огромная скорость его материнского корабля «Кассини» и торможение зонда об атмосферу Титана привело к сильному проявлению эффекта Доплера на канале связи между ними (http://www.thespacereview.com/article/306/1).

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

С метаматериалом мы можем заставить приёмник принимать сигнал с нужной нам частотой без эффекта Доплера.


Отрицательный коэффициент рефракции метаматериала подводит нас к ещё одному интересному направлению – военному. Возьмём современного солдата, который носит камуфляж, маскирующий его на местности в видимом диапазоне, однако, он ничего не может сделать с теплом собственного тела, которое его абсолютно демаскирует при наличии тепловизора.


В боевой обстановке, его подразделение не всегда осведомлено о том, где находятся «соседи», поэтому в военных конфликтах нередки случаи «стрельбы по своим». Электронное оборудование в его подразделении питается от тяжёлых батарей, которые он подзаряжает солнечными панелями. Для обеспечения спутниковой связи, нему необходимо направлять антенну в определённую точку на небе практически «на глаз». Возможности батарей не безграничны, а необходимость в шифровке и дешифровке сигнала дополнительно увеличивают расход энергии.


В военном деле широко используется разнообразная оптика и приборы ночного видения, а возможность приближения прямо зависит от размера линзы – чем лучшее разрешение требуется получить, тем большая линза вам нужна.


Теперь посмотрим, как может измениться жизнь этого солдата при помощи метаматериалов. Его камуфляж теперь делает его практически невидимым как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне, так как способен перенаправлять электромагнитные волны в требуемом направлении, при этом режим «стелс» не требует энергии. Разумеется, это не полноценный «плащ-невидимка» из Гарри Поттера, но заметность подобного камуфляжа намного меньше, чем у обычной ткани. Настолько меньше, что обнаружить подобного солдата будет проще по звукам, которые он издаёт либо при помощи эхолокации.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Транспондеры из метаматериала позволяют обеспечить надёжное опознавание «свой-чужой». Солнечные панели для подзарядки оборудования теперь имеют значительно меньшую массу и габариты. Получение сигнала со спутника теперь не потребует точного «прицеливания» антенны. Его оптика теперь позволяет добиться гораздо лучшего разрешения на большем расстоянии, его оборудование надёжно защищено от электромагнитных помех.


Не стоит, наверное, говорить, что подобные технологии помогают существенно снизить заметность не только живой силы, но и техники, особенно это важно для инфракрасного диапазона, так как множество вооружений наводится на цель именно по тепловому следу.


Но и в мирной жизни возможности для применения метаматериалов далеко не исчерпаны.

Ещё более замечательным свойством метаматериалов является возможность преодоления дифракционного предела в оптических системах, что позволит повысить разрешающую способность оптических микроскопов, создавать микросхемы нано-масштаба, существенно повысить плотность записи на оптические носители информации.


Там, где оптоволокно может заменить медный кабель, метаматериал может заменить оптоволокно, что приведёт к к более компактным, лёгким и энергоэффективным электронным приборам, антеннам и оптике.


Такой материал так же поможет существенно сэкономить место под расположение зеркал, а соответственно – увеличить мощность гелиотермальных электростанций.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

Применять метаматериалы можно не только там, где требуется манипуляция электромагнитными волнами. Те же принципы вполне можно применять и для акустических волн, даже проще, так как их длины вполне сопоставимы с нашими размерами (длина акустической волны различаемого человеческим ухом диапазона колеблется в пределах от 2 см до 20 м).


Шумовое загрязнение сейчас является серьёзной проблемой для крупных городов, а новые тонкие и лёгкие шумоизолирующие материалы помогут значительно улучшить жизнь населения. Своё применения акустические метаматериалы смогут найти и в таких обыденных приборах, как микрофоны и динамики, а в перспективе (поскольку при помощи звука можно и предметы двигать), можно вообразить узконаправленные звуковые линзы или защитные барьеры.

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериал, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии, Стелс-технологии, Длиннопост

В завершении хочется сказать, что мы пока только начали подступаться к технологиям создания метаматериалов, и не в состоянии охватить воображением полностью всё, где можно использовать метаматериалы, как не могли себе вообразить важность своих исследований первые экспериментаторы с полупроводниками, как не могли вообразить всего даже те, кто создавал из полупроводников первые транзисторы. Но метаматериалы – это не какой-то прожект из далёкого будущего, это технологии, которые войдут в повседневную жизнь быть может, уже следующего поколения.

Показать полностью 8

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации.

Радиация. Я лично знаю людей, которых это слово повергает в ужас. Смертельно-опасное явление, от которого нет ни спасения, ни защиты. Есть даже комплекс трудно поддающихся лечению психических расстройств под общим названием «радиофобия».

Бояться радиации люди стали не сразу с её открытием, а во многом, благодаря информационным кампаниям времён холодной войны. Авария на Чернобыльской АЭС добавила ужаса, и теперь находятся люди, всерьёз опасающиеся даже WiFi роутеров, параболических антенн (даже принимающих!) и вообще всего, у чего наблюдается антенна.

Есть и проверенное средство защиты — шапочка из фольги, которая, вопреки расхожему мнению, может быть даже стильной. Впрочем, защитные свойства подобного головного убора сильно преувеличены.

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Что же, радиация — одна из тех вещей, которая может вас убить (как и яд, огонь, взрывчатка, пуля, молния и электричество), и к ней надо относиться серьёзно, однако, точно так же, а, может быть, даже скорее, людей убивает их невежество и страхи.

Сегодня я хочу в деталях поговорить об этом явлении, которое точнее называть ионизирующим излучением. Оно называется ионизирующем, как нетрудно догадаться, потому что может являться причиной ионизации атомов вещества — потерей атомами своих электронов.

Явление радиоактивности случайно открыл француз Антуан Анри Беккерель. Подробности открытия можно найти в интернете, однако, «случайность» здесь — немного неуместное слово. После открытия Рентгеном своих Х-лучей, открытие радиоактивности в природных веществах было лишь вопросом времени. Важным для нас является более позднее исследование нового вида лучей, а именно — разделение их на три вида в электрическом поле:

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Поскольку в тот момент никто понятия не имел, с чем имеет дело, разным типам излучения дали просто названия по буквам греческого алфавита: положительно-заряженным лучам, которые притягивались к отрицательно-заряженной пластине дали название «альфа», отрицательно-заряженным – «бета», а нейтральным (которые не отклонялись — «гамма»).

Есть и другие виды радиации, но к ним мы вернёмся чуть позже, а пока разберём по порядку эти:

Альфа-излучение — поток «альфа частиц», которые по сути являются ядрами гелия-4 и состоят из 2 протонов и двух нейтронов.

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Альфа-частица — это сравнительно тяжёлая и сравнительно медленно-движущаяся частица, которая испускается в процессе так называемого «альфа-распада», когда тяжёлое атомное ядро может спонтанно «отпустить» погулять на волю 2 протона, «сцепленные» с двумя нейтронами. При этом массовое число ядра, внезапно закономерно, уменьшается на 4, а атомный номер — на 2. Альфа-распад свойственен почти всем тяжёлым элементам. Чтобы вырваться из цепких лапок сильного ядерного взаимодействия, альфа-частица должна «телепортироваться» (совершить туннельный переход) за пределы его действия — процесс этот абсолютно спонтанный и непредсказуемый, так что предсказать точно, когда именно произойдёт альфа-распад, мы не можем, однако, он обязательно произойдёт.

Что радиофобу необходимо знать об альфа-излучении — во-первых, встретиться с ним хоть в сколько-нибудь значимых количествах довольно сложно (если вы не работаете, разумеется, с большим количеством радия, тория, урана или плутония). Ещё вам нужно знать, что в силу того, что альфа-частицы движутся относительно медленно и имеют относительно крупный размер, они задерживаются практически любой преградой (даже простой лист бумаги на пути потока альфа-частиц полностью его остановит).

Неприятной новостью является то, что по степени биологической опасности, альфа-излучение в силу тех же причин оказывает наиболее разрушительное воздействие на клетки живого организма. Особенную опасность они будут предоставлять, если вы вдруг вдохнёте пыль, излучающую альфа-частицы, поэтому я настоятельно рекомендую носить респиратор в местах, где подобная пыль хотя бы теоретически может содержаться, и никогда не пить чай с полонием!

Бета-частицы на поверку оказались старыми добрыми электронами, которые образуются в процессе который ВНЕЗАПНО называется «бета-распад». За него у нас отвечает слабое фундаментальное взаимодействие. Представьте себе, одному нейтрону в ядре атома наскучило быть нейтроном. Тогда он превращается в протон, а отрицательный электрический заряд уносится вместе с родившимся в процессе электроном (ещё рождается анти-нейтрино, но оно нам абсолютно не опасно, так как практически никак не взаимодействует с веществом).

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Где можно встретить бета-лучи? В природе в чистом виде — практически нигде (разве что внутри старого кинескопа), однако, там, где есть радиоактивные материалы, они будут испускаться наравне с альфа-частицами. Есть, впрочем, такие элементы как прометий, криптон и стронций, которые можно назвать более активными излучателями бета-частиц.

Что о бета-излучении надо знать радиофобу — то, что их свободный пробег в воздухе весьма ограничен. Он, конечно, зависит от скорости, которая колеблется от 0,3 до почти скорости света, но дело в том, что преодолеть в свободном полёте электрон сможет лишь метра два, никак не больше. А внутрь организма человека он сможет проникнуть не дальше, чем на 2,5 см. Опять, таки, если не есть, не пить и не дышать ничем радиоактивным, бета-лучи нам «подарят» всего лишь ожоги разной степени тяжести. Берегите глаза! Защитой может служить лист алюминия или даже плексигласа, но в целом, бета лучи являются самым безобидным видом ионизирующего излучения.

Следующим, и, наверное, самым гадким из видов излучения, является не «гамма», как можно было ожидать, а нейтронное излучение. Как следует из названия, данный вид излучения представляет собой поток нейтронов. Почему она самая гадкая? Потому что, от неё очень сложно защититься. Нейтрон не имеет электрического заряда, поэтому имеет очень высокую проникающую способность.

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

К счастью, в природе данный вид излучения встречается редко, однако мы, люди, научились производить их в достаточном количестве. Дело в том, что вылетом нейтрона сопровождается практически любая ядерная или термоядерная реакция. Противного в нейтронном излучении является несколько факторов: против человеческой интуиции, менее плотные вещества гораздо лучше задерживают нейтроны, чем более плотные — так слой обыкновенной воды защитит вас от потока нейтронов лучше, чем слой свинца такой же толщины. Для защиты от потока нейтронов используют вещества, которые склонны хорошо их поглощать. Чем медленнее движется нейтрон, тем больше вероятность его поглощения, поэтому, если мы имеем дело с быстрым нейтроном, его для начала лучше замедлить.

Быстрые нейтроны плохо поглощаются любыми ядрами, поэтому для защиты от нейтронного излучения применяют комбинацию замедлитель-поглотитель. Наилучшие замедлители — водородсодержащие материалы. Обычно применяют воду, парафин, полиэтилен. Также в качестве замедлителей применяют бериллий и графит. Замедленные нейтроны хорошо поглощается ядрами бора, кадмия.

Но на этом прелести нейтронного излучения не заканчиваются. Представьте, что происходит с ядром стабильного атома, в который врезается нейтрон. Почти всегда, вне зависимости от того, как именно был захвачен нейтрон, ядро становится нестабильным (т. е. — радиоактивным). Такой изотоп может «фонить» ещё годы, если не десятилетия, даже после того, как само нейтронное излучение прекратилось. Данный феномен называется «наведённая радиоактивность».

Нейтроны загрязняют материалы, из которых сделаны ядерные реакторы, ещё больше загрязнение будет в термоядерных установках (практически любая реакция синтеза выделяет нейтрон — потому-то и говорят много о гелии-3, которого много на Луне и мало на Земле, если его использовать как термоядерное топливо, то выход нейтронов из этой реакции будет минимальным). При строительстве реакторов стараются избегать использования таких материалов, как, например, никель, серебро, молибден или висмут — они при облучении нейтронами дают изотопы с периодом полураспадада, исчисляющиеся тысячами лет. В то же время, такие материалы, как титан, вольфрам, марганец или хром — наоборот, дают изотопы, которые потеряют активность уже через несколько десятков лет (успокаивает, не правда ли?).

Поскольку поглощение нейтронного излучения сопровождается гамма-излучением, необходимо применять многослойные экраны из различных материалов: свинец-полиэтилен, сталь — вода и т. д.

Гамма-излучение — то же электромагнитное излучение, что и видимый свет, только с намного меньшей длиной волны и, соответственно, — большей частоты. Малая длина волны обеспечивает отличную проницаемость сквозь практически любой материал. В природе мы получаем гамма-кванты из тех же источников, что и в случае с альфа- и бета- излучением, то есть — в качестве продукта радиоактивного распада. После эмиссии альфа- или бета- частицы, ядро может находиться в возбуждённом состоянии. При переходе электронов в ядре в более низкое энергетическое состояние, они избавляются от избытка энергии, испуская фотон, обычно в гамма-диапазоне. Гамма-излучение так же сопровождает почти любую ядерную или термоядерную реакцию.

Чем опасно — если не попадать под него напрямую, то ничем. Разве что может нагреть материалы, которые были у него на пути. Если же подставиться под пучок гамма-квантов, то можно получить загар. Причём, так как ни кожа, ни мышцы гамма-излучение не останавливают, то загар внутренних органов, которые для этого не совсем приспособлены.

Как защититься? Толстым слоем свинца, бетона, хоть обеднённого урана — в целом, принцип такой — чем плотнее вещество, тем лучше. 1 см свинца здесь будет эквивалентен 4 см гранита, 6 см бетона или 9 см грунта.

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Гамма-излучение — один из первых претендентов на уничтожение всего живого на нашей планете. Нет, люди со своими ядерными петардами здесь вовсе ни при чём. В космосе то и дело (наши спутники фиксируют их с частотой около 1 раза в сутки) происходят титанические выбросы гамма-излучения, природа которых не до конца ясна. Нам пока везет, что подобные события происходят довольно далеко от нас и пик интенсивности не направлен на нашу планету. Однако, если подобное событие произойдёт где-нибудь поблизости (в пределах 10 световых лет, например), энергия будет эквивалентна взрыву 100 ядерных бомб на каждом квадратном километре земной поверхности, даже если это произойдёт на расстоянии в 100 раз больше, то это будет равносильно взрыву 1 бомбы на квадрат со стороной 10 км. Успокаивает одно — мы вряд ли успеем что-нибудь увидеть или почувствовать, случись вдруг такое.

Дозы

Учёные придумали большое количество единиц измерения радиоактивности. Я перечислю только часть из них: рентген, рад, грэй, кюри, беккерель и даже такие экзотические, как «банановый эквивалент». В той или иной степени они отвечали потребностям учёных, однако они не являются универсальными, а главное — плохо информируют о степени биологического вреда, который может причинить то или иное излучение. В системе Си для этих целей имеется своя единица, определённая, как 1 джоуль полученной с излучением энергии, на 1 килограмм биологической ткани. Данная единица получила название в честь шведа Рольфа Зиверта.

Но не всё с Зивертом так просто, как может показаться. Раньше (а иногда и сейчас) использовалась единица бэр (биологический эквивалент рентгена), англ. rem (roentgen equivalent man) — устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. 100 бэр равны 1 зиверту. Также верно, что 100 рентген = 1 зиверт с оговоркой, что рассматривается биологическое действие рентгеновского излучения (или другого фотонного излучения, например, гамма-к=излучения).

Что здесь надо знать — что дозы бывают разными:

Поглощённая доза — тупо характеризует, сколько джоулей энергии было передано излучением веществу (любому). Её можно измерить объективно, измеряется в джоулях на килограмм и имеет название грей.

Эквивалентная доза. Не все излучения одинаково полезны. По воздействию на человеческий организм, равная поглощённая доза разных видов излучения наносит разный вред живым тканям. Для учёта данного вреда выражает биологический эффект облучения живого организма. Считается так же, как и поглощённая доза, однако потом домножается на специальный коэффициент (коэффициент качества, Q factor) самого излучения:

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Здесь стоит обратить внимание на нейтроны. Может показаться, что чем больше энергия нейтронов, тем они будут вреднее, однако, это не совсем так. Наиболее вредными являются нейтроны с энергией около 1 МэВ, более быстрые нейтроны имеют тенденцию пролетать вас насквозь, причиняя меньше вреда.

Эквивалентная доза выражается уже в зивертах, однако, и она не позволяет достоверно оценить степень вреда, наносимого радиацией, так как не учитывает разную восприимчивость тканей действию ионизирующего излучения, поэтому ещё говорят об эффективной дозе.

Эффективная доза (или эффективная эквивалентная доза). Та же эквивалентная доза, но с учётом радиочувствительности разных тканей организма, иными словами — мера риска возникновения отдаленных последствий облучения. Эффективная доза рассчитывается как сумма эквивалентных доз по всем органам и тканям, умноженных на взвешивающие коэффициенты для этих органов, и отражает суммарный эффект облучения для организма. Коэффициенты выведены медиками с использованием статистики заболеваемости онкологическими заболеваниями в зависимости от полученной эквивалентной дозы (по версии 2007 года). Ранее использовалась статистика смертности и коэффициенты были несколько другие. Точные значения можно почерпнуть здесь.

Теперь, подкованные этим знанием, можно оценить дозы радиации не количественно, что скучно и не наглядно, а качественно — в сравнении друг с другом (да, эта картинка уже много раз публиковалась, но уж больно она хороша):

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Собственно, весь этот раздел можно уместить в одной картинке. Что тут можно сказать — мы живём в радиоактивном мире, в котором излучает практически всё. Даже ваше собственное тело является источником радиоактивного излучения, и если вы спите рядом с кем-то, то нахватаетесь дозы и от соседа по койке. Бананы — и те содержат радиоактивный Калий-40.

Измерение

На заре исследования радиоактивности для измерения уровня радиации использовали фотоплёнки — чем сильнее она засвечена, тем, соответственно, сильнее излучение.

В настоящее время самым распространённым детектором ионизирующего излучения является счётчик Гейгера (точнее Гейгера-Мюллера).

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации. Радиация, Ионизирующее излучение, Длиннопост

Его принцип действия до безобразия прост и использует тот факт, что излучение является ионизирующим. Внутри металлического полого цилиндра расположен металлический стержень, которые разъединены непроводящим электрический ток газом. На цилиндр и на стержень подаётся напряжение очень близкое к тому, чтобы пробить разрядом зазор между ними. По сути — это конденсатор. Если в цилиндр ударяет гамма-квант, то атом стенки ионизируется и испускает внутрь цилиндра электрон, который и инициирует пробой, который и создаёт характерный щелчок в динамике, подключённому в цепь. Чем больше в единицу времени прилетает гамма-квантов, тем интенсивнее треск.

Минус данного устройства в том, что он очень плохо регистрирует (вернее, совсем не регистрирует) нейтроны и альфа-частицы.

Есть и более совершенные, более чувствительные приборы, однако они более дорогостоящи, более громоздки и практически недоступны для доморощенного радиофоба.

Счётчик Гейгера является детектором излучения, не стоит путать его с дозиметром — более сложным прибором, который может иметь несколько детекторов разного типа. Такие приборы, как следует из названия, призваны измерять именно дозу полученной радиации согласно последним инструкциям ВЦСПС Международная комиссия по радиологической защите.

Накопленная доза и вред

Все эти детали запоминать радиофобу-параноику особо не нужно. Важно понимать смысл накопленной дозы. Если вы один час находитесь рядом с источником излучения 100 миллирентген в час, вы получите дозу в 100 миллирентген. И это будет равносильно вашему нахождению рядом с источником в 10 рентген в час, при условии, что возле него вы проведёте 36 секунд. Иными словами, важна не только мощность излучения, но и время, в течение которого вы ему подвергались — гораздо лучше получить 100 рентген за 20 лет, чем те же 100 рентген за минуту.

Если кто-то продолжает думать, что радиация сможет породить Годзиллу или, что укус радиоактивного паука дарует вам сверхспособности, но я поспешу их разочаровать — ничего такого не произойдёт.

Радиация может наносить два вида повреждений клеткам — прямой и косвенный, причём косвенный может быть гораздо хуже прямого. Прямой вред выражается в том, что если в живую клетку врезается снаряд в виде частицы с высокой кинетической энергией, то клетка имеет все шансы просто умереть. Особенно это характерно для тяжёлых альфа-частиц. Ожоги, некроз тканей — результат прямого действия ионизирующего излучения. Но вред от радиации не был бы настолько тяжёлым, если бы это была вся проблема (в конце-концов, от обыкновенной пули человек тоже может умереть).

Гораздо хуже, если клетка выживает, но от воздействия ионизирующего излучения, её ДНК видоизменяется. Механизм простой — либо удар просто разрывает молекулу ДНК, либо удар приходится на какую-нибудь молекулу возле ДНК (например — воды), она разваливается, а образовавшийся свободный радикал занимает место в цепочке. Чем чаще делятся клетки ткани, тем более вредна для них радиация, таким образом, половые клетки, клетки костного мозга, эпителий кишечника и стенок сосудов, лёгкие и кожа наиболее уязвимы.

Повреждённая ДНК либо не сможет обеспечить нормальный процесс деления клетки и тогда клетка умрёт, «не дав потомства», то есть клетки умирают в нормальном темпе, но не делятся. Может быть и хуже — клетка разделится, но уже с мутацией и будет продолжать делиться, что со временем может перерасти в раковую опухоль (это не обязательно, но риск возрастает на порядки).

Где найти радиацию?

Как ни странно — практически везде. Более того, именно природному радиоактивному фону мы должны быть благодарны за эволюцию и, в конечном счёте, — за наше существование. Простому обывателю весьма сложно схватить действительно большую дозу радиации, даже если он забредёт в зоны отчуждения в Припяти или Фукусиме (что, впрочем, не означает, что для дурака это невозможно). По большому счёту, даже если вы и окажетесь рядом с радиоактивными объектами, маловероятно, что вы успеете получить хоть сколько-нибудь значимую дозу.

Радиация ничуть не более опасна, чем ядовитые вещества, огонь, взрывчатка или глупость человеческая. Кто знает, может быть именно это знание сможет как-нибудь сохранить вам жизнь и здоровье.

Показать полностью 9

Правды и кривды теории Большого взрыва.

Речь пойдёт о теории Большого взрыва (нет, не о сериале). Наверняка, почти каждый слышал про эту теорию, однако мало кто вдавался в детали. В этом посте я постараюсь осветить важные моменты этой теории, а также указать на её слабые места.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

Теория Большого взрыва уходит корнями в глубокое прошлое. Среди философов и позднее – религиозных деятелей шёл спор, была ли Вселенная всегда (как утверждал Аристотель) или у неё было начало (что больше устраивало ранних иудеев). В 1225 году в своём трактате «О свете и о начале форм», английский теолог Роберт Гроссетест описывал рождение Вселенной во взрыве с последующей кристаллизацией материи, из которой образовались звёзды и планеты, заняв своё место на небесных сферах вокруг Земли. В 18 веке Эразм Дарвин (дед более известного Чарльза Дарвина) описывал циклически расширяющуюся, а затем – сжимающуюся вселенную. Эдгар По в своей «Эврика. Поэма в прозе», описал начало Вселенной из «первозданной частицы… по божьей воле». Согласно По, «божья воля» проявилась в расталкивающей силе, разделившей первозданную частицу на атомы. Атомы распределились в пространстве, после чего расталкивание прекратилось, и началось притяжение, в результате которого материя начала собраться в звёзды и планеты.


В начале 20 века с использованием спектроскопии удалось обнаружить красное смещение в спектрах удалённых «спиральных туманностей» (тогда их ещё не называли галактиками). На то время было сложно объяснить это явление, так как считалось, что небесные объекты размещены во вселенной более-менее стационарно.


Красное смещение первым объяснил, не Эдвин Хаббл, а Жорж Леметр (католик и иезуит). Его объяснение гласило: Вселенная не статична, а расширяется. Через два года американец Эдвин Хаббл повторил открытие и выявил закономерность, согласно которой величина красного смещения возрастает пропорционально расстоянию до объекта, это открытие назвали законом Хаббла.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

В 1931 году Леметр предложил «гипотезу первобытного атома», от взрыва которого и началась Вселенная. Сам термин «Большой взрыв» (Big bang) создал, по иронии судьбы, противник теории взрыва, Фред Хойл, который предлагал альтернативное объяснение красного смещения в своей теории стационарной вселенной. Согласно ней, между разлетающимися галактиками постоянно создаётся новая материя. Хойл выступал с лекциями по третьему каналу Би-Би-Си, и, высмеивая теорию своего оппонента, ввернул фразу «…эта идея большого взрыва» (that ‘big bang’ idea).


Две теории конкурировали между собой. Обе теории могли объяснить происхождение вселенной, но теория стационарной вселенной не могла объяснить её текущее состояние. Почему, например, квазары и радиогалактики наблюдаются астрономами гораздо чаще только на больших от нас расстояниях, а рядом с нами их нет. Наконец, в 1964 году, произошло открытие, окончательно похоронившее теорию стационарной вселенной и буквально перевернувшее мир физики. Сотрудники лаборатории Белла Арно Пензиас и Роберт Вилсон при помощи такой вот рупорной антенны занимались поиском источников радиоизлучения, которые потенциально могли навредить космическим спутникам:

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

При калибровке установки они никак не могли избавиться от «шума» – статических помех. Куда бы они ни направляли свою антенну, отовсюду они получали помехи в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения. Такой сигнал могло бы излучать тело, имеющее температуру 2,7 Кельвин (это чуть выше абсолютного нуля). Сигнал можно было получить с любого направления, он был буквально везде, будто бы источник этого излучения находился на внутренней стороне сферы, в центре которой мы находимся? Что же за источник у этого «света»?


Все, наверное, видели лампу накаливания или нагретый докрасна металл (например, в тостере). Это не отражённый свет, этот свет испускается самими атомами вещества (подробнее о механизме см. Как выглядит атом?). Учёные пользуются термином «абсолютно чёрное тело» – это идеализированная модель объекта, который поглощает всё электромагнитное излучение, падающее на него, не отражая ничего, и может испускать только собственный свет, длина волны которого зависит только от его температуры. Если построить график интенсивности излучения такого тела, в зависимости от его нагрева, то получится что-то вроде этого:

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

Свой спектр теплового излучения, в той или иной степени походящий на спектр излучения абсолютно чёрного тела, имеет любой объект в нашей Вселенной. Если мы опустим температуру тела до 2,7 К, то пик интенсивности сдвинется из видимого диапазона в микроволновый, а спектр в точности совпадёт со спектром наблюдаемого радиоастрономами излучения. И когда я говорю «в точности», это не фигура речи. Спектр открытого излучения в действительно в точности совпадал с математической идеальной моделью.


Мы знаем, что вселенная пуста, там ничего нет, что могло бы иметь температуру, да к тому же ещё и вполне определённую температуру 2,7 К. Почему открытое излучение вообще имело тепловой спектр?


Так было открыто реликтовое микроволновое излучение. По сути, Пензиас и Вилсон «увидели свет» от Большого взрыва – процесс, в ходе которого сформировались первые атомы во Вселенной около 13,5 миллиардов лет назад.


Мы знаем, что вселенная расширяется, это подтверждается красным смещением в спектре удалённых от нас объектов. Чем дальше объект от нас, тем длиннее волна дошедшего до нас излучения.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

Единственное объяснение этому в рамках общей теории относительности – то, что расширяется само пространство. Чем больше расстояние, пройдённое светом, тем больше его волна будет «растянута». Мы можем использовать уравнения общей теории относительности (ОТО) и «отмотать» время назад, чтобы построить модель ранней вселенной. Согласно ОТО, получается, что когда-то вселенная умещалась в точку бесконечно малого размера – сингулярность, в момент времени t = 0, гипотетическое начало существования нашего мира.


Не все космологи склонны слепо доверять ОТО в данном случае. Дело в том, что, хотя данная теория с успехом объясняет наблюдаемые явления и предсказывает результаты научных экспериментов, она не в состоянии смоделировать квантовое состояние гравитации в этот первичный момент времени. Мы знаем, что на каком-то моменте нашей «перемотки» времени, чистая ОТО начнёт давать неверные предсказания, так как состояние вселенной на тот момент времени выйдет за рамки сферы применимости ОТО. Эти ограничения давно известны физикам и не являются чем-либо выдающимся, так что не спешите кричать о том, что Эйнштейн был неправ. Мы можем достоверно судить о состоянии Вселенной после Большого взрыва только с определённого момента.


С точностью мы можем сказать, что когда-то Вселенная была очень плотной, очень горячей, а также – непрозрачной. Где-то в возрасте 370 тыс. лет она была оранжевого цвета. В эту эпоху она была наполнена плазмой из хаотично движущихся заряженных частиц и имела температуру в несколько тысяч градусов. Это слишком большая температура для того, чтобы электроны и протоны могли сформироваться в атомы. Эта плазма излучала свет (как и любое другое нагретое вещество), однако, фотоны этого света не могли распространяться далеко из-за большой плотности вещества. Испускаемые фотоны просто сталкивались с каким-либо электроном и, либо снова поглощались, либо отскакивали как бильярдные шары. Внутри этой плазмы была практически нулевая видимость.


Но Вселенная расширялась, а плазма, соответственно, постепенно охлаждалась и настал момент, когда её температура опустилась ниже 3000 К.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

Цветовая температура в 3000 К соответствует оранжевому цвету. Забавно, что художники считают более «тёплыми» цвета лампочек слева и более «холодными» – справа, хотя физически дела обстоят совсем наоборот.


При этой температуре, наконец, смогли образоваться нейтральные атомы, и свободных электронов практически не осталось. Плазма превратилась в горячий газ, а вселенная впервые стала прозрачной для электромагнитного излучения. Испущенные в этот миг фотоны уже не встречали на своём пути препятствий, и устремились во все стороны сразу. Свет этих фотонов путешествует и по сей день, но первоначально оранжевый, он со временем всё больше и больше подвергался действию красного смещения, его спектр краснел, затем перешёл в инфракрасную область спектра, а затем – в микроволновую. К настоящему моменту этот свет «остыл» до 2,7 К и фиксируется только при помощи радиотелескопа.


На рисунке ниже показаны карты реликтового излучения, где микроволновый диапазон сдвинут область видимого спектра. Надо иметь в виду, что хотя излучение и показано на подобных иллюстрациях контрастными цветами, в действительности, разница между самым холодным пятном и самым горячим составляет всего 0,8 мкК (восемь миллионных долей градуса).


Вы тоже можете увидеть его, просто включив ненастроенный телевизор. Около 1% помех на экране вашего телевизора вызваны фоновым реликтовым излучением.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

Важность открытия реликтового излучения огромна для теории Большого взрыва. Наличие этого излучения можно объяснить только тем, что когда-то Вселенная была меньше, плотнее и горячее, чем сейчас.


Неравномерность излучения (пусть и выражающиеся в температурах порядка одной тысячной градуса) позволяют судить о «местах», где сформировались звёзды, галактики и галактические скопления. Чем дальше мы смотрим в космическое пространство, тем моложе эпоха, которую мы наблюдаем. Мы можем наблюдать первые галактики, сформировавшиеся сразу после Большого взрыва. Теория подсказывает нам, что мы должны наблюдать бурные процессы столкновений и слияний галактик, богатых веществом для образования звёзд, но бедных в части тяжёлых элементов, образующихся только в результате взрывов сверхновых (см. Вскрываем трупы звёзд). И астрономы наблюдают в точности такую же картину, что и предсказывает теория. Самые дальние галактики, образовавшиеся в первые 5% времени существования вселенной, выглядят совершенно не так, как галактики, более близкие к нам. Вселенная определённо эволюционирует!


Если теория Большого взрыва верна, видимая «рябь» в волнах реликтового излучения должна нести в себе «отпечаток» распределения материи в момент, когда фотоны реликтового излучения отправились в путь, и такой же рисунок должен повторяться в распределении галактик на небе.


В рамках большого Слоановского цифрового обзора неба SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey-III) в 2014 был проведён спектроскопический обзор барионных колебаний (BOSS/ Baryon Oscillation Spectroscopic Survey). Были измерены незначительные повторяющиеся изменения плотности галактик на расстоянии до шести миллиардов световых лет от Земли (что соответствует красному смещению 0,7), когда возраст Вселенной был равен примерно половине текущего. Эти волны, вариации плотности галактик известны как барионные акустические колебания. В определённом смысле, мы можем не только «видеть» большой взрыв, но и «слышать» его.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=35104.php


Все эти эксперименты пока что позволили нам узнать, что происходило во Вселенной, начиная с «возраста» примерно в 400 тыс. лет, и заканчивая настоящим моментом (примерный возраст Вселенной – 13,5 млрд. лет).


Используя эксперименты на ускорителях и моделируя раннюю Вселенную, мы можем с уверенностью предсказать её развитие и в непрозрачную эпоху. В возрасте нескольких секунд Вселенная была гораздо горячее, чем звёздное ядро. В таком состоянии она находилась примерно 20 минут. В этот период активно проходил первичный нуклеосинтез – формировались ядра первых атомов.


Теория Большого взрыва позволяет нам предсказать температуру и длительность этой фазы. Мы можем судить об этом по наблюдаемому распределению водорода и гелия в наблюдаемой Вселенной (водород ~75%, гелий-4 ~25, дейтерий и гелий-3 меньше 0,01%). Именно столько гелия должно было синтезироваться за 20 минут времени.


Условия ранней вселенной, которые мы смогли повторить на Земле в Большом адронном коллайдере, позволяют нам с уверенностью судить о развитии Вселенной, начиная с возраста 10⁻³² секунды, когда вся наблюдаемая Вселенная была размером с песчинку. Мы смогли убедиться, что наши модели по-прежнему работают и при таких высоких энергиях.


При температурах порядка 1 квадриллиона градусов, поле Хиггса перестаёт работать. Поле Хиггса даёт частицам их массу покоя, и если его убрать, то частицы-переносчики слабого фундаментального взаимодействия – бозоны W⁺, W⁻ и Z⁰ становятся неотличимы от фотонов. Это означает, что слабое и электромагнитное взаимодействия при таких условиях объединяются в одно – электрослабое. Период времени, когда такие условия имели место, называется электрослабая эпоха.


Эти условия мы ещё можем воспроизвести, на БАК, но когда температура превышает 10²⁹ К и возрасте Вселенной 10⁻³⁸ секунды, наша уверенность в чём-либо заканчивается, так как воспроизвести подобные условия на Земле мы не можем.


Мы можем только предполагать, что на этом этапе электрослабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие так же объединяются в одно. Существует несколько идей того, как это могло бы происходить, и все эти теории получили общее название теории великого объединения. По правде говоря, их проще назвать гипотезами, так как неизвестно, какая из них верна (если вообще среди них есть верные). Для их проверки требуются уровни энергии, в триллионы раз превышающие те, что мы могли достичь в Большом адронном коллайдере. Может, оно и к лучшему, что подобная энергия нам пока недоступна.


Отмотаем время ещё немного, до возраста 10⁻⁴² секунды. В этот момент, видимая нам Вселенная имела размеры 10⁻²⁰ диаметра протона – этот размер называется Планковской длиной (1,6⋅10⁻³⁵ м). И на этом рубеже, вся известная нам физика попросту перестаёт существовать. Общая теория относительности вступает в серьёзный конфликт с квантовой механикой, так как четвёртое фундаментальное взаимодействие – гравитация начинает выдавать в уравнениях одну сингулярность за другой.


Для объяснения того, что происходило в этот момент нам необходима теория квантовой гравитации, которую ещё называют «Теорией Всего», так как в её рамках действительно можно будет объяснить любой наблюдаемый процесс во Вселенной.


Вернёмся снова к моменту, когда Вселенная стала прозрачной. Её возраст составляет примерно 400 тыс. лет, её размер примерно в 1000 раз меньше её текущих размеров. Как уже было сказано, мы можем наблюдать последний свет большого взрыва в виде реликтового микроволнового излучения, однако учёным до сих пор непонятно, почему его температура настолько равномерна – она колеблется в пределах одной стотысячной градуса, будто бы всё вещество в остывающей Вселенной было тщательно перемешано. Все мы видели, как сливки смешиваются с кофе со временем, даже если их специально не перемешивать, но проблема в том, что, основываясь только на уравнениях ОТО, у расширяющейся Вселенной не было времени на то, чтобы так перемешаться до настолько однородного уровня.


Чтобы две подсвеченные области на рисунке могли прийти к тепловому равновесию, должно быть «что-то», что бы переместилось от одной области к другой и не передало энергию. Но ничто в этом мире, даже свет, не успело бы пройти данное расстояние за отведённое моделью время.

Правды и кривды теории Большого взрыва. Большой взрыв, Космос, Наука, Теория большого взрыва, Реликтовое излучение, Длиннопост, Перевод

Даже если мы возьмём вселенную, размером с песчинку и возраст вселенной 10⁻³² сек., и возьмём фотон, испущенный у одного края этой песчинки, затем применим скорость расширения вселенной и умножим всё это на 400 тыс. лет, то мы поймём, что фотон просто не успевает долететь до противоположного края. Расстояние между краями нашей «песчинки» будет увеличиваться быстрее скорости света. Иными словами, противоположные края Вселенной всегда находились вне горизонта частиц друг друга. Проблему так и назвали «Проблемой горизонта».


Единственным на сегодняшний день объяснением данной проблемы является гипотеза о том, что Вселенная была изначально достаточно малого размера, чтобы «перемешаться» как следует и достичь однородности, а затем резко раздуться в размерах со скоростью, которая значительно превышает скорость, предсказанную ОТО. Данная теория получила название «инфляционная модель».


Идея в том, что Вселенная началась с субатомных размеров, имела достаточно времени, чтобы прийти к термодинамическому равновесию, а затем вошла в стадию экспоненциального взрывного роста в размерах (инфляции), в ходе которого увеличилась по меньшей мере в 10²⁶ раз, после чего расширение замедлилось до текущих темпов. Таким образом, её края были вырваны из конусов причинно-следственных связей друг друга. Данная идея объясняет Проблему горизонта, однако оставляет вопросы относительно того, что послужило причиной взрывного роста и почему потом этот рост замедлился. Тем не менее, инфляционная модель настолько хорошо объясняет столько всего, что большинство космологов соглашается с тем, что что-то подобное должно было иметь место, хотя никаких свидетельств этому нет.


В этом свете Теорию Большого взрыва стоит рассматривать не как теорию образования нашей Вселенной, а как теорию объясняющую период расширения от субатомных размеров до космических. Некоторые аспекты данной теории имеют настолько жёсткие подтверждения, что не оставляют сомнений в верности «общей картины», однако, как и у любой теории, у Теории Большого взрыва есть границы применимости. Может быть, мы сможем дополнить эту теорию, а может – процесс познания Вселенной проведёт нас гораздо дальше Большого Взрыва.


В завершении я хочу развеять несколько распространённых заблуждений, которые встречаются у людей, поверхностно знакомившихся с теорией большого взрыва:


Миф: Теория Большого взрыва описывает начало существования нашей Вселенной. На самом деле, сама теория Большого взрыва ничего не говорит о непосредственном рождении Вселенной. Текущая концепция подразумевает существование энергии, времени и пространства, и не объясняет их происхождения.


Миф: Большой взрыв был «крохотным». Многие, пытаясь визуализировать большой взрыв (я – не исключение), пытаются сравнивать Большой взрыв с повседневными объектами. Это сравнение, однако, верно только в части Наблюдаемой Вселенной, а не всей Вселенной.


Миф: Закон Хаббла нарушает специальную теорию относительности. Действительно, дальние галактики удаляются от нас быстрее скорости света. Однако, специальная теория относительности применима только к движению сквозь пространство. В данном случае, расширяется само пространство.


Миф: Красное смещение удаляющихся галактик вызвано эффектом Доплера. Астрономы часто ссылаются на космологическое красное смещение, будто это обычный эффект Доплера. Хотя они схожи по своему действию, у них разный механизм. Доплеровское красное смещение основано на специальной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства. Космологическое же красное смещение основано на общей теории относительности, которая учитывает расширение. Для относительно близких к нам галактик, они могут показаться идентичными, однако, если пытаться описать красное смещение далёких галактик эффектом Доплера, можно прийти к неверному результату.

Показать полностью 8

Вскрываем трупы звёзд

Сегодня будем вскрывать трупы звёзд. Слабонервным просьба не читать.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Внутри звёзд идёт постоянная борьба бобра с ослом фундаментальных сил природы, поэтому для правильной постановки диагноза, надо понять, что происходит.


Ггггравитация! Одна из фундаментальных сил. Она давит, она тянет, она хочет слепить всю материю в один комок. Причём, чем ближе две массы друг к другу, тем сильнее она тянет. Уменьшите расстояние между объектами в два раза, сила притяжения возрастёт в четыре. Что же не даёт всей материи схлопнуться в одну точку под действием гравитации? На первой линии обороны стоят электроны, формирующие «щит» вокруг атомного ядра. Это вступает в борьбу электромагнитное взаимодействие.


Мы знаем, что почти вся масса атомов сосредоточена в их ядрах, которые в десятки тысяч раз меньше диаметра атомов. Для сравнения, у самого лёгкого элемента – водорода радиус ядра составляет 0,875 фм (8,751 × 10⁻¹⁶ м) в ~60 тыс раз меньше радиуса всего атома 52,92 пм или 52,92 × 10⁻¹² м), у самого тяжёлого, встречающегося в природе – Урана радиус ядра 5,85× 10⁻¹⁵ м, что в ~26 тыс. раз меньше радиуса атома (156 пм или 156× 10⁻¹² м).


Чтобы лучше понять, насколько ядро атома маленькое, возьмите для масштаба горошину диаметром 5 мм, это будет как бы ядро, затем увеличьте её в 60 тыс. раз – получите шар диаметром в 300 метров – это будет атом. Электроны атома не дают сблизиться ядрам достаточно близко, чтобы ядра слиплись, так как отталкиваются друг от друга.


Но звёзды, звёзды они большие. Очень большие, и у них много массы. Огромное количество материи сдавливается до такой степени, что атомам остаётся становится всё меньше и меньше места, чтобы двигаться, они всё чаще соударяются друг с другом, давление растёт, а доступный объём уменьшается... то есть растёт температура. Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы говорим о кинетической энергии частиц вещества. Рано или поздно, атомы начнут раздеваться терять свои электроны, если по-научному, то ионизироваться. Аналогия очень грубая и неправильная, но всё равно приведу пример – возьмите груз и привяжите к нему нитку. Теперь раскручивайте груз на нитке быстрее и быстрее (в данной аналогии – вы будете атомным ядром, а груз – электроном). Чем быстрее вы будете раскручивать, тем больше будет энергия груза. Рано или поздно нитка разорвётся и груз улетит – значит, вы ионизировались.


Много быстрых и голых атомных ядер без электронов называются плазмой. Ядра всё равно будут расталкиваться, так как они все положительно заряженные и требуется большая сила, чтобы можно было преодолеть этот барьер (кстати, он называется Кулоновский барьер). Но если хорошенько разогнать одно ядро в направлении другого, у него будет достаточно кинетической энергии, чтобы победить отталкивание и пасть в крепкие лапки сильного фундаментального взаимодейтствия (как оно работает, можно почитать в отдельном посте). Два (а бывает, и три) лёгких ядра сольются в экстазе, образуя более тяжёлое. Это называется термоядерный синтез, священный грааль человечества. Образовавшееся ядро будет легче, чем сумма масс врезавшихся друг в друга лёгких ядер, а разница вылетит в виде энергии (фотонов, электронов и нейтрино).


Так «горит» водород, превращаясь в гелий. Его запасы огромны, и большинству звёзд требуются многие миллиарды и даже десятки триллионов лет, чтобы сжечь его полностью, причём, вопреки интуиции, чем массивнее звезда, тем короче (но ярче!) окажется её жизненный путь. Малые звёзды, наоборот, живут очень и очень долго. Настолько долго, что мы до сих пор не знаем, что происходит со звёздами малого размера (с массой где-то в половину Солнца или меньше), так как ещё ни одна из них не умирала естественным образом.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Звёзды покрупнее (масса 0,4 – 3,4 Солнца) по мере израсходования запасов водорода имеют достаточную массу, чтобы гравитация сжала их ядро до такой степени, чтобы «поджечь» гелий, когда начнёт образовываться более тяжёлые элементы, вплоть до углерода. Этот процесс сопровождается выделением ещё большей температуры, и поток энергии от ядра становится настолько сильным, что, переборов гравитацию, начнёт раздувать внешние слои звезды. Звезда «пухнет» в размерах и превращается в красного гиганта. Давление на ядро уменьшается, реакции синтеза замедляются, тогда гравитация снова начинает сдавливать ядро, и они разгораются снова. Звезду «лихорадит», она постоянно меняет размеры, температуру, всё это сопровождается нарастающей потерей массы, которая превращается в звёздный ветер, богатый кислородом и углеродом.


«Горение» гелия продолжается около миллиарда лет. Если у звезды ещё остаётся масса, то «поджигаются» углерод и кислород, образовавшиеся на предыдущем этапе. Звезда ещё больше распухает, а потоки звёздного ветра усиливаются. Если масса всё ещё есть, «зажигается» неон, затем кремний, причём каждый следующий этап в разы короче предыдущего. Если «горение» водорода продолжается миллиарды лет, то когда «горит» кремний, счёт идёт даже не на дни, а на часы. Это последние часы перед смертью звезды, её последний вздох. Последними химическими элементами, которые синтезируются непосредственно в ходе термоядерных реакций является железо, никель и цинк, но до этой стадии могут дожить лишь тяжёлые звёзды, у более лёгких звёзд этот процесс может заканчиваться уже фтором.


Никель и цинк образуются, можно сказать, уже по инерции, ускоряя угасание звезды. Дело в том, что если при синтезе элементов легче железа энергии выделяется больше, чем тратится, то на синтез более тяжелых элементов энергии уже потратится больше, чем выделится. так что «гореть» внутри звезды становится уже нечему.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Всё время, пока в ядре звезды идут термоядерные реакции, давление исходящего от них излучения противостоит силе гравитации, старающейся сжать вещество как можно сильнее. Звезда находится в состоянии гидростатического равновесия. На последней стадии процесс становится очень интенсивным и быстрым. Что происходит дальше, целиком зависит от того, насколько тяжёлой была звезда.


Белый карлик

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Гравитация сжимает оставшиеся атомы в ядре звезды настолько сильно, что электроны перестают «принадлежать» отдельным атомам. Сначала электроны заполняют все нижние орбитали, поскольку места на них больше нет – мы знаем (см. пост), что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии из за принципа запрета Паули, электроны вынуждены занимать всё более и более высокие уровни.


Из-за того, что электроны не могут отдавать энергию путём перехода на забитые битком нижние этажи, материя, уже не представляет собой набор атомов, скорее, это набор положительно заряженных ядер, «плавающих» в море электронов. Такое состояние материи называется «вырожденный электронный газ».

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Белый карлик (кстати, наше Солнце и большинство звёзд в наблюдаемой Вселенной превратятся именно в него) – это медленно остывающий остаток от небольшой звезды, состоящей из вырожденного электронного газа. Плотность его очень высока, чтобы получить такую плотность Солнце надо ужать до размеров нашей планеты. Звезда уже не производит энергию, но продолжает светиться, постепенно отдавая накопленную энергию, пока не остынет настолько, что превратится в чёрного карлика (хладный труп).


Электроны оказывают очень сильное сопротивление гравитационному сжатию из-за принципа запрета Паули, и, если масса звезды была недостаточной, то гравитация уравновешивается давлением вырожденного электронного газа... но если звезда оказывается тяжелее определённого предела (предел Чандрасекара), примерно в 1.44 масс Солнца, то гравитация пересиливает и буквально «вдавливает» электроны в протоны атомных ядер, превращая ядро в нейтронную звезду. Процесс называется обратный β-распад (англ.).


Нейтронная звезда


Но предшествует этому событию грандиознейший выброс материи в окружающее пространство.


Протоны и электроны под огромным давлением объединяются, в результате чего получается нейтрон. Нейтронная звезда, ВНЕЗАПНО, почти полностью состоит из нейтронов (за исключением внешней «шелухи» из обычного вещества). Коллапс звезды продолжается до колоссальной плотности. Высвободившаяся гравитационная потенциальная энергия выбрасывает очень горячее вещество, находящееся на внешних слоях звезды, в окружающее пространство с огромными скоростями (до 10% скорости света). В процессе звезда теряет очень много своей массы, зато в ходе данного взрывного процесса (кстати, это называется «взрывом сверхновой», не путать с «новой») происходит синтез почти всех остальных химических элементов, тяжелее железа.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Тут нужно сказать, что упомянутый всуе предел имени индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара по массе звезды касается лишь массы её ядра. Для того, чтобы белый карлик превратился в нейтронную звезду, его масса (до взрыва) должна составлять примерно около 8 Солнечных масс. Масса в восемь Солнц оставляет «труп» массой всего в 1.4 массы Солнца, масса в 20 солнечных оставит ядро массой всего в три.


Диаметр нейтронной звезды, имеющей массу Солнца, составляет всего 10-20 км.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Средняя плотность её вещества составляет 2,8 × 10¹⁷ кг/м³. Такой материал называют «нейтронием». Это, в принципе, максимальная плотность, которую вообще может иметь материя, поэтому нейтроний так любим писателями-фантастами в качестве брони для космических кораблей. К сожалению, нейтроний может существовать только при давлении порядка сотен миллионов тонн на кв. см, и нет никакой возможности для его существования в нормальных условиях. Даже если представить себе гипотетически, что можно было бы достать образец подобного вещества из ядра нейтронной звезды, как только снизится окружающее давление, нейтроний тут же начнёт превращаться в обычную материю, при этом процесс будет сопровождаться многомегатонным «фейерверком».


Поскольку нейтрон тоже является фермионом (его спин равен ½) на него так же распространяется принцип запрета Паули, гласящий, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Это значит, что хотя два нейтрона даже могут занимать физически одно и то же место, однако при этом иметь разнонаправленный спин, но больше нейтронов в эту область пространства поместить не удастся. Но и это препятствие не является непреодолимым. Если масса коллапсирующей звезды превышает определённый предел (на сей раз предел Оппенгеймера – Волкова, который на сегодняшний день определён в пределах 1,3 – 3 солнечных масс), последний барьер рушится и победившая всех гравитация в течение буквально секунд коллапсирует всю оставшуюся массу в безразмерную точку с бесконечной плотностью, называемой сингулярностью, а вокруг по радиусу Шварцшильда сформируется горизонт событий чёрной дыры.


Но такое происходит не так уж и часто, так как большинство звёзд в наблюдаемой вселенной имеют небольшую массу, и закончат свою жизнь как белые карлики.


Пульсары


Но вернёмся к нейтронной звезде. Нейтронные звёзды — один из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.


Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау. Так, в своей статье «О теории звёзд», написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».


Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Объект PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.


На Земле излучение нейтронных звезд наблюдается в форме периодических сигналов. Астрономы выяснили, что у этого излучения естественное происхождение. Его строгая периодичность обеспечена особенной траекторией распространения. Дело в том, что нейтронная звезда излучает не во все стороны, как обычные звезды, а в форме узкого луча или веера. Вращаясь, нейтронная звезда, как маяк, просвечивает этим лучом космос. Поэтому радиоизлучение нейтронных звезд и наблюдается в виде ярко выраженных периодических пульсаций, оттого такие объекты и называются Пульсары.

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Быстрое вращение пульсара объяснить проще. Все звёзды вращаются и, соответственно, имеют угловой момент, который сохраняется и при сильном уменьшении радиуса звезды. Уменьшение радиуса ведёт к пропорциональному увеличению скорости вращения.


Но что же является источником радиоизлучения нейтронной звезды? Ведь она состоит из нейтронов, а нейтроны электрически нейтральны и не могут участвовать ни в каком электромагнитном взаимодействии. Совершенно точно, не могут, но, как я уже сказал, на внешнем слое нейтронной звезды (примерно 1 км толщиной) давление не настолько сильное, чтобы материя деградировала, и в этом слое сохраняются протоны и электроны. Их вращение формирует магнитное поле, из полюсов которого и испускается электромагнитное излучение. За счёт потери этой энергии, вращение пульсара замедляется, и он «выключается». Это происходит достаточно быстро (примерно за 10-100 млн. лет), и большинство (99%) пульсаров, образовавшихся за время существования нашей Вселенной уже «выключились».


Нейтронные звёзды представляют большой интерес, так как по своему состоянию они являются самыми близкими к чёрным дырам объектами. Их гравитация настолько высока, что, если бы мы смотрели на них, то из-за релятивистского отклонения света мы бы видели больше половины их поверхности:

Вскрываем трупы звёзд Космос, Физика, Нейтронные звезды, Белые карлики, Гифка, Длиннопост

Многое в отношении нейтронных звёзд ещё предстоит узнать. Будем надеяться, что с появлением таких инструментов, как LIGO, и LISA мы ещё удивимся не одному открытию.

Показать полностью 8

Как подготовить машину к долгой поездке

Взять с собой побольше вкусняшек, запасное колесо и знак аварийной остановки. А что сделать еще — посмотрите в нашем чек-листе. Бонусом — маршруты для отдыха, которые можно проехать даже в плохую погоду.

ЧИТАТЬ

Правила общежития электронов внутри атома

Вы никогда не задумывались, почему таблица Менделеева выглядит так «неровно»? В этом посте я постараюсь рассказать, почему.


В прошлом посте были упомянуты энергетические уровни атома, на которых находятся его электроны. Чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Если электрон «возбудить» (например, скормить ему фотон определённой частоты), то электрон сможет подскочить на один из более высоких уровней). В физике данные уровни нумеруют по порядку, начиная с ближайшего уровня к ядру, и называют эти числа главным квантовом числом, с обозначением n. По нему мы можем судить о том, какой энергией обладает электрон.


Так же было упомянуто уравнение Шрёдингера. В классической механике мы используем Второй закон Ньютона (F = ma) для того, чтобы предсказать изменение физической системы со временем при известных начальных условиях. Если решить данное уравнение, можно получить новое положение и импульс системы, как функцию внешней силы F, действующей на систему.


Данных двух параметров (положение и импульс) достаточно для того, чтобы описать состояние системы в любой момент имени. В мире квантовых систем (атомов, молекул, субатомных частицах и т. д.), в силу действия принципа неопределённости Гейзенберга (которого я уже касался), мы не можем знать одновременно и положение, и импульс системы. Грубо говоря, мы можем знать некоторые характеристики только «приблизительно» или «с определённой вероятностью». Поведение объекта можно описать лишь волновой функцией, которая свяжет вместе все факты о свойствах частицы, а решая уравнение Шрёдингера с этой волновой функцией можно получать распределение вероятностей той или иной характеристики.


Используя одну и ту же волновую функцию, можно построить графики всех свойств частицы. В принципе, при помощи преобразования Фурье можно выразить одно свойство через другое (положение через импульс и обратно), но это сейчас не важно.

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Положение и импульс электрона нам особой пользы не приносит, так как он может быть где угодно, скорее там, где соответствующий график выпирает повыше. Но больше пользы будет от определённых, «стационарных состояний» (таких состояний, которые не изменяются во времени). Например, энергию частицы, одновременно с которой мы можем измерять так же величину и ориентацию вектора момента импульса. Момент импульса оказался важен для «орбитали» электрона.


Термин «орбиталь» остался с нами со времён планетарной модели атома. Его ассоциация с орбитой (планеты) сослужила дурную службу не одному поколению студентов. Лучше бы сейчас использовали другой термин. С другой стороны для объектов квантового мира очень сложно подбирать аналоги из того, что можно представить или пощупать. Наиболее приближённой (однако, по-прежнему неверной) аналогией будет представление электрона в виде «облака» или «атмосферы» вокруг ядра, где-то оно «плотнее», где-то «разряжённее» – в «плотных» областях вероятность обнаружить электрон выше. Причём, данное облако может принимать разные формы, в зависимости от наличия соседей и энергии. Так что электроны не летают вокруг ядра, однако они имеют как линейный импульс, так и угловой момент (момент импульса).


Так какое отношение момент импульса имеет к «орбитали»? Орбиталь лучше всего рассматривать как составную часть энергетического уровня, она показывает, какую форму могут принимать электронные «облака». Анализируя распределение вероятностей, удалось установить, что чем дальше энергетический уровень от ядра атома, тем больше на этом уровне «места» (на самом деле, степеней свободы), соответственно, тем больше электронов может такой уровень вместить. Наличие «соседей» искажают форму «облака». Я немного упрощаю, но орбиталь – это величина вектора углового момента электрона.


Чтобы описать тип орбитали на энергетическом уровне, мы используем второе орбитальное квантовое число l, которым мы будем обозначать количество возможных типов орбиталей на данном уровне (n). Впрочем, исторически сложилось так, что типы орбиталей обозначают ещё и буквами s, p, d, f. (Буквенные обозначения атомных орбиталей произошли от описания спектральных линий в атомных спектрах: s (sharp) — резкая серия в атомных спектрах, p (principal)— главная, d (diffuse) — диффузная, f (fundamental) — фундаментальная). На рисунке сверху вниз – номера уровней, слева направо – типы орбиталей, а их форма — на пересечении:

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Как, надеюсь, все знают, угловой момент – это векторная величина, а вектор имеет не только скалярную величину, но и направление действия (ориентацию). Для описания орбитали мы воспользовались величиной вектора углового момента, но у нас осталось ещё и его направление. Например, на рисунке ниже можно увидеть, все возможные ориентации векторов углового момента (они образуют плоскость и 4 конуса) для орбитали l = 2 (тип d). Если мы возьмём проекции этих ориентаций на ось z, то получим кратные значения приведённой постоянной Планка: -2, -1, 0, 1, 2 – всего 5 вариантов:

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Эти значения называются магнитным квантовым числом и обозначается m. Магнитным оно называется тоже исторически – в 1896 году голландский физик Питер Зееман поместил в сильное магнитное поле устройство, аналогичное водородной лампе, но наполненное парами раскаленного натрия. Обнаружилось, что в магнитном поле число линий в спектрах испускания возрастает. Спектры становятся сложными, но можно было видеть, что каждая p-линия распадается в магнитном поле на 3 новых линии, каждая d-линия — на 5, каждая f-линия — на 7 линий, а s-линии не изменяются. Поскольку орбитали атома становятся «видны» только в магнитном поле, очередное квантовое число, записывающее «адрес» орбитали в атоме, назвали магнитным квантовым числом.


Правило такое, если орбитальное квантовое число = l, то магнитные квантовые числа m могут меняться в диапазоне целых чисел от -l до l, включая 0. Визуально формы орбиталей в зависимости от трёх квантовых чисел (основного n, орбитального l и магнитного m) показаны ниже (например, конфигурация оболочка 3, орбиталь типа d, магнитный момент 1 обозначена как 3d1):

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Прежде, чем идти дальше, необходимо кое-что разъяснить про то, что такое спин.


Картина, казалось бы, полная, но, как выяснилось в ходе опыта Штерна-Герлаха в 1922 году, электроны имеют собственный магнитный момент и связанный с ним момент импульса... спин. Это, наверное, самый труднопонимаемый термин квантового мира. Само слово spin означает в английском языке «быстрое вращательное движение», что в момент открытия казалось логичным – раз есть момент импульса, значит, есть вращение... Но нужно помнить – электрон не имеет размера, это точечный заряд, а безразмерная точка не может никак вращаться. Более того, если бы подобное вращение действительно имело место, а электрон имел бы размер, то для генерации подобного момента импульса, ему надо было бы вращаться быстрее скорости света... Стоит просто принять, что спин – просто ещё одно свойство частиц (как цвет у автомобиля или запах у духов), и что никакого вращения на самом деле не происходит. Просто так получилось, что у частиц есть момент импульса, будто бы они вращались.


Как и почти всё в квантовом мире, спин квантуется (имеет порции) равные полуцелым множителям приведённой постоянной Планка, так же известной, как постоянная Дирака ħ (ħ = h / 2π). Разные частицы могут иметь спин равный 0, ½ħ, 1ħ, 3/2ħ, 2ħ и т. д. Нас интересует электрон, и его спин имеет значение ½ħ либо –½ħ (иногда можно встретить, как положительный спин электрона показывают стрелкой, направленной вверх ↑, и называют «верхним электроном» а отрицательной – стрелкой вниз ↓ или «нижним электроном»).


Возьмём шар, как бы мы его не поворачивали, он при любом повороте неотличим от начального состояния. Про него можно сказать, что его спин равен 0. Возьмём теперь любой несимметричный предмет – для того, чтобы его вернуть к первоначальному виду, необходимо его повернуть на 360 градусов. Про такой объект можно сказать, что его спин равен 1. Теперь возьмём симметричное тело, например цилиндр. Если мы его повернём на 180 градусов, мы так же не сможем отличить его текущее состояние от первоначального, поскольку за полный оборот, он будет в таком состоянии дважды, его спин будет равен 2. Про спин в ½ сложнее. Такое значение по нашей логике должен иметь предмет, состояние которого вернётся к исходному за два полных оборота (720 градусов). В макро-мире тоже можно сконструировать подобные объекты (на гифке пример вращения на 2 оборота для возврата в первоначальное состояние):

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Если взять ленту Мёбиуса и представить, что по ней ползет муравей, тогда, сделав один оборот (пройдя 360 градусов), муравей окажется в той же точке, но с другой стороны листа, а чтобы вернуться в точку, откуда он начал, придётся пройти все 720 градусов.


Ещё в какой-то мере аналогом половинчатого спина может служить четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. При повороте коленчатого вала на 360 градусов поршень вернётся в исходное положение (например, верхнюю мёртвую точку), но распределительный вал вращается в 2 раза медленнее и совершит полный оборот при повороте коленчатого вала на 720 градусов. То есть при повороте коленчатого вала на 2 оборота двигатель внутреннего сгорания вернётся в то же состояние. В этом случае третьим измерением будет положение распределительного вала. Так и электрону – ему надо повернуться дважды, чтобы вернуться к предыдущему состоянию.


Все квантовые частицы имеют спин. У некоторых значения спина – целое число, и такие частицы называют бозоны (фотоны, глюоны, W и Z бозоны и т. д.), а некоторые – полуцелое (электроны, нейтрино, мюоны, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны), и они называются фермионами. Ещё можно сказать, что волновые функции у бозонов симметричные, а у фермионов – асимметричные.


Спин электрона является его четвёртым и последним квантовым числом – спиновым, и обозначается s. Два электрона могут находиться на одной орбитали (имея при этом совпадающие квантовые числа n, l, m, но при этом иметь разные направления спина).


Четыре квантовых числа (главное, орбитальное, магнитное и спиновое) полностью описывают состояние частицы, это своеобразный адрес электрона внутри атома.


Мы подходим к очень важному моменту – так как больше электронов на орбиталь «впихнуть» никак не получится, и никаких два фермиона (имеющих полуцелый спин) не могут иметь одинаковый набор квантовых чисел, то есть находиться в одном и том же квантовом состоянии.


То, что мы не можем нагромождать электроны друг на друга и объясняет причину, по которой вся материя должна эксклюзивно занимать определённый объём и не пропускать через себя другие материальные объекты. Это и есть Принцип запрета Паули. В то же время, это касается только фермионов (из них сделана материя), бозоны же (свет, радиация) могут при определённых обстоятельствах проходить сквозь материю, впрочем, иногда они поглощаются. Так, если вы будете стараться сблизить два электрона в одинаковых квантовых состояниях между ними возникнет дополнительное отталкивание, которое иногда ещё называют отталкиванием Паули.


Что это значит для нас? По мере роста атомного ядра, в нём растёт количество протонов, а значит – для того, чтобы атом был нейтрален, в нём должно присутствовать такое же количество электронов. Раз электроны не могут «селиться» на одной орбитали больше определённого количества, они вынуждены занимать «этажи» повыше, т. е. иметь боле высокую энергию.


Легко посчитать, что орбиталь типа s может вместить лишь 2 электрона, на орбитали типа p можно уместить 6 электронов, в d орбитали есть место для 10 электронов, а f орбиталь вмещает 14. Теперь, думаю, многим станет очевидно, почему периодическая таблица элементов выглядит именно так:

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Если внимательнее приглядеться, то можно увидеть некоторое несоответствие – например следующей орбиталью за 3p идёт не 3d, а сразу 4s, что как-то нелогично. Однако в этом мире не всё так просто. Дело в том, что энергия, необходимая для начала заполнения орбитали 4s на самом деле ниже, чем энергия, необходимая для того, чтобы начать заполнение 3d:

Правила общежития электронов внутри атома Физика, Квантовая физика, Химия, Периодическая система, Квантовые числа, Гифка, Длиннопост

Конфигурация электронов в атоме почти полностью определяют его химические свойства. С определённой точки зрения можно сказать, что химия – это наука об электронах и их взаимодействии. Если фотон, наверное, самый важный бозон в нашей вселенной, то самым важным фермионом является электрон.

Показать полностью 7
Отличная работа, все прочитано!