Esmapilgul tundub varju kaalu küsimus rumal. Isegi kui vari kaalub, peab see olema nii väike, et seda saaks mõõta ainult mikroosakeste tehnika abil. Samuti on veel üks küsimus, kas valgusel on kaalu, kuna see peaks ühel või teisel viisil andma mis tahes objektile teatud kaalu?
Mõlemad küsimused tunduvad kummalised, kuid piisavalt huvitavad, nii et otsustasin need välja mõelda.
Meenutagem kõigepealt Peter Panit, nende sõnul oli tal elav vari, kuid see oli nii tähtsusetu, et tundus, et see kaalus ainult sigaretisuitsu. Peter Pan oli muidugi väljamõeldud tegelane, ehkki kvanttasandil ei pruugi see tähtsust omada ja selle looja J. M. Barry, ei olnud piisavalt teaduslikke teadmisi.
Tõepoolest, kasutades ühte tugiraami, võime järeldada, et meie varjud kaaluvad tegelikult vähem kui mitte midagi. Neljasaja aasta eest märkas astronoom Johannes Kepler, et komeedi sabad on alati päikesest eemale suunatud, ja jõudis järeldusele, et päikesekiired avaldavad survet, mis viib osakesed eemale. 19. sajandi lõpul koostas füüsik James Clerk Maxwell valguse rõhu arvutamiseks võrrandi, mida eksperimentaalselt kinnitati 1903. aastal.
Loodan, et saate aru, millega ma jõuan. Kui seisate ja päikesekiired langevad teile, loote vähendatud rõhu tsooni, mis on varjuga kaetud. Ülejäänud maastikuga võrreldes kaalub teie vari (või täpsemini, see ala, mida see katab) vähem.
Kui palju vähem? Mitte palju. Päikesekiirte rõhk on uskumatult väike: Maa pinnal vähem kui miljard miljardit Pa. Teisisõnu, ühe naela valguse intensiivsuse varjus võtab mitu miljonit inimvarju. Chicago linna tabanud valguse kogujõud on umbes 1334N.
Siiski ei tähenda väga väike tähtsust. Selleks, et Jaapani kosmosesond Hayabusa läheneks 2005. aastal asteroidile Itokawa, hõljutage selle kõrval ja samuti ei plahvatage seda ega põrka sellega kokku, arvestati valguse rõhuga, mis võrdub 1 protsendiga sondi mootori tõukejõust. Seda tehti uskumatu täpsusega, nii et sond suutis maanduda asteroidil, koguda tolmuproove ja naasta Maale 2010. aasta juunis.
Reklaamvideo:
Veel üks sama huvitav objekt on Jaapani päikesepurjelaev IKAROS, mis oli ulmekirjanike unistus vähemalt 50 aastat ja mis viidi lõpuks turule 2017. aastal. Idee oli see, et päikesepurk kasutas selle liigutamiseks valguse rõhku, päikesetuult (päikesekoroonast väljuv nõrk laetud osakeste voog) ja kasulikku koormust. Juunis tõstis IKAROS edukalt oma purje, 7,5 mikroni suuruse ruut üliõhukest kilet, mis oli varustatud energiaallikana töötava päikesepaneeliga. Jaapani kosmoseagentuur teatas juulis, et IKAROSi juhib edasi 1,12 mN päikeserõhk, mis põhimõtteliselt pole nii palju. Kuid selle jõu genereerivad päikesekiired ja see on tasuta! Teadlased on seda teinud enam kui nelja miljoni kilomeetri kaugusel! See väärib austust.
2010. aastal näitasid Austraalia riikliku ülikooli teadlased, et valguse abil saab pisikesi osakesi tõsta ja neid 30 tolli (30 cm) kaugusel asetada. Nad arvasid, et suudavad lõpuks sama teha ka 10 meetri kõrgusel, mis samuti ei tundu nii tore. Kui aga pisike osake on surmav viirus, elusrakk või gaasimolekul, mida ei saa muul moel liigutada, siis teate, mida ma mõtlen.
Niisiis, kas küsimus varju kaalu kohta on rumal? Üldiselt jah. Sellele rumalale küsimusele vastust otsides astume siiski väikese, kuid väga olulise sammu, püüdes aru saada, mis on suhteliselt kerge kaal? Kui varem küsisid seda küsimust Kepler, Maxwell, siis nüüd oleme.
Mäletan koolifüüsika tundidest saadud kogemusi. Valguskiir suunati tiivikule, mille kroonlehed olid värvitud vaheldumisi valgeks ja mustaks. Valguse mõjul hakkas turbiin pöörlema, mis tõestas selgelt, et valgusel on impulss. See tähendab, et valgusvoog ei ole ainult lained, vaid ka osakesed-korpused (on kahesuguse või kahesuguse olemusega). Varju kaalu osas on sellel väärtusel negatiivne väärtus, kuna varju skriiniv keha võtab väikseima valguskiirte rõhu.
Esitamise küsimus on terve arutelu:
- Kaal (füüsikas) on jõud, millega keha surub tuge. Tavaliselt segatakse see massiga, kuna Maa gravitatsiooniväljas on kaal võrdeline massiga ja proportsionaalsuse koefitsient (vabalangemise kiirendus) on praktiliselt muutumatu. Ka pöörlevas mitteinertsiaalses süsteemis (näiteks pöörlevas kosmosejaamas) on tsentrifugaaljõud (ja koos sellega ka objektide mass) võrdeline nende massiga, kuid proportsionaalsuse koefitsient on erinev. Nüüd varjust. Muidugi pole see objekt. Ja tal pole masu. Varul on aga teatud mõttes kaal. Ainult ta on negatiivne! Lõppude lõpuks on vari valguse puudumine takistuse tõttu, mis selle tee ääres seisis. Valgus on footoni voog, mille mass ja kiirus ning koos nendega on hoog. Kui footonid lendasid, edastavad nad oma impulsse pidevalt valgustatud valgustusega "toele". Ja survepindala korrutatuna on tugevus. Me võime öelda valguse kaalu. Noh, vari on nii valguse kui ka selle "raskuse" puudumine. See tähendab, et võrreldes valgustusega näib vari olevat "negatiivse" raskusega, umbes nagu "augu" (negatiivselt laetud elektroni puudumine pooljuhis) "positiivne laeng.
- Mis on absurd? Footonitel pole massi, neil on hoog ja kui juhinduda valemist E = mc ^ 2, siis footoni korral võrdub energia E = pc-ga, kuna footonitel puudub puhkemass ja puhata ei saa. Nüüd negatiivse massi kohta. Negatiivset massi valdavad hüpoteetiliselt eksootiliste ainete osakesed. Ja see väljendub tõsiasjas (ärge unustage, et mass on inertsimõõt), et kui te selle osakese "lükkate", siis see lendab teises suunas. Sellel küsimusel pole midagi pistmist. Kui järgite oma tänavaloogikat, siis kõike, mis näib, võib nimetada negatiivseks, kuid sellel on mõni takistus. Neid lõbustasid ka sellised töötlemata eeldused nagu: hoog on mass ja mass on jõud ning jõud on rõhk ja rõhk on kaal. Selle lähenemisviisi abil saate midagi tõestada. Sellel on isegi nimi (ma ei mäleta),kui aluseks võetakse vale otsus (tõde) ja sellest tuletatakse vajalik väide. Võite olla hea vandenõuteoreetik.
- Ilma massita pole impulssi. Ka massita energiat pole olemas. Missa kohta ei öeldud sõnagi. Kaal pole mass. Seda on öeldud algusest peale. Varju kaal on teatud mõttes negatiivne. "Masu" varju ei olnud. Millegi puudumise esinemine millegi olemasoluna otse vastandina on mugav, pikaajaline ja füüsikas laialdaselt kasutatav traditsioon. Ma ei viita juhuslikult pooljuhtide "aukudele" (elektronide puudumine). Neid on mugav pidada (ja peetaksegi!) Elektronide alamsüsteemiga "laengukandjateks", kuid laengule vastupidiseks märgiks. Sest ma ei töötanud selle nimel, et õpetada teile füüsika põhitõdesid.
- Raske on ignoreerida küsimust, mille ülaosas ripub põhimõtteliselt vale vastus. Kaal on vektori füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha tugevust tugedele. P = m * g. On näha, et kaal võib olla negatiivne, näiteks kui keha tihedus on väiksem kui keskkonna tihedus (ujuvusjõud mõjub kehale). Negatiivne kaal ei tähenda selle puudumist. Nüüd natuke sellest, mis on vari. Vari on optiline nähtus, mis toimub erinevates valgustingimustes. Ja see ei tähenda täielikku valguse puudumist. Lihtsalt on see, et üks pind on heledam (rohkem footoneid tabab ja peegeldab seda), ja teine on tuhmim (vari). Me teame, et footonitel pole massi (kui footonil oleks mass, siis peaks selle läbipaine gravitatsiooniväljas sõltuma selle sagedusest, kuid me ei jälgi seda, kõigi arvutuste kohaselt on see siiani akromaatiline),ja seetõttu pole neil kaalu, kuid neil on energiat ja hoogu. Kuna footonitel on hoog, avaldab kehale langev valgus sellele survet (valguse kvantteooria selgitab valguse rõhku footonite impulsi ülekandumisel aine aatomitesse või molekulidesse), kuid seda ei saa mingil moel massiga tuvastada. Kõik ülaltoodu on kommentaar Nekto vastusele. Tegelikult pole varjul kaalu, sest see on ainult optiline nähtus, näiteks bensiini ülevool (õhukese kihi sekkumine) või teie peegeldus vees.kuid seda ei saa mingil viisil kaalu abil tuvastada. Kõik ülaltoodu on kommentaar Nekto vastusele. Tegelikult pole varjul kaalu, sest see on ainult optiline nähtus, näiteks bensiini ülevool (õhukese kihi häirimine) või teie peegeldus vees.kuid seda ei saa mingil viisil kaalu abil tuvastada. Kõik ülaltoodu on kommentaar Nekto vastusele. Tegelikult pole varjul kaalu, sest see on ainult optiline nähtus, näiteks bensiini ülevool (õhukese kihi sekkumine) või teie peegeldus vees.
- Kas sageduse sõltumatus tõestab midagi? Klassikalises mehaanikas ei sõltu ka valguse nurkne läbipaine sagedusest (deltaV / c) = (2 * G * M) / (R * c2). SRT-s on see (deltaV / c) = (4 * G * M) / (R * c2), see tähendab kaks korda rohkem, kuid sõltuvusi ei lisata / lisata. Ma kahtlen, kas mõni süsteemi parameeter võib muutuda terminoloogias. See tähendab, et valguse kaal ei tohiks kuhugi minna. Võib-olla tuleb see kuidagi ümber määratleda, kuid ei tohiks olla nii, et vanas versioonis ei olnud see null ja uues oli null. Pealegi on olemas impulss.
KUI PALJU VALGUST KAALAB? Nii palju kui tema energiat
Valguse osakestel footonitel puudub puhkemass ja need esinevad ainult valguse kiirusel liikudes. Seetõttu ei saa ühte footoni kaaluda. Kuid mis tahes laeva seinad eraldavad soojuskiirgust, täites sisemise ruumala footonitega. Nad liiguvad juhuslikult igas suunas ja nende keskmine kiirus on null. Nagu füüsikud väidavad, on footongaasil mass, mis vastab selle energiale (E = mc2), ja põhimõtteliselt saab seda kaaluda. Näiteks kaalub liitermahutis olev soojuskiirgus umbes ühte süsinikuaatomit. Kiirguse mass kasvab temperatuuriga kiiresti, kuid ainult miljard kraadi juures on see tihedusega võrdne ainega, millega oleme harjunud. Pealegi pole see kiirgus ise enam tavaline valgus, vaid kõva röntgenikiirgus.
Seda on lihtne teada saada. Me jookseme kööki, võtame elektroonilise skaala ja umbes keskpäeval seame selle otse päikesevalgusega risti. Eeldades, et oleme puhtad ja kogu valgus peegeldub soomuste läikivalt pinnalt täielikult, võtame ru.wikipedia.org tabelist Päikese rõhu arvväärtuse täieliku peegelduse korral (9,08 mikroNywtoni ruutmeetri kohta) ja korrutame meie raskuste tööpinna pindalaga (~ 0,11 ruutmeetrit)). Saame ~ 100 nanoNwtonit, päikese tuule rõhu jõud kaaludele. Me teisendame selle kõigile teada olevatesse ühikutesse (kilogrammid), jagades tulemuse gravitatsiooni kiirendusega (9,8 m / s ^ 2). Kas see on tulemus, mida me näeksime oma köögiskaalal, mis kaaluks päikesevalgust, ~ 10 nanogrammi?
Vastupidiselt üsna levinud arvamusele on olemas valguse massi analoog ja see on üsna füüsiliselt tähenduslik. Teeme mõttekatse. Oletame, et teil on peegeldatud, absoluutselt peegeldavate siseseintega ja täpselt teadaoleva massiga kamber. Ja nüüd lase mõne laseri võimas kiirt sinna korraks läbi augu siseneda, pärast mida auk sulgub. Valgus on kambris, reisides seinast seina.
Niisiis, kui oleks võimalik ülitäpseid mõõtmisi, siis avastataks, et kambri mass koos sellesse jääva valgusega oleks suurenenud. Eriti muutub see raskemaks. Ja tema inerts kasvab. Ja gravitatsioon (!). Traditsiooniliselt omistatakse kõik need omadused konkreetselt massile.
Ametlik tõend on vähemalt see: laske elektronidel ja positronitel mõnda aega kambris olla; Loomulikult suurendavad need kogumassi. Varsti pärast seda hävivad nad kõik - ja meil on kaamera gammakvantidega. On selge, et kambri mass pole muutunud!
Kui palju universum kaalub?
Kui palju universum kaalub, võite proovida arvutada, määrates kvaasarite massi. Naabergalaktikaid uurides on teadlased kindlaks teinud, et musta augu massi ja galaktika vahel on korrelatsioon. Tavaliselt on musta augu mass väike protsent tähesüsteemi massist, ulatudes umbes 0,14 protsendist kuni 0,5 protsendini. Kui see suhe on varajases universumis tõene, peaks Galaktika mass olema võrdne vapustavate triljonite tähtedega päikesemassidega. Rääkimata selle tumedast koostisosast, mis on kaugelt kõige massiivsem osa igas tähesüsteemis. Teiste galaktikate massi pole veel võimalik kindlaks teha, kui need on olemas tänapäevases universumis. Kuid kui galaktikad eksisteerivad prognoositavas massvahemikus, tuvastatakse see sellel ajastul esmakordselt.
Galaktika massiivsuse uurimine annab teavet selle kohta, kuidas see universumis kasvab. Selle kasv on umbes 2000 km päevas. On täiesti tõestamatu arv, et galaktika mass on kuskil viiekümnendas võimsuses tonnides. Kaugete kvaasarite heledus ja universumi kaal.
Miks on musta augu massi ja galaktika vahel korrelatsioon? Milline on seos musta augu tekkimise ja tähtede moodustumise vahel? Teadlased arvutasid, et kvaaside heledus sõltub maksimaalsest kiirusest Eddingtoni piirist. Eddingtoni piir on olemas, kuna mida kiiremini must auk kehas imbub, seda suurem on hõõrdumine ja seetõttu tekib akretsioonkettale rohkem valgust. Musta augu tarbimiskiiruse kasvades suureneb kiirgava energia hulk, mis omakorda aeglustab tarbimiskiirust. Eddingtoni piir on saavutatud.
Eddingtoni piir on kiirgusjõu ja heleduse kriitiline maksimaalne väärtus. Tõestanud inglise astrofüüsik Arthur Eddington tõukejõu, rõhu ja kiirguse tasakaalu tingimusena. Täiendav valgus eraldub väljapoole, survestades langevat materjali ja aeglustades seda. Nii vastuoluline kui see ka ei tundu, avaldab valgus objektile piisavalt valguses survet ja võrdub märkimisväärse võimsusega.
Teadlased moodustavad sellistes küsimustes mustade aukude rolli kohta mõned veenvad mudelid, kuid selles küsimuses pole üksmeelt. Kui kvasar on uuringu jaoks ainulaadne labor, siis kvasari must auk ja galaktika arenevad koos.
Kvasarist saadud valgust saab universumi tundmaõppimiseks kasutada ka muul viisil. Heledus võimaldab teadlastel katsetada galaktilist keskkonda nagu kunagi varem. Galaktiline keskkond on gaasi ja tolmu jaotus vesinikku, heeliumi ja mitmesuguseid metalle sisaldavate galaktikate vahel (astrofüüsikalistes tingimustes on kõik ülaltoodud heeliumi elemendid tuntud kui "metallid"). Kvaasist tulev valgus peab liikuma piisavalt kaua enne Maa jõudmist. Kui valgus liigub läbi gaasi, tungivad mõned valguse lainepikkused gaasi paremini kui teised ja mõned elemendid blokeerivad teatud lainepikkused. Näiteks uurides objekti spektrit ja nähes, et spektrist puuduvad mõned lainepikkused, saavad teadlased õppida tundma gaasi sisaldust. Protsess muutub aga raskemaks, eriti nii pikkade vahemaade korral. Dimmeri (võimsuse muutus) valguse korral on nende spektri lünkade või joonte eristamine keerulisem.
Kvaasi heledus annab selgema mõõtmise galaktilise keskkonna vahel. Olles määranud kvasari heleduse, saab vastata küsimusele: "Kui palju Universum kaalub?" Ja kuna galaktikavahelises keskkonnas toodeti metalle tähtede südamike liitmise teel, võivad nende elementide mõõtmised aidata teadlastel õppida tähe moodustumise protsesse Universumis.
