Знаете ли вы сколько весит свет?
При взрыве в Хиросиме выделилось вроде 8 грамм света. Но не помню точно.
Нисколько. Фотоны выдумали только в начале 20 века. Они существует, только когда о них думает физик и то в безмассовом состоянии, причем скорость судя по всему они приобретают мгновенно. Вообще взвешивание квантов, а именно таким хитрым способом физики уходят от ответственности, дело безперспективное, хотя может быть и увлекательное.
Фотон (γ). Что такое фотон, его импульс, масса, энергия и другие свойства
Название фотон происходит от греческого слова φῶς, которое означает “свет”. Фотон – это элементарная частица, которая несет квант (т.е. одну порцию) энергии электромагнитного излучения. Энергия фотона точно определена и зависит от частоты электромагнитной волны.
Изучение свойств электромагнитных волн на рубеже 19 и 20 веков принесло множество наблюдений, которые не могли быть объяснены на основе волновой теории Максвелла. Среди дилемм физиков того времени был спектр излучения тепловых источников света (например, классической лампочки), явление излучения черного тела, внешний фотоэлектрический эффект, то есть эмиссия электронов из металлов под воздействием падающего электромагнитного излучения. Эти явления невозможно объяснить, рассматривая электромагнитное излучение как волну.
Рис. 1. Свет как волна и как пучок фотонов
Волновое описание света, утвердившееся в науке того времени и подтвержденное рядом экспериментов и теорий, должно было столкнуться с наблюдениями, показывающими, что свет ведет себя не только как волна, но и как совокупность частиц. Макс Планк, объясняя спектральное распределение излучения черного тела, ввел понятие порции энергии, которую он назвал квантом. Эта концепция была развита Альбертом Эйнштейном, когда он заявил, что, например, электромагнитная волна состоит из частиц (так называемых квантов) света.
Определение.
Фотон ( γ ) – это частица, несущая порцию энергии (квант энергии) электромагнитного излучения. Название было предложено американским физиком-химиком Гилбертом Ньютоном Льюисом. Она должна была описывать фотон как частицу, переносящую энергию излучения. По мнению ученого, фотон должен был поглощаться и испускаться материей.
Фотоны ( γ ) являются элементарными частицами. Они не имеют массы покоя и всегда движутся со скоростью света. Согласно текущему состоянию знаний, квантовая механика предлагает наилучшую модель, объясняющую фотоны. Это справедливо для всех элементарных частиц. Поэтому они демонстрируют дуализм волна-частица. Это означает, что они обладают свойствами волн и частиц.
Что такое фотон?
Свет – это диапазон электромагнитного спектра, который вы можете воспринимать невооруженным глазом. Иногда слово “свет” также используется для описания электромагнитных волн с большей длиной волны, например, инфракрасного света, или с меньшей длиной волны, например, ультрафиолетового света. Этот свет описывается в квантовой физике как поток квантовых объектов. Эти квантовые объекты – фотоны.
Фотоны ( γ ) являются частицами-носителями электромагнитного взаимодействия. Таким образом, они представляют свет, а также все другие электромагнитные волны и переносят электромагнитную силу. Квантовая электродинамика описывает фотон как так называемый бозон, элементарную частицу, свойства которой четко отличают ее от свойств электрона или подобных частиц. В большинстве случаев бозоны всегда являются также частицами-носителями сил, таких как электромагнитные, сильные и слабые силы.
Квантовая электродинамика – это область квантовой механики, которая адаптирует классическую электродинамику к современной квантовой механике. Одно из его важнейших свойств – отсутствие массы. Более того, его энергия, а также импульс пропорциональны его частоте.
Свойства фотона
Фотоны – это безмассовые, электрически нейтральные и стабильные элементарные частицы. Фотон является частицей-носителем электромагнитного взаимодействия и не подчиняется принципу Паули.
| Электрический заряд | 0, нейтральный |
| Масса покоя | 0 кг |
| Спин | 1 |
| Взаимодействие | электромагнитный гравитация |
| Скорость движения | Скорость света c = 299 792 458 м / с |
Масса и скорость фотонов
Согласно современному уровню знаний, фотон должен быть безмассовым. Если бы у него была масса, фотоны не двигались бы со скоростью света (c). Это означало бы, что скорость света перестала бы быть скоростью света, а стала бы теоретическим пределом скорости, которую объект может достичь в пространстве-времени. Кроме того, скорость фотона будет зависеть от его частоты, и многие законы природы, такие как закон Кулона, получат дополнительные факторы. Тогда многие современные устройства будут работать по-другому или вообще не будут работать.
Вывод: экспериментально доказано, что фотон не имеет массы.
Скорость света в вакууме является универсальной константой, равной точно = 299 792 458 м/с. Не странно ли, что, в отличие от других констант, здесь нет многочисленных десятичных цифр, которые мы обычно округляем в зависимости от приближения, которого хотим добиться? Точное значение скорости света просто выводится из определения метра, принятого в 1983 году. Согласно этому определению, 1 метр – это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 с.
В астрономии используется другая единица длины, не входящая в систему СИ, связанная со скоростью света. Это световой год, определяемый как расстояние, проходимое светом за один год. При определении светового года используется юлианский год, продолжительность которого составляет 365,25 дня. Аналогично можно использовать такие единицы измерения длины, как световая секунда, световая минута и т.д.
Скорость фотонов в вакууме не зависит от частоты электромагнитного излучения. Она одинакова для всех диапазонов излучения – от гамма-излучения до радиоволн. Одним из доказательств является наблюдение за вспышками звезд. Радиоволны и свет, излучаемые во время вспышки звезды, достигают Земли одновременно. Их скорость равна в пределах 10 -7 .
Фотон в вакууме всегда движется с постоянной скоростью для каждого наблюдателя. Если объект, движущийся со скоростью v = 0,9c, испускает фотон в направлении, совпадающем с направлением его скорости (см. рисунок 2), то фотон будет удаляться от него со скоростью света c. Но для неподвижного наблюдателя скорость фотона также будет равна скорости света с.
Этот факт, не согласующийся с нашим повседневным опытом, является фундаментальным предположением специальной теории относительности Альберта Эйнштейна. Почему это кажется нам странным и противоречит нашему опыту? Просто в повседневной жизни мы не сталкиваемся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Такие скорости достижимы для тел с очень малой массой. Эксперименты с частицами, такими как электроны, протоны или атомные ядра, ускоренные в ускорителях до скоростей, близких к скорости света, подтверждают постоянство скорости света в любой системе отсчета.
Рис. 2. Фотон, испущенный ракетой, летящей со скоростью v = 0,9c, движется со скоростью c, как относительно ракеты, так и относительно неподвижного наблюдателя
Энергия фотона
Фотоны движутся в вакууме со скоростью света c. Поэтому для определения его энергии нужна теория относительности. Это следует из релятивистской взаимосвязи между массой, энергией и импульсом.
E 2 = p 2 * c 2 + m 2 * c 4
В этой формуле E означает энергию, p – импульс, m – массу, а c – скорость света. Если задать m = 0, то получится следующая взаимосвязь между импульсом и энергией E = p * c.
Поскольку фотон является квантом, то можно выразить его скорость и, следовательно, импульс через его частоту или длину волны. Это дает вам взаимосвязь между частотой и энергией: E = ħ * ω = h * f = h * c / λ .
В этой формуле f – частота фотона, ω = 2 * π * f – его угловая частота, h – обычная постоянная Планка, ħ = h / 2 * π – приведённая постоянная Планка и λ – длина волны фотона.
Рис. 3. Фотоны фиолетового света имеют самую высокую энергию, а фотоны красного света – самую низкую. [источник: 彭家杰 [CC BY 2.5], через Wikimedia Commons].
Постоянная Планка, входящая в формулу, является физической константой, характерной для микромира. В соответствии с решением Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) от 16 ноября 2018 года, её величина определяется точно, т.е. без погрешности, и составляет: h = 6,62607015⋅10 −34 кг·м 2 ·с −1 (Дж·с).
Единицей энергии фотона является джоуль (Дж), но очень часто используется альтернативная единица – электронвольт (эВ). Один электрон-вольт – это энергия, полученная электроном, ускоренным напряжением в 1 вольт (В). Для перевода 1 эВ в джоули достаточно умножить величину элементарного заряда e, т.е. 1,602 * 10 -19 Кл, на один вольт, то есть 1 эВ = 1,602 * 10 -19 Дж.
Поэтому постоянная Планка может быть выражена в эВ. Она составляет 4,135 667 669 …. * 10 -15 эВ * с (для расчётов часто используют округленное значение h = 4,14 * 10 -15 эВ * с ).
Насколько велика энергия фотона? Определим, например, энергию фотонов, испускаемых гелий-неоновой лазерной указкой с длиной волны 633 нм.
E = 6,62607015⋅10 −34 * 3 * 10 8 / 633*10 -9 ≈ 3,14 * 10 -19 Дж .
Это значение можно хранить в гораздо более удобной форме в электронвольтах: E = 3,14 * 10 -19 / 1,602 * 10 -19 ≈ 1,96 эВ .
Типичные энергии в макромире – например, кинетическая энергия мяча, брошенного с высоты 1 м, непосредственно перед ударом об асфальт – порядка 1 Дж, то есть порядка 10 19 эВ. Энергии фотонов значительно меньше. Давайте сравним 1 Дж с энергией процесса, характерного для микромира, например, с энергией, выделяемой при полном сгорании одной молекулы метана в кислороде. Энергия сгорания метана составляет 891,6 кДж/моль, что после деления на постоянную Авогадра, составляет: E = ( 891,6 кДж/моль ) / ( 6,02214076⋅10 23 моль −1 ) = 14,8 * 10 -19 Дж = 9,2 эВ .
Полученное значение, как видно, того же порядка, что и энергия фотона, испускаемого гелий-неоновым лазером.
Следует помнить, что энергия фотонов зависит от частоты электромагнитного излучения, которая может принимать значения от единиц кГц для радиоволн до порядка 10 24 Гц для гамма-излучения. Поэтому энергия фотонов может составлять от 10 -12 эВ до 10 9 эВ.
Фотоны, принадлежащие к различным областям электромагнитного спектра, имеют энергию, отличающуюся друг от друга даже на несколько порядков.
Импульс фотона
Как уже упоминалось, теория относительности связывает импульс с энергией. Это важно для фотона, поскольку он движется со скоростью света, т.е. релятивистски.
Зная, что E = h * c / λ , и p = ħ * k , где k = 2 * π / λ – угловое волновое число, в итоге получаем: p = ħ * k = h * f / c = h / λ .
Возникновение фотона
Фотоны создаются различными способами. Наиболее распространенным способом наблюдения генерации фотонов является переход электронов в другие энергетические состояния. Это происходит, например, когда электрон в электронной оболочке атома переходит на более высокий уровень. Этот уровень нестабилен, и электрон через некоторое время возвращается обратно в исходное состояние.
Однако, на высоком уровне было больше энергии, чем на исходном. Эта избыточная энергия излучается в виде фотона. Но фотоны также могут испускаться в виде гамма-излучения во время ядерных переходов или реакций аннигиляции в частицах-античастицах. С помощью правильных измерительных приборов можно обнаружить присутствие таких фотонов.
Запутанные фотоны
Фотоны могут быть запутаны относительно их поляризации или направления полета. Поляризация дает вам информацию о направлении колебаний электромагнитной волны. Это означает, что если вы измеряете поляризацию одной из этих частиц, вы знаете поляризацию другой.
В случае направленного излучения, т.е. излучения, возникающего при встрече античастиц и частиц, образуются запутанные фотоны. Эти два фотона запутаны в своем направлении и поляризации. В медицине это свойство используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Применение фотонов
Фотоны используются во многих областях. Одним из самых распространенных и наиболее важных применений является лазер.
Одиночные фотоны могут быть обнаружены различными методами. Одним из старейших методов является использование фотоумножителя. При этом используется фотоэлектрический эффект. Фотон с достаточной энергией попадает на металлическую пластину. Там он выбивает электрон из связи, что запускает каскадный эффект.
Рис. 4. Внешний фотоэффект. В фотоэлектрическом явлении свет проявляет корпускулярную природу – фотон выбивает одиночный электрон из металла.
Масса фотона и смежные вопросы. Часть 1
Недавно, в комментариях под одним из постов у меня возник спор с несколькими людьми о массе фотона. Судя по тому, что какие-то комментарии набрали положительный рейтинг, а мои комментарии даже ушли в минус, некоторые заблуждения, относящиеся к этой теме, довольно популярны. Поэтому, в этой части я постараюсь тщательно их разобрать. Я не претендую на абсолютность моих слов, и в чем-то даже могу ошибаться. Поэтому всех призываю к обсуждению в комментариях к этому посту.
Все, что написано ниже, рассматривается с позиций релятивистской механики, в которой предельная скорость распространения взаимодействий ограничивается скоростью света. То есть c — скорость света.
1) Импульс равен произведению массы на скорость
Нет, механическое определение импульса в релятивистской механике принимает следующий вид
2) Масса частицы зависит от её скорости
Нет, масса частицы не зависит от выбора системы отсчета и, следовательно, от скорости движения. Это следует из соотношения между энергией и импульсом для частицы массы m
В левой части этого равенства стоит релятивистский инвариант.
3) А как же формула
Это просто кусок, выдранный из определения импульса. Здесь m0 обозначена масса покоящейся частицы, то есть при v = 0. Но так как масса не зависит от скорости, то m = m0. Поэтому если у приведенного выше выражения и есть физический смысл, то это точно не масса частицы.
4) У фотона есть масса, но отсутствует масса покоя
Так как масса частицы что в покое, что в движении — одна и та же, то давайте остановимся на том, что у фотона все-таки нет массы.
5) Но как же формула
Эта формула получена следующим образом
А знаете как получена формула E = mc^2?
Вы действительно хотите приравнять энергию покоящейся частицы к энергии фотона, который движется со скоростью света?
6) А с чего мы вообще взяли, что у фотона нет массы покоя и, следовательно, массы?
Дело в том, что фотоны движутся со скоростью, равной скорости света. Единственный способ избежать неприятностей (взгляните на формулу для импульса) в этом случае — принять массу фотона равной нулю.
7) Понятия массы и энергии эквивалентны
Нет. Всякая масса обладает энергией, но не всякая энергия обладает массой. Как раз поэтому в физике элементарных частиц принято измерять массу в электронвольтах. Это связано с тем, что массу частицы можно определить через её энергию покоя, то есть энергию, которой обладает частица, когда она покоится.
8) Но если у фотона нет массы, то что такое давление света?
В этом случае давление определяется импульсом фотонов, а не массой. Кстати, значение модуля импульса фотона можно найти из соотношения между энергией и импульса, положив в нем массу равной нулю
Таким образом, с позиций релятивистской механики, в которой максимальная скорость распространения взаимодействий принимается равной скорости света, масса фотона должна быть равна нулю.
В следующей части я расскажу, почему фотоны, даже не имея массы, испытывают влияние гравитационного поля. А в третьей части постараюсь объяснить, почему нельзя вот так просто взять и положить массу фотона равной нулю.
169 постов 1.3K подписчиков
Правила сообщества
Уважайте оппонентов и аргументируйте свои доводы. Ссылки на соответствующую литературу приветствуются.
Как?! Еще нет этой картинки?!
Фотон — безмассовая частица. Вас поддержал еще в посте со скрином комментов. Рад, что вы запилили пост.
C 7 пунктом не согласен. Мысль такая. Протон состоит из кварков, масса протона равна массе кварков + энергия взаимодействия между ними (квантовая хромодинамика). Добавим электрон, получим атом водорода (протий). Теперь внимание. При попадании фотона в атом, масса атома увеличится из-за возбуждения атома.
Так к чему это я, масса это очень тонкая штука, про которую мы мало что знаем. Мы даже не знаем, однинакова ли гравитационная и инерциальная массы. Но то, что масса по сути является энергией, а энергию можно преобразовать в массу — одно из ключевых знаний, полученных человеком.
Много бла-бла-бла, но нет самого главного, с чего вообще весь разговор надо было начинать — что такое масса? О каком конкретно определении массы идет речь? И вот, уже исходя из этого, начинать рассуждать — есть она, масса именно в этом конкретном понимании, или нет ее. Например, одно из определений массы частицы гласит, что это — абсолютная величина вектора энергии-импульса. Это, кстати, напрямую следует из формулы в п2.
Автор сам себе противоречит. Пишет формулу m=m0/sqrt(1-v^2/c^2) и тут же постулирует, а фиг с ним пусть будет m=m0, мы же знаем ;). Жонглирует понятием массы, не уточнив, какую конкретно по умолчанию он имеет в виду. А масса бывает — масса покоя, масса инертная полная, масса гравитационная активная, масса гравитационная пассивная. Про эквивалентность массы и энергии не слышали? Это на минуточку как бы знаменитая E=m*c^2, она же, в динамике, E=m*c^2/sqrt(1-v^2/c^2). Эквивалентность, Карл, значит что это одно и то же, а не «всякая масса обладает энергией, но не всякая энергия обладает массой».
Опровергать по пунктам считаю излишним, они все основаны на одном и том же ложном постулате m=m0.
Куда ты катишься, Пикабу
Эээ. Пусть у нас есть шар, внутри покрытый абсолютно отражающим покрытием. Внутри темно. Взвешиваем его и напускаем внутрь света, пока там не наберется 9*10^16 Дж световой энергии. Свет заперт в шаре. Теперь взвешиваем еще раз. У нас шар потяжелеет на 1 кг или нет?
когда будет 2 часть?
«6) А с чего мы вообще взяли, что у фотона нет массы покоя и, следовательно, массы?»
Вы привели хороший довод, но есть ещё один.
Если бы фотон имел массу, то прежде всего не был бы верен закон Кулона. Это видно из следующего простого рассуждения. Как показал японский физик-теоретик Х. Юкава, если бы переносчики электромагнитного взаимодействия — фотоны — имели конечную массу m, то на расстоянии a = h/mc от заряда (так называемая комптоновская длина волны) потенциал электрического поля был бы в e раз меньше, чем даёт закон Кулона. Измерение правильности закона Кулона в лабораторных условиях показывает, что a по крайней мере больше 2 * 10^9 см.
Намного более точную оценку можно получить на основании того факта, что в галактиках наблюдаются магнитогидродинамические волны в заряженной плазме. Волновые процессы в плазме переносят с собой периодически изменяющееся электромагнитное поле. Существование массы у фотона привело бы к «затуханию» длинноволновых колебаний. В галактиках магнитогидродинамические процессы охватывают огромные расстояния, доходящие до десяти тысяч парсек (1 парсек = 3,26 светового года). Отсюда следует фантастическая оценка a > 10^22 см, достаточная для того, чтобы не сомневаться в правильности гипотезы о равенстве нулю массы фотона. Ведь если массу фотона выражать в электрон-вольтах, то она получается меньше 10^(-27) эВ!
А самое занятное то, что фотон не существует, так как является исключительно модельным понятием. Просто такая штука иногда удобнее для описания.
Вот не лень даже было формулы техать, компилить, скринить и резать на кусочки для вставки в пост.
На пикабу появился нормальный пост в разделе наука, вангую что он даже 10 плюсов не наберет. Вот если бы писали об инопланетянах или просто бред с красивыми картинками, то пост даже в горячее может выйти.
ОМГ. началось. Щас опять будет мракобесный холивар от людей, считающих что в школьные предметы — это наука, и вообще уже кем-то доказано, что наука все врет.
2 и 3. Масса m, т.е. полная релятивистская масса действительно не зависит от скорости. Однако, полная масса m в ОТО состоит из двух масс: массы покоя m0, также называемой инвариантной массой и инерционной массы, завясящей от скорости (ее называют слабой гравитацией).
Таким образом, в зависимости от выбранной системы отсчета, соотношение покоящейся массы и инерционной будет изменяться.
7. неправильно, всякая энергия обладает массой. Как раз поэтому в физике элементарных частиц принято измерять массу в электронвольтах. И это не связано с тем, что массу частицы можно определить через её энергию покоя, то есть энергию, которой обладает частица, когда она покоится. Масса частицы в ОТО состоит из двух составляющих: массы покоя плюс массы инерционной, либо только инерционной. В квантовой теории поля есть дополнение: масса состоит из полной энергии частицы, вне зависимости от вида энергии, т.е. любых из четырех фундаментальных взаимодействий. Масса покоя — это лишь одна из составляющих полной энергии частицы, которой может и не быть.
8. Релятивистская масса и энергия эквивалентны. У фотона есть масса, т.к. есть энергия, но это слабая гравитация (см. выше). Именно поэтому они и испытывают влияние гравитационного поля.
а давайте примем что у фотона есть масса и в покое и в движении
хорошо. так. кванты меня опять нашли.
попробуем их опять осилить
А как нам помогает принятие массы фотона за 0 в 1м уравнении?
было просто деление на ноль, получилось деление 0 на 0, но разве и то и другое не рассматривается как неопределенность?
В следующей части я расскажу, почему фотоны, даже не имея массы, испытывают влияние гравитационного поля.
То есть несуществует фотонов в покое?
я не понял, я сейчас в школе или деградирую на пикабу?
Уважаемый @obsurder, Ваше высказывание «масса частицы не зависит от выбора системы отсчета» © Obsurder, в контексте, не совсем корректно. Ведь выбор системы отсчёта может выпасть на систему, к которой принадлежит частица в момент определения. Иными словами «гравитационная составляющая» (если можно так назвать), есть ничто иное как принадлежность вызванная силой притяжения массивным объектом (телом, энергетическим всплеском и т.п.). Рекоммендую к прочтению «Релятивистские метеоры» под ред. Хренова Б.А. хоть и многовато воды, но есть полезная информация к размышлению.
6) А с чего мы вообще взяли, что у фотона нет массы покоя и, следовательно, массы?
Дело в том, что фотоны движутся со скоростью, равной скорости света.
А вот смотрите — если фотон будет двигаться в среде, где его скорость будет бесконечно мало отличаться от нулевой — его масса будет стремиться к бесконечности?
@obsurder, слушай, а можно до тебя докопаться? Вопрос по физике, но мне реально некого спросить среди знакомых, а вопрос не такой важный, чтобы пилить пост.
Наша Вселенная как термодинамическая система — она изолированная или нет? Потому что если нет, из этого почти следует вывод о множественности вселенных %)
От себя добавлю — вы, математики и физики, смотрите на свои формулы зашоренными глазами и оперируете официально признанными парадигмами. Какая-то группа учёных решила, что число пи равно 3,14 и не при каких условиях не меняется. Ещё как меняется. и время и пространство. При гравитационгных сублимациях при усорении выше 15-ти получается эффект коллапса и пространство сжимается внутрь на 0,0014 пекалей. Для такого случая ни одна формула не подойдёт. А вы про фотоны, про массы.
..хочется выслушать «учителей» от правил дорожного движения по этому вопросу. Уверен, что они всё знают.
Могу сказать точно, что масса у фотона есть.
Электронная плотность
Наглядно о том, чем отличаются ковалентные полярные, неполярные и почти ионные связи. На картинках представлена электронная плотность молекул:
Зептосекунда
Ядерные реакции в звёздах (те, которые породили атомы в вашем теле) происходят на протяжении зептосекунд.
В 1 секунде гораздо больше зептосекунд, чем было секунд после Большого взрыва.
Зептосекунда — это одна сектиллионная доля секунды (10^-21). Самая высокая точность определения времени когда-либо достигнутая.
Нобелевская премия по физике за «жуткую» квантовую запутанность
Три квантовых физика получили Нобелевскую премию по физике за свои эксперименты с запутанными фотонами , в которых частицы света становятся неразрывно связанными. Такие эксперименты заложили основу для множества квантовых технологий, включая квантовые компьютеры и средства связи. Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получат по одной трети приза в размере 10 миллионов крон (915 000 долларов США). На пресс-конференции, посвященной присуждению награды, Цайлингер отдал дань уважения начинающим ученым, работавшим с ним. «Эта премия была бы невозможна без многолетней работы более 100 молодых людей».
В свое время Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «призрачным действием на расстоянии», поскольку кажется, что частицы обмениваются информацией мгновенно, даже если они находятся далеко друг от друга.
Нобелевка по физике за 2022й год
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2022 года стали Ален Аспе (Alain Aspect), Джон Клаузер (John F. Clauser) и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) — за эксперименты с запутанными фотонами, исследование нарушений неравенств Белла и работы по квантовой информатике. И, что самое главное, они в трёх разных экспериментах всё-таки нашли нарушения неравенств Белла
Все трое исследовали запутанные состояния квантовых чисел и упорно искали нарушения неравенств Белла (предложены ещё в 60х годах прошлого века). Эти неравенства возникают при анализе парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Первым нарушения обнаружил Джон Клаузер, после чего очень многие то подтверждали, то отвергали эти нарушения неравенств Белла.
Смысл в этих экспериментах один — доказать полноту квантовой физики целиком, в то время как парадокс ЭПР утверждает от неполноте квантовой теории физики и указывает, что должны быть «скрытые параметры»
Пейзаж в магнитном поле
Магнитная жидкость в поле одного магнита под микроскопом
Голос атомных ядер: собираем магнитно-резонансный магнитометр
Пора уже поближе познакомиться с квантовой физикой на практике! Сегодня я расскажу вам об истории открытия эффекта ядерного магнитного резонанса, но в отличие от классических учебников полных зубодробительного матана мы обратим наш разрушительный для когеренции взгляд на экспериментальную составляющую. С полученными знаниями вы сможете в духе старого доброго DIY собрать несложный прибор, который позволит вживую послушать сигналы ядер атомов водорода а также измерить величину магнитного поля нашей планеты.
Немного истории
Где-то сто лет тому назад, физики увлечённо пытались разобраться из чего же состоит наш мир. На тот момент было очень мало известно о том, что же из себя представляют мельчайшие частицы материи – атомы. Резерфорд в своём знаменитом эксперименте обстрелял тонкую золотую фольгу альфа-частицами и после интерпретации результатов предположил что атом (уж по крайней мере, золота) это положительное ядро-планета, а вокруг него вращаются отрицательные спутники-электроны. Однако это был полный нонсенс для физиков того времени, так как уже тогда в школах изучали простую истину «положительный заряд притягивается к отрицательному». Ради забавы делали даже расчёты, которые предсказывали что электрон в такой модели должен был бы упасть на ядро за примерно 0.0000000001 секунды, на чём история нашей вселенной и закончилась бы. Но Нильс Бор всех спас, введя свои знаменитые постулаты. Он послал подальше классическую механику и заявил, что орбиты электронов в отличие от хорошо уже изученных на тот момент орбит планет, могут принимать только несколько определённых значений. Причём обязательно таких, чтобы атом был стабилен, и никто никуда в нём не падал. Честно говоря, такая модель физикам ещё больше не понравилась, ведь это было скорее похоже на натягивание совы на глобус атом. Масла в огонь подлил Арнольд Зоммерфельд, который дополнил модель Бора и предположил, что на этих невообразимо мелких масштабах вообще всё в атоме должно принимать только определённые значения (проще говоря — квантоваться): энергия, угловой момент движущихся электронов и ядер и даже ориентация орбит электронов в пространстве!
Последнее особенно сильно зацепило Отто Штерна, тоже физика. Он потратил кучу времени на то, чтобы найти способ опровергнуть эту возмутительную теорию, и даже выпросил денег на эксперименты у самого Эйнштейна. Вместе со своим коллегой Вальтером Герлахом они построили установку, которая позволяла бы определить, любую ли ориентацию в пространстве могут иметь орбиты электронов атомов или только несколько определённых. Предположения были довольно простые: как было известно из простейших экспериментов, ток, текущий по кругу в медной рамке, приводит к возникновению магнитного поля. Ток — это поток электронов, следовательно и на атомарном уровне, электрон, двигающийся по орбите, тоже должен создавать своё небольшое магнитное поле, а атом в целом вести себя как маленький магнитик. Выходит, что если пустить поток атомов через неоднородное поле больших магнитов, то в зависимости от того, как ориентирована орбита каждого атома в пространстве, они разлетятся в разные случайные направления, что и можно попытаться зафиксировать.
Установка состояла из печи, которая нагревала серебро до тех пор, пока оно не начинало испаряться (более 1000 ), после чего его атомы собирались в подобие пучка при помощи заслонки с отверстием посередине. Стоит ли говорить, что всё это, разумеется, происходило в вакууме. Поток атомов пролетал между магнитами и в итоге попадал на пластину — детектор.
Схема экспериментальной установки Штерна-Герлаха, которую можно часто встретить на страницах учебников. Магнит сверху специально сделан в виде клина, чтобы сделать поле в районе пучка как можно более неоднородным. Для простоты показаны только полюса магнитов, участвующие в процессе (нет, это не монополи!).
Прожжённый физик конечно скажет, что картинка эта слишком рафинированная. Ведь настоящая установка напоминала собой этакий самовар с кучей непонятных трубочек, вполне в духе своего времени. Эксперимент с ней шёл пару часов, после чего надо было разбирать аппарат и подготавливать всё заново. Вместо отверстия для получения луча из атомов исследователи в итоге использовали щель (с отверстием опыт нормально не получался). Также, в первых попытках след не было видно вовсе и какое-то время коллеги полагали, что луч просто не попадал в пластину. Однако в один прекрасный момент, в процессе пристального разглядывания Штерн имел неосторожность подышать на неё, от чего внезапно рисунок проявился. Оказалось что дешёвые сигары, которые Отто курил порой прямо в лаборатории содержат очень много серы, реакция с которой и приводила к такому эффекту (похоже на байку, но это таки было проверено в 2002 году). В итоге, из-за несовершенства магнитов и сложностей в их юстировке, два раздельных пучка всё равно не расходились полностью, а лишь в середине, но тем не менее, рисовали на стекле первый поцелуй от квантовой физики человечеству:
Настоящая установка Штерна-Герлаха во всей красе.
Результат у них получился шокирующим и полностью противоположным их ожиданиям. Вместо опровержения теории они подтвердили её: поток атомов серебра четко разбивался на два пучка, что означало что квантование — это не теоретическая выдумка и математические шуточки, а нечто реальное. И где-то на глубоком уровне наноскопических масштабов магнитные свойства электронов могут принимать только два значения и никаких промежуточных. Исследователи по всему миру тут же стали повторять опыт, дорабатывать его, и писать новые теоретические обоснования и статьи. Было выяснено, что наблюдаемый эффект возникает из-за наличия магнитного момента у одного-единственного электрона, что болтается без пары на внешней орбитали атома серебра. Взяли бы Штерн и Герлах другое вещество для эксперимента, где все электроны парные и компенсируют моменты друг друга, не факт, что у них бы что-то получилось. Так, случайность как минимум дважды сыграла главную роль в этой цепочке событий.
Ещё немного истории
Когда все отошли от первого шока, стало интереснее заглянуть ещё глубже и понять вращаются ли ядра атомов, как и планеты, есть ли у них свой магнитный момент и самое главное, квантуется ли он. В экспериментальной установке Штерна-Герлаха электронные оболочки мешали это выяснить, так как момент электронов был много больше, чем у ядер. Одним довольно логичным решением оказалось использовать в экспериментах вместо атомов целые молекулы. Ведь если два атома с одним внешним электроном образуют молекулу, то магнитный момент оболочек будет скомпенсирован, и станет видно только момент ядер. Таким образом удалось определить, что момент есть в наличии у ядер водорода (протонов), однако точно измерить его не получалось. И тут за дело взялся Исидор Раби. Он улучшил разработку своих коллег, скрестив в своём аппарате сразу две их секции:
Парные магниты А и В повторяли собой конструкцию Штерна-Герлаха, но при этом технологично были более совершенны. Вместо постоянных везде были использованы компактные и температурно-стабилизированные электромагниты с активным жидкостным охлаждением. Это позволяло точнее контролировать и без того многочисленные переменные величины эксперимента и избавиться от кучи проблем связанных с неодинаковостью параметров молекул в пучках. Предполагалось, что пучок молекул входит в установку немного под углом и дважды изгибаясь снова фокусируется на выходе, где стоит детектор. Он, кстати, тоже стал электронным и курить около него не требовалось:
Хитрость была в том, что пары магнитов А и B были расположены с противоположной друг другу по вертикали полярностью, что и позволяло загибать и разгибать обратно пучки используя только магнитный момент ядер атомов. Две синие кривые на рисунке показывают путь молекул с разной скоростью и угловым моментом. Как бы они ни старались, в середине установки они были в одинаковых условиях и над ними можно было проводить всяческие манипуляции. Именно там Раби разместил третий электромагнит, помеченный как «С» с однородным полем, направленным уже горизонтально и, чтобы совсем стало сложно и научно, ещё и небольшие витки из медных трубочек внутри этого магнита, подключаемые к высокочастотному генератору.
Идея Раби была основана на теории о том, что у молекул, ядер атомов и электронов в постоянном магнитном поле должен быть разный угловой, а следовательно, и магнитный момент. Предпосылки к таким умозаключениям выросли опять же из механики: имея две юлы с разной массой вы скорее всего получите разные скорости их вращения в одном и том же поле тяготения вашей планеты и при прочих других равных условиях. А потому он предполагал, что когда пучок молекул попадает в магнит «С», на вращающиеся ядра составляющих их атомов можно будет выборочно воздействовать при помощи переменного поля подходящей частоты и таким образом переориентировать их в пространстве. Если такое произойдёт, то пучок молекул уже не сможет достигнуть детектора, так как он изогнётся в другую сторону. Именно такая ситуация показана на рисунке в виде перехода синих кривых в желтые.
Раби подавал на медные витки в центре установки фиксированный высокочастотный сигнал 3.5 МГц и менял ток в центральном электромагните, таким образом регулируя величину поля. В какой-то момент было зафиксировано отклонение пучка от детектора, что означало, что магнитный момент ядер поменялся под воздействием внешнего сигнала. Причём важно отметить, что процесс происходил довольно внезапно, то есть носил резонансный характер. Это было свидетельством квантовой природы феномена. Ядра при смене своего магнитного состояния поглощали энергию фотонов только строго определённой величины, и конечно же, количество таких состояний было ограничено:
Первый в мире график, демонстрирующий ядерный магнитный резонанс, именно Раби дал этому эффекту его имя (1938 г.). Получен он на пучках хлорида лития, содержащих изотоп 7Li.
Зная параметры процесса, стало возможным с небывалой точностью измерять магнитные моменты ядер разных атомов. Правда даже гениальному Раби на тот момент не пришло в голову, что открытый им эффект может быть повёрнут с ног на голову и использован где-то ещё кроме экспериментальных вакуумных установок для ядерной физики.
Лишь некоторое время спустя, в разных местах планеты Феликс Блох, Эдвард Пёрселл и Константин Завойский независимо обнаружили, что магнитный резонанс – это не только поглощение энергии ядрами, для смены их магнитной ориентации, но ещё и последующий процесс её высвобождения при их возвращении в предыдущее состояние. Оказалось, что такие сигналы релаксации вполне можно детектировать и в обычных материалах и предметах, а не только с отдельными атомами или молекулами в пучках. Достаточно поместить исследуемый объект в однородное магнитное поле, побеспокоить его другим перпендикулярным полем, и ядра атомов (или электроны) хором начнут отвечать:
Как измеряются сигналы магнитного резонанса. Стрелка компаса имитирует общую суммарную намагниченность ядер атомов внутри какого-либо объекта. Для их возбуждения на катушку можно подавать постоянный ток, или же сигнал определённой частоты (что, конечно, более эффективно). На экране осциллографа — сигнал релаксации от ядер атомов, снимаемый с той же катушки. Частота его специфична для разных атомов и даже их позиций в молекулах вещества.
Такой разворот открыл человечеству небывалые перспективы для новых методов определения состава веществ, структур молекул и всякой там томографии при помощи одних только магнитных полей. Все кроме Завойского в итоге получили нобелевские премии, химики – крутейшие спектроскопические анализаторы для лабораторий, а вы — возможность посмотреть, что же там болит в пояснице без какого-либо внешнего вмешательства.
Дико неэффективный процесс
Сегодня мы уже знаем, что ничего нигде в атомах не вращается. Ведь, например, чтобы получить величину магнитного момента электрона, наблюдаемую экспериментально, последний в своём вращении должен превышать скорость света где-то в сто раз, что крайне сомнительно. А ещё выяснилось, что он не возвращается в исходное состояние за один оборот, как это происходит с привычными нам в быту предметами. Поэтому для всех этих квантовых странностей был введён специальный отдельный термин «спин». Он есть и у ядер, которые следуют похожей никому непонятной логике.
Также выяснилось, что далеко не с любыми атомами магнитно-резонансные фокусы работают. Необходимым условием оказалось наличие нечётного количества протонов и (или) нейтронов в ядре. Но тем не менее, охват таблицы Менделеева впечатляет. Вот современные сводные данные от лаборатории государственного университета Флориды, где профессионально увлекаются вопросом:
Как видите, покрытие практически полное. Однако нельзя игнорировать слово «изотопы». Оно присутствует на картинке вовсе не для научного занудства. Многие химические элементы в обычном своём состоянии не удовлетворяют условиям получения сигналов от их ядер, а потому приходится выкручиваться с их собратьями другой массы, которые зачастую и не особо интересны для исследователей.
Другая титаническая проблема состоит в том, что ядра будучи не в лабораторных условиях, а внутри вещества упорно не хотят поляризоваться внешним магнитным полем, особенно если оно слабое. Причин для этого на атомных масштабах целая куча, но мы с высоты своих гигантских размеров не имеем возможности особо в них вникать, а поэтому называем ёмким термином «температура». Так, например, в поле величиной 1 Тесла (примерно такое можно найти у самой поверхности неслабых таких неодимовых магнитов) при комнатной температуре поляризация ядер водорода будет всего лишь 3 ядра на миллион своих ленивых собратьев, которые участвовать в этом откажутся. Разумеется, поймать сигнал от трёх ядер малореально, даже если задействовать самые топовые технологии человечества. Выручает тот факт, что в одной лишь капле воды атомов водорода будет где-то в районе 3,34*10^21. Благодаря такому безумному множителю мы уже можем что-то с этим сообразить.
Вообще говоря, водород как будто идеально был создан для магнитного резонанса: он есть практически везде и в больших количествах а его частота прецессии в магнитных полях, которые мы можем технически организовать или даже найти в природе — очень удачно подходит под возможности нашей приёмной электроники. Именно сигналы этого элемента чаще всего измеряют во всех сферах деятельности, где так или иначе замешан ядерный магнитный резонанс. И именно поэтому далее мы будем получать сигналы от протонов водорода в нашем самодельном магнитометре.
Ну наконец-то! Переходим к практике
Итак, довольно историй, пора действовать! Сперва понадобится найти подходящую ёмкость для водорода. Шучу, нам сойдет любая чистая вода, даже из-под кулера в вашем офисе (но в идеале, конечно, дистиллированная). Нужных атомов в ней будет предостаточно. Но тем не менее, не повторяйте моих ошибок и найдите по-настоящему герметичную ёмкость для жидкости. Для выбора её размеров есть ограничения с двух сторон — слишком маленькая бутылочка даст в итоге очень слабый сигнал, слишком большую использовать нецелесообразно экономически, так как впоследствии потребуется намотать вокруг неё катушку медного провода, который сегодня в дефиците. Я остановил свой выбор на баночке из-под жвачки:
Баночка из-под жвачки избавлена от содержимого и этикетки. Катушка справа — спойлер к дальнейшим действиям.
Следующий важный компонент — много медной проволоки. Понадобится как минимум метров 50-80 если речь идёт о диаметре 0.08 мм, который использовал я. В моём случае она была аккуратно выдрана из сломанного двигателя от какой-то бытовой техники. Вообще говоря, чем больше будет у вас проволоки и чем она толще — тем лучше для экспериментов. Проволоку надо намотать прямо поверх бутылки. Я использовал суперклей для фиксации в начале и прямо в процессе. Если вы когда-либо собирали катушку Тесла, то это не вызовет у вас затруднений. Да, нам понадобится значение индуктивности этой самодельной катушки далее, так что если у вас нет приборов для её измерения, то придётся считать витки по ходу дела:
Мотаем первый слой, не останавливаемся, и также мотаем поверх второй и третий. Резинка на горлышке немного поможет от будущих протечек.
Данная конструкция будет одновременно служить и для возбуждения протонов в воде и для приёма сигнала от них. Поэтому катушка должна иметь с одной стороны как можно большую индуктивность (много витков), с другой — не слишком большое сопротивление (мало витков). Эти условия как два конца одной палки, поэтому придётся находить баланс, учитывая материалы, которые вы найдёте. Для поляризации протонов на катушку понадобится подавать ток в пределах 250-750 мА, соответственно, если намотаете слишком много, то придётся объединять кучу батареек последовательно, чтобы получить нужный ток. Да-да, именно батареек. Забудьте про любые импульсные источники питания и стабилизаторы, ибо данный процесс будет дико чувствительным к любым помехам. Сопротивление моей катушки получилось около 27 Ом, что потребовало в итоге использования как минимум одного (18 В) аккумулятора от шуруповёрта для получения нужного тока поляризации.
Процесс работы устройства будет выглядеть так:
Принцип работы простейшего магнитно-резонансного протонного магнитометра (о-о-о-чень упрощённый).
Мы поляризуем протоны воды магнитным полем, создаваемым катушкой, а далее подключаем её к аудио-усилителю и слушаем ответные сигналы водорода. Частота сигналов будет зависеть от величины внешнего однородного магнитного поля, в котором находится бутылочка. Где ж его взять? Оно уже здесь вокруг вас, бесплатно предоставлено в пользование нашей любимой планетой Земля. Так удачно совпало, что резонансные сигналы водорода в поле Земли будут в районе 2 кГц, прекрасно слышимых нашими ушами (не зря же выбирали водород!).
К сожалению, сигналы эти, несмотря на огромное количество протонов в воде, будут категорически слабыми, с амплитудой где-то в десяток микровольт в лучшем случае. Посему просто прицепить к катушке переключатель и динамик как на анимации выше не прокатит, и без специального усилителя тут не обойтись. И спаять его придётся самостоятельно:
Да, коэффициент усиления будет бешеный, но и мы собираемся тут атомные ядра слушать, а не перфоратор соседа.
Общую архитектуру я скопировал отсюда, хотя компонентно моё решение думаю будет даже проще для повторения. Нам понадобится всего лишь три микросхемы двойных операционных усилителей. Я использовал то что было под рукой (TL082), но безусловно можно найти и что-то получше. Для данной задачи нужно обратить внимание на такие характеристики как коэффициент шума и входное сопротивление. Чем первая ниже, а вторая соответственно выше, тем будет лучше устройство работать в итоге.
Итак, главная причина, по которой усилитель надо собрать самостоятельно состоит в том, что его конструкция будет буквально зависеть от того, на каком месте планеты вы находитесь. Так как мы задействуем в эксперименте магнитное поле Земли, то перед созданием схемы сначала надо примерно выяснить величину этого поля, после чего получить значение рабочей частоты, а от него уже посчитать номиналы элементов схемы.
Карта магнитных полей нашей планеты, значения представлены в нанотесла.
По такой карте выходит довольно грубая прикидка, поэтому тут можно схитрить и использовать плоды прогресса. В смартфоне, с которого вы вероятнее всего читаете этот текст, уже есть магнитометр, который можно задействовать для более точных локальных измерений. Также в маркетах много приложений, которые показывают величины для вашей местности (напр. CrowdMag). В моём случае я выяснил величину в 49600 нанотесла. Её нужно умножить на гиромагнитное соотношение для водорода (42.58) и разделить на тысячу чтобы не было путаницы в порядках. Таким образом у меня вышло 2112 Герц. Это число далее будем использовать для подбора резонансного конденсатора, а также полосовых фильтров в схеме усилителя.
Кстати, вот и она:
Нажмите чтобы увидеть полный размер.
Несмотря на то, что выглядит сложно, она состоит из одинаковых кирпичиков — ступеней усиления, повторяя структуру с картинки выше. Если уж у вас хватит усидчивости мотать катушку, то спаять вместе три микросхемы — и подавно.
Небольшое описание к схеме
Кратко пройдёмся по ней слева-направо: сигнал приходит с катушки и встречает два диода 1n4007. Они ограничивают максимальную амплитуду на входе усилителя, чтоб не спалить его при тестах.
Следом идёт конденсатор. Он является, наверное, самым критичным элементом, и должен чётко быть в резонансе с катушкой. Именно для расчёта его номинала нам нужно значение индуктивности последней, а также рабочая частота контура (2112 Гц в моём случае). В интернете полно калькуляторов для его вычисления. Обратите внимание, для вашей местности номинал будет скорее всего отличаться от моего! Если вдруг у вас есть векторный анализатор (напр. OSA103), то настроить резонансный контур будет проще простого. Особо отчаянные могут использовать научный метод подбора и генератор. Чем меньше индуктивность вашей катушки — тем больше придётся делать номинал этого конденсатора.
Затем идут каскады усиления. Каждому операционному усилителю в соответствии с нужным коэффициентом вычисляются номиналы резисторов, тут можно просто повторить представленные в моей схеме. А вот для ступеней полосовых фильтров придётся применить вот этот калькулятор (снова используем значение частоты, полученное ранее). В итоге во всей схеме получается четыре одинаковые каскада, отличающиеся лишь номиналом одного резистора и две ступени с дополнительными резисторами и конденсаторами, формирующие фильтры. Как и в соц сетях, без фильтров тут никак не обойтись.
Катушки индуктивности на линиях питания — тоже важный элемент, предотвращающий взаимодействие каскадов друг с другом, их надо поставить обязательно. Номинал я не написал, так как намотал их наобум, но в данном случае — чем больше мкГн тем лучше.
На выходе последнего операционника стоит электролитический конденсатор, он позволяет отсечь постоянный ток через наушники, чтобы выход нашего усилителя не надорвался, если вдруг сопротивление подключенных динамиков будет слишком малым.
Для запитки усилителя снова потребуются батарейки. Я задействовал две «кроны», так как TL082 хочет двухполярного питания для нормальной работы. В любом случае, не следует использовать один и тот же источник питания для запитки усилителя и для поляризации во избежание недоразумений.
Чтобы читатель не пугался всех этих электронных сложностей, я спаял схему в максимально небрежной и раздолбайской манере и ещё и на макетке. Это было сделано умышленно и должно продемонстрировать насколько грубой может быть реализация такого чувствительного прибора, но работать он всё равно будет:
Электронный NSFW
Мне настолько понравилось мотать катушки в процессе экспериментов, что и мелкие блокирующие индуктивности я изготовил самостоятельно, используя в качестве основы гильзы для обжима проводов. К сожалению, один из операционников у меня был только в мелком корпусе, отсюда такие страсти на обратной стороне платы. Кстати, она вышла эко-френдли, все компоненты кроме SMD я взял со старой сломанной техники.
А работать усилитель будет в полевых условиях. Поэтому желательно засунуть всё в какой-никакой корпус. Я распечатал вот такую коробочку из трёх частей с претензией на дизайн:
Усилитель в сборе. Внутри платка и две батареи «крона». Кнопка просто выключатель для питания, чтобы не сажать батареи попусту.
Вход усилителя будет соединяться с переключателем поляризации и далее с катушкой при помощи коаксиальных кабелей, именно поэтому вы наблюдаете SMA разъём спереди. Коаксиальные кабели нужны чтобы защитить и так слабые сигналы от внешних наводок. В целом для этого сойдёт абсолютно любой антенный кабель и разъёмы к нему. Единственное, нельзя размещать никаких магнитных частей около катушки, а саму катушку расположить как минимум в метре от усилителя.
Вернёмся к катушке
Прерывать в катушке индуктивности ток — это очень нехорошо. Катушки такое не любят и в ответ выдают большое обратное напряжение на своих концах. Разумеется, в таких условиях ничего измерять нельзя. Чтобы избавиться от этого паразитного эффекта, достаточно воткнуть в схему ещё один диод, повесив его прямо на её выводы:
Схема подключения катушки к диоду, переключателю поляризации и усилителю.
Катушка соединяется при помощи длинного кабеля к кнопке с батареей — переключателю режимов «поляризация» и «приём», а та — уже при помощи короткого коаксиала к усилителю.
Итак, если вы таки соберёте всё это дело вместе и включите, в наушниках вы должны услышать знакомое радиоприёмное «пшшш». Да, усилитель (будучи собран без ошибок) будет настолько чувствителен, что вы с его помощью сможете слышать вообще всё: статику от переливающейся воды в ёмкости с катушкой, трение коаксиального кабеля о пол, любые источники электромагнитного излучения, особенно всепроникающие 50 Герц и их гармоники. Даже узкополосные фильтры в нашей схеме увы не помогут это отфильтровать. В такой какофонии звуков пытаться расслышать жалкие сигналы атомных ядер просто невозможно физически. Чтобы прикоснуться к протонной магии, придётся отправится в путешествие подальше от людей. Только отринувши мирскую суету можно будет познать природу настолько глубоко.
Чем дальше от цивилизации и металлических объектов — тем лучше.
Перед стартом позаботьтесь о подставке для катушки. Измерения лучше проводить в метре от поверхности земли или выше, там поле более однородное. Я использовал пластиковую палку и распечатал небольшой крепёж для бутылочки:
Следы на катушке — это излишки суперклея.
Снизу крепления я сделал градуированную шкалу с шагом 22.5 градуса. Дело в том, что максимально эффективно процесс релаксации протонов будет происходить только когда бутылочка ориентирована в направлении на запад или восток. Нормального компаса у меня под рукой не было, и я решил сделать серию измерений, чтобы точно не ошибиться.
Вся установка в одном кадре:
Итак, когда все условия будут соблюдены, после нескольких секунд поляризации вы услышите его:
Первый щелчок на аудио обозначает старт тока через катушку и начало поляризации, а второй возникает при переключении в режим приёма. Именно протяжный угасающий звук колокольчика после второго щелчка — это и есть далёкий чарующий голос протонов, доносящийся из глубокой бездны ядерных масштабов. Длится он целых пару секунд, так что перепутать его с чем-либо ещё будет сложно. Построим в matplotlib спектрограмму этого сигнала:
Это спектры шестисекундного отрывка со стартом от второго щелчка.
Измеренная частота довольно близко оказалась к расчётной! Далее я провёл измерения сигнала в разных положениях поворота бутылочки, чтобы найти заветное направление запад-восток.
Что интересно, частота не сильно менялась от измерения к измерению.
Тут меня ждал сюрприз, так как по ожиданиям должно было быть два максимума за полный оборот, а вместо этого, я получил один. Я провёл два раунда таких измерений, поворачивая бутылку сначала по часовой стрелке, затем против неё, пока не заметил, что вода в ней заметно нагрелась от тока, периодически текущего по катушке, на чём я и решил остановиться. Результаты я представил в виде диаграммы направленности:
График зависимости максимальной амплитуды сигнала от угла поворота бутылочки. По идее тут должна была быть «восьмёрка», но что-то пошло не так.
Такой результат вышел очень занятным, в качестве варианта объяснения, я могу предположить, что бутылочка была слегка под наклоном, а из-за того, что её конструкция не позволяла наполнить её доверху, там был воздушный пузырь, который переходил из одного её конца в другой, меняя количество воды внутри катушки, а соответственно и протонов. На этом мои эксперименты подошли к концу, а вот возможные применения для приборчика — нет.
Ну и зачем это всё?
Итак, полученный девайс не зря называется магнитометром. В первую очередь, он позволяет точно измерить величину магнитного поля планеты, достаточно использовать формулу для расчёта рабочей частоты в обратную сторону (мой результат 50186 нанотесла). Поле Земли непостоянно, и можно следить за его сезонными и годовыми изменениями, чтобы, например не проворонить переполюсовку. Также такой магнитометр можно использовать в археологических изысканиях, чтобы находить следы древних строений и их фундаментов, а ещё строить всякие интересные карты, привязав измерения к координатам GPS.
Далее, можно сделать две такие бутылочки и повесить их на концы длинной палки. В таком случае мы получим металлоискатель, работающий за счёт разницы резонансных частот протонов. Если в магнитном поле будут локальные неоднородности, то такая конструкция позволит их отыскать. Она, кстати, была предложена впервые аж в 1967 году,
за много лет до этих всяких МРТ
Картинка из статьи с примером использования дифференциального ядерного магнитометра — металлоискателя.
Кроме того, никто не заставляет ставить эксперименты только над водой. Можно залить и любую другую жидкость, где есть протоны и измерить резонансные частоты ядер в ней. Кто-то даже строит в таких условиях целые спектры. Конструкцию приёмника, для этого правда, придётся доработать, так как в данной статье она узкополосная.
Если добавить к этой штуке градиентные обмотки и какую-нибудь ардуину, то можно получить простейший аппарат МРТ для применения в полях. Он, конечно, будет очень долгим и разрешение картинок будет оставлять желать лучшего, но зато не требует никакого гелия и записи на приём за неделю.
Вот такой получился рассказ. Я надеюсь, что вы, как и я оценили объём практической и теоретической работы, который стоит за этим маленьким «дзынь», еле слышимым в наушниках. Квантовый мир хоть и окружает нас повсюду, но в тоже время он такой же далёкий, как и космос. Сегодня мы немного побыли в роли астрономов, которые развернули свои телескопы в другую сторону шкалы масштабов. Мир вокруг нас интересен в каждой мельчайшей детали, и поразительно как при помощи бутылки с водой и мотка проволоки можно немного коснуться самой его сути.
Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Свет разве имеет вес?
Давление света впервые измерил Лебедев, а не Столетов. Столетов занимался фотоэффектом.
Но в остальном всё верно: как и всякий прочий вид МАТЕРИИ, свет (электромагнитное поле, если точнее) характеризуется энергией, а значит — и эквивалентной массой. Но дело даже не в этом, а в природе гравитации. Гравитация — это искривление пространства, а свет распространяется в пространстве «по прямым линиям», которые в пространстве с искривлённой геометрией уже не прямые, а геодезические. Чёрная дыра искривляет пространство настолько сильно, что из этой «ямы» не может выбраться даже свет — геодезические линии в пределах чёрной дыры оказываются замкнутыми на сингулярность (которая в центре этой дыры) , а не проходят мимо, как для поля тяготения менее массивных объектов. Если б существовало какое-то гипотетическое излучение, «не имеющее энергии», — то даже оно бы не смогло бы выбраться из чёрной дыры.
Фотоны имеют массу, более того поле — материя.
soul perversion — спасибо, поржал.
свет не имеет массы. его эквивалентная масса m=E/c^2=h*ню/c^2 носит условный характер и в настоящее время в физике не используется. свет имеет импульс и энергию, поэтому вполне материален. ,,притягивает, , -это понятие классической физики и в ней свет никак не притягивается к массивным телам. отклонение от прямолинейного распространения света вблизи тяготеющих масс — это вывод теории относительности (кстати, первый проверенный в наблюдениях при солнечном затмении) . в этой теории тяготеющие массы не притягивают другие массы, а искривляют пространство-время и материя любой формы, в том числе и свет, движется в нем по геодезическим. вблизи черной дыры искривление световых лучей становится настолько большим, что они замыкаются сами на себя, т. е. свет начинает двигаться по кругу. поверхность по которой осуществляется такое распространение света называют горизонтом черной дыры. так что поглощение черной дырой света падающего на нее и проходящего достаточно близко от нее, объясняется не притяжением, а искривлением пространства-времени. и еще, свет — это материя, но природа ее современной науке не известна. упоминаемые тут в ответах эл. -маг. волны и корпускулы — фотоны просто удобные (но не всегда применимые) модели для описания поведения света
Вес — понятие относительное, а масса — абсолютное. Свет, естественно, имеет массу, а вес он будет иметь в том поле, способном на него воздействовать, в которое он попадёт. Поэтому, вес света будет напрямую зависеть от поля чёрной дыры (не обязательно гравитационного) . Вес света относительно самого себя ничтожно мал и зависит от энергии света (от его частоты) . Именно масса энергии, а точнее — сама энергия заставляет сворачиваться электрическое поле и магнитное поле в кольцо и таким образом образуется электромагнитное излучение. В видимом спектре для человека это — свет.
Коля — каша в голове, вес с массой путаем. )))
Свет даже давит — ей-богу, не вру. Включи лампу посильнее, и голову под нее — она так и склонится под давлением. Спать уже пора, епть.
В вакууме предметы не имеют массы. Поэтому, непринципиально- свет это или что-то другое.
Свет не имеет ВЕСА, но имеет энергию и массу — есть такая приблуда, мельничные весы Лебедева — там крыльчатка крутится потому, что ее вращает свет, чем интенсивнее облучение, тем быстрее вращение.
Черная дыра на самом деле не такая уж абсолютно черная — фотоны высоких энергий ее покидают вполне успешно, например, гамма-лучи, рентгеновские.
to Soul perversion — извращения более уместны в постели. Как говаривала та старая проститутка, «ДА, конечно, кошмар. Но не ужас-ужас-ужас. » Впрочем, было смешно, хоть и грустно. Здначицца, ШурупоFF, все тела во Вселенной — находящиеся в космическом вакууме — не имеют массы?
Мля, вид энергии, тело имело вес, в вакууме предметы не имеют массы. Пойду сожгу все книги по физике, в них ерунда написана. Я лучше буду читать мэил ответы!
Физику прогуливал?
У света двойственное состояние. Корпускулярно волновая теория.
Это и волна и частицы.
свет — не «вид энергии», а проявление электромагнитного поля, то есть — вида материи.
естественно, имеет и массу, (как и любая материя) . На весы его не положишь, но можно померить давление света, то есть импульс, получаемый от поглощаемых и отражаемых фотонов. Еще Столетов в 19-м веке померил.