Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#106   morozov »

сентябрь 2005 ? 9 "В МИРЕ НАУКИ"
Космология
НЕПОСТОЯННЫЕ ПОСТОЯННЫЕ
Джон Бэрроу, Джон Веб

Каким невообразимо странным был бы мир, если бы физические константы могли изменяться! Например, так называемая постоянная тонкой структуры примерно равна 1/137. Если бы она имела другую величину, то между веществом и энергией, возможно, не было бы никакого различия.

Есть вещи, которые никогда не меняются. Ученые называют их физическими константами, или мировыми постоянными. Считается, что скорость света c, гравитационная постоянная G, масса электрона me и некоторые другие величины всегда и везде остаются неизменными. Они образуют основу, на которой зиждутся физические теории, и определяют структуру Вселенной.
Изображение
Физики прилагают немало усилий, чтобы измерить мировые постоянные со все более высокой точностью, но никому еще не удалось хоть как-то объяснить, почему их значения именно таковы, каковы они есть. В системе СИ c = 299 792 458 м/с, G = 6,673 x 10-11 Нxм2/кг2, me = 9,10938188 10-31 кг - совершенно не связанные между собой величины, у которых есть лишь одно общее свойство: изменись они хоть немного, и существование сложных атомных структур, в том числе живых организмов, окажется под большим вопросом. Стремление обосновать значения констант стало одним из стимулов к разработке единой теории, полностью описывающей все существующие явления. С ее помощью ученые надеялись показать, что у каждой мировой постоянной может быть только одно возможное значение, обусловленное внутренними механизмами, которые определяют обманчивую произвольность природы.

Лучшим кандидатом на звание единой теории считается М-теория (вариант теории струн), которую можно считать состоятельной в том случае, если Вселенная имеет не четыре пространственно-временных измерения, а одиннадцать. Следовательно, наблюдаемые нами постоянные фактически могут и не быть действительно фундаментальными. Истинные константы существуют в полном многомерном пространстве, а мы видим лишь их трехмерные "силуэты".

Тем временем физики пришли к выводу, что величины многих постоянных могут быть результатом случайных событий и взаимодействий между элементарными частицами на ранних стадиях истории Вселенной. Теория струн допускает существование огромного количества (10500) миров с различными самосогласованными наборами законов и констант (см. "Пейзаж теории струн", "В мире науки", ?12, 2004 г.). Пока же ученые понятия не имеют, почему была отобрана наша комбинация. Возможно, в результате дальнейших исследований количество логически возможных миров снизится до одного, но не исключено, что наша Вселенная - это лишь небольшой участок мультивселенной, в которой реализованы различные решения уравнений единой теории, а мы наблюдаем просто один из вариантов законов природы (см. "Параллельные Вселенные", "В мире науки", ?8, 2003 г.).

В таком случае для многих мировых констант нет никакого объяснения, кроме того, что они составляют редкую комбинацию, допускающую развитие сознания. Возможно, наблюдаемая нами Вселенная стала одним из многих изолированных оазисов, окруженных бесконечностью безжизненного космического пространства - сюрреалистического места, где господствуют совершенно чуждые нам силы природы, а частицы типа электронов и структуры типа атомов углерода и молекул ДНК просто невозможны. Попытка попасть туда обернулась бы неминуемой гибелью.

Теория струн была разработана в том числе и для того, чтобы объяснить кажущуюся произвольность физических постоянных, поэтому в ее основных уравнениях содержится всего несколько произвольных параметров. Но пока она не объясняет наблюдаемые значения констант.

Надежная линейка

На самом деле употребление слова "постоянная" не совсем правомерно. Наши константы могли бы изменяться во времени и в пространстве. Если бы дополнительные пространственные измерения изменялись в размере, константы в нашем трехмерном мире менялись бы вместе с ними. И если бы мы заглянули достаточно далеко в пространство, то могли бы увидеть области, где константы приняли другие значения. Начиная с 1930-х гг. ученые размышляли о том, что константы могут и не быть постоянными. Теория струн придает этой идее теоретическое правдоподобие и делает тем более важным поиск непостоянства.

Первая проблема состоит в том, что сама лабораторная установка может быть чувствительна к изменениям констант. Размеры всех атомов могли бы возрасти, но если бы линейка, которую используют для измерений, тоже стала длиннее, ничего нельзя было бы сказать об изменении размеров атомов. Экспериментаторы обычно предполагают, что эталоны величин (линейки, гири, часы) неизменны, но этого невозможно достичь при проверке констант. Исследователи должны обратить внимание на безразмерные константы - просто числа, не зависящие от системы единиц измерения, например, отношение массы протона к массе электрона.

Особый интерес представляет величина = e2/2E0hc, объединяющая скорость света c, электрический заряд электрона e, постоянную Планка h и так называемую диэлектрическую постоянную вакуума 0. Ее называют постоянной тонкой структуры. Впервые она была введена в 1916 г. Арнольдом Зоммерфельдом, который одним из первых попытался применить квантовую механику к электромагнетизму: связывает релятивистскую (c) и квантовую (h) характеристики электромагнитных (e) взаимодействий, в которых участвуют заряженные частицы в пустом пространстве (E0). Измерения показали, что эта величина равна 1/137,03599976 (приблизительно 1/137).

Если бы имела другое значение, то изменился бы весь окружающий мир. Будь она меньше, плотность твердого вещества, состоящего из атомов, уменьшилась бы (пропорционально 3), молекулярные связи разрывались бы при более низких температурах (2), а число устойчивых элементов в таблице Менделеева могло бы возрасти (1/). Окажись слишком большой, малые атомные ядра не могли бы существовать, потому что связывающие их ядерные силы не смогли бы препятствовать взаимному отталкиванию протонов. При > 0,1 не мог бы существовать углерод.

Ядерные реакции в звездах особенно чувствительны к величине . Чтобы мог происходить ядерный синтез, тяготение звезды должно создавать достаточно высокую температуру, чтобы заставить ядра сближаться, несмотря на их тенденцию отталкиваться друг от друга. Если бы превышала 0,1, то синтез был бы невозможен (если, конечно, другие параметры, например, отношение масс электрона и протона, остались прежними). Изменение всего на 4% до такой степени повлияло бы на энергетические уровни в ядре углерода, что его возникновение в звездах просто прекратилось бы.

СВЕТ И ПОСТОЯННАЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ
Несколько физических констант, включая скорость света, можно объединить в постоянную тонкой структуры - число, которое показывает, насколько сильно электромагнитное взаимодействие элементарных частиц. Одно из таких взаимодействий - поглощение атомами фотонов определенной длины волны.
Изображение
Моделирование спектров показывает, как изменение влияет на поглощение света различными видами атомов в ближней ультрафиолетовой области. Вертикальные черные линии соответствуют длинам поглощаемых волн. Каждый вид атома или иона имеет уникальный набор линий. Изменение постоянной тонкой структуры влияет на спектры магния (Mg), кремния (Si) и алюминия (Al) меньше, чем на спектры железа (Fe), цинка (Zn), хрома (Cr) и никеля (Ni).
Изображение
Для описания процесса поглощения рассмотрим уровни энергии электронов в атоме. Энергия фотона передается электрону, который перескакивает по лестнице допустимых уровней. Каждый возможный скачок соответствует определенной длине волны. Расстояния между уровнями зависят от того, насколько сильно электрон притягивается атомным ядром, и, следовательно, от . В случае если бы была меньше, энергетические уровни ионов магния (Mg+) были бы ближе друг к другу, и фотонам требовалось бы меньше энергии (что означает большую длину волны), чтобы перебросить электроны на более высокий уровень.
Изображение
Внедрение ядерных методов

Вторая, более серьезная, экспериментальная проблема связана с тем, что для измерения изменений констант требуется высокоточное оборудование, которое должно быть чрезвычайно стабильным. Даже с помощью атомных часов дрейф постоянной тонкой структуры можно отслеживать на протяжении лишь нескольких лет. Если бы изменялась больше чем на 4x10-15 за три года, самые точные часы позволили бы это обнаружить. Однако ничего подобного пока зарегистрировано не было. Казалось бы, чем не подтверждение постоянства Но три года для космоса - мгновение. Медленные, но существенные изменения в течение истории Вселенной могут пройти незамеченными.

К счастью, физики нашли другие способы проверки. В 1970-х гг. ученые французской Комиссии по ядерной энергии заметили некоторые особенности в изотопном составе руды из урановой шахты в Окло в Габоне (Западная Африка): она напоминала отходы ядерного реактора. Видимо, приблизительно 2 млрд. лет назад в Окло образовался естественный ядерный реактор (см. "Божественный реактор", "В мире науки", ?1, 2004 г.).

В 1976 г. Александр Шляхтер (Alexander Shlyakhter) из Ленин?градского института ядерной физики заметил, что работоспособность естественных реакторов критически зависит от точной энергии определенного состояния ядра самария, которое обеспечивает захват нейтронов. А сама энергия сильно связана с величиной . Так, если бы постоянная тонкой структуры была немного другой, никакая цепная реакция, возможно, не произошла бы. Но она действительно происходила, а значит, за прошедшие 2 млрд. лет постоянная не изменилась больше, чем на 1x10-8. (Физики продолжают спорить о точных количественных результатах из-за неизбежной неуверенности в условиях в естественном реакторе.)

В 1962 г. Джеймс Пиблс (P. James E. Peebles) и Роберт Дик (Robert Dicke) из Принстонского университета первыми применили подобный анализ к древним метеоритам: относительная распространенность изотопов, являющаяся результатом их радиоактивного распада, зависит от . Самое чувствительное ограничение связано с бета-распадом при превращении рения в осмий. Согласно недавней работе Кейта Олива (Keith Olive) из Миннесотского университета и Максима Поспелова (Maxim Pospelov) из Университета Виктории в Британской Колумбии, в то время, когда формировались метеориты, отличалась от нынешнего значения на 2x10-6. Этот результат менее точен, чем данные, полученные в Окло, но он уходит дальше в глубь времен, к возникновению Солнечной системы 4,6 млрд. лет назад.

Чтобы исследовать возможные изменения на еще более длинных промежутках времени, исследователи должны обратить взор к небесам. Свет от отдаленных астрономических объектов идет к нашим телескопам миллиарды лет и несет отпечаток законов и мировых констант тех времен, когда он только начал свое путешествие и взаимодействие с веществом.

ПОИСК ИЗМЕНЕНИЙ В ИЗЛУЧЕНИИ КВАЗАРА
Удаленное газовое облако, подсвеченное квазаром, дает астрономам возможность исследовать процесс поглощения света и определить величину постоянной тонкой структуры на раннем этапе космической истории.
Изображение
1 Свет от квазара начал свое путешествие к Земле миллиарды лет назад, имея сплошной спектр.

2 Свет на своем пути проходит через одно или несколько газовых облаков. Газ поглощает определенные длины волн, создавая ряд черных линий в спектре. Для изучения постоянной тонкой структуры астрономы сосредоточиваются на линиях поглощения металлов.

3 Ко времени, когда свет приходит к Земле, длины волн меняются из-за космического расширения. По величине изменения можно определить расстояние до газового облака и, следовательно, его возраст.

4 Различие расстояний между спектральными линиями, полученными в ходе лабораторных экспериментов и в результате наблюдения астрономических объектов, показывает, что постоянная тонкой структуры изменилась.
Изображение
На спектре квазара, полученном с помощью Большого телескопа Южной европейской обсерватории, видны линии поглощения, созданные облаками газа, находящимися между квазаром (стрелка справа) и Землей. Положение линий (стрелки в спектре справа) свидетельствует о том, что свет проходил через облака приблизительно 7,5 млрд. лет назад.

Спектральные линии

Астрономы ввязались в историю с константами вскоре после открытия квазаров в 1965 г., которые были только что обнаружены и идентифицированы как яркие источники света, расположенные на огромных расстояниях от Земли. Поскольку путь света от квазара до нас настолько велик, он неизбежно пересекает газообразные окрестности молодых галактик. Газ поглощает свет квазара на специфических частотах, отпечатывая штрих-код из узких линий на его спектре (см. врезку вверху).

Когда газ поглощает свет, электроны, содержащиеся в атомах, перескакивают с низких энергетических уровней на более высокие. Уровни энергии определяются тем, насколько сильно атомное ядро удерживает электроны, что зависит от силы электромагнитного взаимодействия между ними и, следовательно, от постоянной тонкой структуры. Если она была другой в тот момент времени, когда свет был поглощен, или в какой-то конкретной области Вселенной, где это происходило, то энергия, требуемая для перехода электрона на новый уровень, и длины волн переходов, наблюдаемых в спектрах, должны отличаться от наблюдаемых сегодня в лабораторных экспериментах. Характер изменения длин волн критически зависит от распределения электронов на атомных орбитах. При заданном изменении одни длины волн уменьшаются, другие - увеличиваются. Сложную картину эффектов трудно спутать с ошибками калибровки данных, что делает такой эксперимент чрезвычайно полезным.

Приступив к работе семь лет назад, мы столкнулись с двумя проблемами. Во-первых, длины волн многих спектральных линий не были измерены с достаточной точностью. Как ни странно, о спектрах квазаров, удаленных на миллиарды световых лет, ученые знали гораздо больше, чем о спектрах земных образцов. Нам нужны были лабораторные измерения высокой точности, чтобы сравнить с ними спектры квазара, и мы убедили экспериментаторов провести соответствующие измерения. Они были выполнены Энн Торн (Anne Thorne) и Джульет Пикеринг (Juliet Pickering) из Имперского колледжа в Лондоне, а затем группами во главе со Свенериком Иохансоном (Sveneric Johansson) из Лундской обсерватории в Швеции, а также Ульфом Грисманном (Ulf Griesmann) и Рэйнером Клингом (Rainer Kling) из Национального института стандартов и технологии в штате Мэриленд.

Вторая проблема состояла в том, что предыдущие наблюдатели использовали так называемые щелочные дублеты - пары линий поглощения, возникающие в атомарных газах углерода или кремния. Они сравнивали интервалы между этими линиями в спектрах квазара с лабораторными измерениями. Однако такой метод не позволял использовать одно специфическое явление: вариации вызывают не только изменение интервала между уровнями энергии атома относительно уровня с самой низкой энергией (основное состояние), но и изменение положения самого основного состояния. Фактически второй эффект даже более силен, чем первый. В результате точность наблюдений составила всего 1x10-4.

В 1999 г. один из авторов статьи (Веб) и Виктор Фламбаум (Victor V. Flambaum) из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии разработали методику, позволяющую принимать во внимание оба эффекта. В результате чувствительность удалось увеличить в 10 раз. Кроме того, появилась возможность сравнивать различные виды атомов (например, магний и же?лезо) и проводить дополнительные перекрестные проверки. Пришлось выполнить сложные расчеты, чтобы точно установить, как наблюдаемые длины волн меняются в атомах различных типов. Вооружившись современными телескопами и датчиками, мы решили проверить постоянство с беспрецедентной точностью по новому методу многих мультиплетов.

Результаты измерений постоянной тонкой структуры не позволяют сделать окончательных выводов. Некоторые из них указывают, что когда-то она была меньше, чем сейчас, а некоторые - нет. Возможно, менялась в далеком прошлом, но теперь стала постоянной. (Прямоугольники изображают диапазон изменения данных.)
Результаты измерений постоянной тонкой структуры не позволяют сделать окончательных выводов. Некоторые из них указывают, что когда-то она была меньше, чем сейчас, а некоторые - нет. Возможно, менялась в далеком прошлом, но теперь стала постоянной. (Прямоугольники изображают диапазон изменения данных.)

Пересмотр взглядов

Приступая к экспериментам, мы просто хотели с более высокой точностью установить, что величина постоянной тонкой структуры в древние времена была такой же, как сегодня. К нашему удивлению, результаты, полученные в 1999 г., показали небольшие, но статистически существенные различия, которые впоследствии подтвердились. Используя данные по 128 линиям поглощения квазара, мы зарегистрировали увеличение на 6x10-6 за прошедшие 6-12 млрд. лет.

Смелые утверждения требуют состоятельных доказательств, так что первым нашим шагом стал тщательный пересмотр методов сбора данных и их анализа. Ошибки измерения можно разделить на два типа: систематические и случайные. Со случайными неточностями все просто. В каждом отдельном измерении они принимают разные значения, которые при большом количестве измерений усредняются и стремятся к нулю. С систематическими ошибками, которые не усредняются, бороться труднее. В астрономии неопределенности такого рода встречаются на каждом шагу. В лабораторных экспериментах настройку приборов можно менять, чтобы минимизировать ошибки, но астрономы не могут "подстроить" Вселенную, и им приходится признавать, что все их методы сбора данных содержат неустранимые смещения. Например, наблюдаемое пространственное распределение галактик заметно смещено в сторону ярких галактик, потому что их легче наблюдать. Идентификация и нейтрализация таких смещений - постоянная задача для наблюдателей.

Сначала мы обратили внимание на возможное искажение масштаба длин волн, относительно которого измерялись спектральные линии квазара. Оно могло возникнуть, например, во время переработки "сырых" результатов наблюдения квазаров в калиброванный спектр. Хотя простое линейное растяжение или сжатие масштаба длины волны не могло точно имитировать изменение , даже приблизительного сходства было бы достаточно для объяснения полученных результатов. Постепенно мы исключили простые ошибки, связанные с искажениями, подставляя вместо результатов наблюдения квазара калибровочные данные.

Более двух лет мы разбирались с различными причинами смещения, чтобы убедиться, что их влияние пренебрежимо мало. Мы обнаружили только один потенциальный источник серьезных ошибок. Речь идет о линиях поглощения магния. Каждый из трех устойчивых его изотопов поглощает свет с разными длинами волн, которые очень близки друг к другу и в спектрах квазаров видны как одна линия. Исходя из лабораторных измерений относительной распространенности изотопов, исследователи судят о вкладе каждого из них. Их распределение в молодой Вселенной могло бы существенно отличаться от современного, если бы звезды, которые испускали магний, в среднем были более тяжелыми, чем их сегодняшние аналоги. Такие различия могли бы имитировать изменение .

Но результаты исследования, опубликованного в этом году, указывают, что наблюдаемые факты не так легко объяснить. Йеш Феннер (Yeshe Fenner) и Брэд Гибсон (Brad K. Gibson) из Технологического университета Суинберна в Австралии и Майкл Мэрфи (Michael T. Murphy) из Кембриджского университета пришли к выводу, что распространенность изотопов, необходимая для имитации изменения , приводила бы также к избыточному синтезу азота в ранней Вселенной, что совершенно не соответствует наблюдениям. Таким образом, мы должны смириться с вероятностью того, что действительно изменялась.

Научное сообщество сразу оценило значение полученных нами результатов. Исследователи спектров квазаров всего мира тут же занялись измерениями. В 2003 г. научно-исследовательские группы Сергея Левшакова (Sergei Levshakov) из Санкт-Петербургского физико-технического института им. Иоффе и Ральфа Кваста (Ralf Quast) из Гамбургского университета изучили три новые системы квазаров. В прошлом году Хам Чанд (Hum Chand) и Рагунатан Шринанд (Raghunathan Srianand) из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Индии, Патрик Птижан (Patrick Petitjean) из Института астрофизики и Бастьен Арасиль (Bastien Aracil) из LERMA в Париже проанализировали еще 23 случая. Ни одна из групп не обнаружила изменения . Чанд утверждает, что любое изменение за интервал от 6 до 10 млрд. лет назад должно быть меньше, чем одна миллионная.

Почему похожие методики, использованные для анализа различных исходных данных, привели к такому радикальному несоответствию? Ответ пока неизвестен. Результаты, полученные упомянутыми исследователями, имеют превосходное качество, но объем их выборок и возраст проанализированного излучения существенно меньше, чем у нас. К тому же Чанд использовал упрощенную версию многомультиплетного метода и не проводил полную оценку всех экспериментальных и систематических ошибок.

Известный астрофизик Джон Бэкол (John Bahcall) из Принстона подверг критике сам многомультиплетный метод, но проблемы, на которые он обращает внимание, относятся к категории случайных ошибок, которые сводятся к минимуму при использовании больших выборок. Бэкол, а также Джефри Ньюман (Jeffrey Newman) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли рассматривали линии испускания, а не поглощения.
Изображение
Согласно гипотезе, выдвинутой авторами статьи, в одни периоды космической истории постоянная тонкой структуры оставалась неизменной, а в другие - возрастала. Экспериментальные данные (см. врезку на предыдущей странице) согласуются с этим предположением.

Законодательная реформа

Если наши результаты окажутся правильными, последствия будут огромны. До недавнего времени все попытки оценить, что произошло бы с Вселенной, если бы постоянная тонкой структуры изменилась, были неудовлетворительными. Они не шли дальше рассмотрения как переменной в тех же формулах, которые были получены в предположении, что она постоянна. Согласитесь, весьма сомнительный подход. Если изменяется, то энергия и импульс в связанных с ней эффектах должны сохраняться, что должно влиять на гравитационное поле во Вселенной. В 1982 г. Якоб Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме впервые обобщил законы электромагнетизма для случая непостоянных констант. В его теории рассматривается как динамическая компонента природы, т.е. как скалярное поле. Четыре года назад один из нас (Бэрроу) вместе с Хеуордом Сэндвиком (Havard Sandvik) и Хояо Магуэйхо (Joao Magueijo) из Имперского колледжа в Лондоне расширили теорию Бекенштейна, включив в нее учет сил тяготения.

Предсказания обобщенной теории заманчиво просты. Поскольку электромагнетизм в космических масштабах намного слабее гравитации, изменения на несколько миллионных не оказывают на расширение Вселенной заметного влияния. А вот расширение существенно влияет на за счет несоответствия между энергиями электрического и магнитного полей. В течение первых десятков тысяч лет космической истории излучение доминировало над заряженными частицами и поддерживало баланс между электрическим и магнитным полями. По мере расширения Вселенной излучение разреживалось, и доминирующим элементом космоса стало вещество. Электрические и магнитные энергии оказались неравными, и начала возрастать пропорционально логарифму времени. Приблизительно 6 млрд. лет назад начала преобладать темная энергия, ускорившая расширение, которое затрудняет распространение всех физических взаимодействий в свободном пространстве. В результате снова стала почти постоянной.

Описанная картина согласуется с нашими наблюдениями. Спектральные линии квазара характеризуют тот период космической истории, когда доминировала материя и возрастала. Результаты лабораторных измерений и исследований в Окло соответствуют периоду, когда доминирует темная энергия и постоянна. Особенно интересно дальнейшее изучение влияния изменения на радиоактивные элементы в метеоритах, потому что оно позволяет исследовать переход между двумя названными периодами.
Изображение
В великой схеме объектов бытия наблюдаемая Вселенная, как полагают, является лишь малой частью мультивселенной. В различных ее областях постоянная тонкой структуры может быть разной. Если бы человек попытался проникнуть в них, но столкнулся бы с ирреальной действительностью, недопускающей само его существование.

Альфа - это только начало

Если постоянная тонкой структуры изменяется, то материальные объек?ты должны падать по-разному. В свое время Галилей сформулировал слабый принцип эквивалентности, согласно которому тела в вакууме падают с одинаковой скоростью независимо от того, из чего они состоят. Но изменения должны порождать силу, действующую на все заряженные частицы. Чем больше протонов содержит атом в своем ядре, тем сильнее он будет чувствовать ее. Если выводы, сделанные при анализе результатов наблюдения квазаров, верны, то ускорение свободного падения тел из различных материалов должно отличаться примерно на 1x10-14. Это в 100 раз меньше, чем можно измерить в лаборатории, но достаточно много, чтобы обнаружить различия в таких экспериментах, как STEP (проверка принципа эквивалентности в космосе).

В предыдущих исследованиях ученые пренебрегали неоднородностью Вселенной. Подобно всем галактикам, наш Млечный путь приблизительно в миллион раз более плотен, чем космическое пространство в среднем, так что он не расширяется вместе со Вселенной. В 2003 г. Бэрроу и Дэвид Мота (David F. Mota) из Кембриджа вычислили, что может вести себя по-разному в пределах галактики и в более пустых областях пространства. Как только молодая галактика уплотняется и, релаксируя, приходит в гравитационное равновесие, становится постоянной внутри галактики, но продолжает меняться снаружи. Таким образом, эксперименты на Земле, в которых проверяется постоянство , страдают от предвзятого выбора условий. Нам еще предстоит разобраться, как это сказывается на проверке слабого принципа эквивалентности. Никакие пространственные вариации пока еще не были замечены. Полагаясь на однородность реликтового излучения, Бэрроу недавно показал, что не изменяется больше чем на 1x10-8 между областями небесной сферы, отстоящими на 10о.

Нам остается ждать появления новых данных и проведения новых исследований, которые окончательно подтвердят или опровергнут гипотезу об изменении . Исследователи сосредоточились именно на этой константе просто потому, что эффекты, обусловленные ее вариациями, легче заметить. Но если действительно непостоянна, то другие константы тоже должны изменяться. В таком случае нам придется признать, что внутренние механизмы природы гораздо сложнее, чем мы предполагали.
# ОБЗОР: МИРОВЫЕ КОНСТАНТЫ Во многих физических уравнениях встречаются величины, которые считаются неизменными всюду - в пространстве и времени.
# В последнее время ученые сомневаются в постоянстве мировых констант. Сравнивая результаты наблюдений квазаров и лабораторных измерений, они приходят к выводу, что химические элементы в далеком прошлом поглощали свет не так, как сегодня. Различие можно объяснить изменением на несколько миллионных долей постоянной тонкой структуры.
# Подтверждение даже столь малого изменения станет настоящим переворотом в науке. Наблюдаемые константы могут оказаться лишь "силуэтами" истинных постоянных, существующих в многомерном пространстве-времени.

ОБ АВТОРАХ:
Джон Бэрроу (John D. Barrow) , Джон Веб (John K. Webb) занялись исследованием физических постоянных в 1996 г. во время совместного творческого отпуска в Сассекском университете в Англии. Тогда Бэрроу исследовал новые теоретические возможности изменения констант, а Веб занимался наблюдениями квазаров. Оба автора пишут научно-популярные книги и часто выступают в телевизионных программах.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#107   morozov »

август 2005 ? 8 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
KВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
Бернард Карр, Стивен Гиддингс

Физики вскоре смогут создавать черные дыры в лаборатории.

KВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫС тех пор как почти 80 лет назад изобрели ускорители элементарных частиц, их использовали для решения таких задач, как разрушение атомов, превращение элементов, создание антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Но, возможно, вскоре исследователи смогут формировать наиболее таинственные объекты Вселенной - черные дыры.

Черные дыры обычно представляются массивными монстрами, способными заглатывать космические корабли и даже звезды. Но дыры, которые, возможно, будут созданы в ускорителях высокой энергии (например, в Большом адронном коллайдере (БАК), который будет запущен в 2007 г. в ЦЕРНе под Женевой), приходятся дальними родственниками тем астрофизическим "бегемотам". Это микроскопические объекты размером с элементарную частицу. Они не смогут разрывать звезды, не станут господствовать в галактиках или угрожать нашей планете. Но их свойства поразительны: они должны испаряться вскоре после своего рождения, освещая датчики частиц, подобно рождественской елке. Таким образом, они могли бы дать ключ к пониманию связи пространства и времени и к решению вопроса о том, существуют ли другие измерения.
Изображение
ДВА ТИПА ЧЕРНЫХ ДЫР
Астрофизические черные дыры являются остатками массивных звезд, которые сколлапсировали под собственным весом. Когда на них падает вещество, они действуют как космические ГЭС, преобразующие гравитационную потенциальную энергию - единственный источник энергии, способный объяснить мощные потоки рентгена и быстрые газовые струи, наблюдаемые у рентгеновских двойных систем.
Изображение
Микроскопические черные дыры могут иметь массу, как у крупного астероида. Они могли возникнуть сразу после Большого взрыва при сжатии уплотнений. Если пространство имеет скрытые измерения, то дыры могут рождаться и сегодня при столкновении быстрых частиц. Вместо того, чтобы заглатывать вещество, они должны испускать излучение и быстро распадаться.

Мощное сжатие

Современная концепция черных дыр родилась из общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой, если вещество сжать, его гравитация может стать настолько сильной, что очертит область пространства, из которой ничто не сможет вырваться и границу которой называют горизонтом событий черной дыры. Объекты могут попадать внутрь нее, но ни один не может выйти наружу. В случае, когда пространство не имеет скрытых измерений или же эти измерения меньше дыры, ее размер прямо пропорционален ее массе. Чтобы Солнце стало черной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т.е. в 4 млн. раз, а Землю - до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз.

Следовательно, чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие. Плотность, до которой должно быть сжато вещество, обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 1019 кг/м3, что выше плотности атомного ядра. Вероятно, это самая высокая плотность, которую гравитационный коллапс может создать в современной Вселенной. Объекты менее массивные, чем Солнце, сопротивляются коллапсу, поскольку их удерживает от сжатия квантовая сила отталкивания между субатомными частицами. Наблюдения показывают, что самые легкие кандидаты в черные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца.

Но коллапс звезд - не единственный способ рождения черных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета и один из нас (Карр) исследовали механизм формирования дыр в ранней Вселенной. Их называют первичными черными дырами. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (1097 кг/м3), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать "ткань" пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать черные дыры диаметром всего лишь 10-35 м (длина Планка) и массой 10-8 кг (масса Планка).

Такова самая легкая черная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации. Она намного массивнее, но значительно меньше размером, чем элементарная частица. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться все более массивные первичные черные дыры. Те, что имели массу меньше 1012 кг, были бы размером меньше протона, а те, что с большей, должны были обладать параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой примерно как у Солнца, т.е. были бы макроскопическими объектами.

Высокая плотность ранней Вселенной была необходима для рождения первичных черных дыр, но не гарантировала их появления. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался коллапс, нужно, чтобы плотность черной дыры оказалась выше средней, так что необходимы еще и флуктуации. Астрономы знают, что они были, по крайней мере, в крупных пространственных масштабах, иначе не образовались бы галактики и их скопления. Для формирования первичных черных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флуктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов: например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения, известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. В конце концов космологи могут наложить сильные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из того, что в первичных черных дырах заключено не слишком много вещества.

КАК СДЕЛАТЬ ЧЕРНУЮ МИНИ-ДЫРУ

Изображение
Первичные флуктуации плотности
В раннюю эпоху эволюции Вселенной пространство было заполнено плотной и горячей плазмой. Ее плотность менялась, поэтому там, где плотность была достаточно высокой, плазма могла коллапсировать в черную дыру.

Изображение
Столкновения космических лучей
Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.

Изображение
Ускоритель частиц
Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Что упало, то пропало?

Осознание того, что дыры могут быть маленькими, заставило Хокинга задуматься, какие квантовые эффекты могут при этом возникать. В 1974 г. он пришел к выводу, что черные дыры не только заглатывают частицы, но и выплевывают их. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголек, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у черной дыры с массой 1012 кг (это масса средней горы) температура 1012 К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных - электронов и позитронов.

Поскольку излучение уносит энергию, масса дыры постепенно уменьшается. Так что черная дыра весьма нестабильна: излучая, она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее и быстрее. Когда дыра съеживается до массы около 1000 тонн, она в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы. У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна - 1064 лет. Дыра с массой 1012 кг живет 1010 лет - возраст современной Вселенной. Следовательно, первичные черные дыры такой массы сейчас должны именно заканчивать свое испарение и взрываться. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

Работа Хокинга ознаменовала огромный рывок вперед, поскольку объединила три разные области физики: общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику. Это был также шаг к созданию квантовой теории гравитации. Даже если первичные черные дыры никогда не рождались, их теоретическое изучение привело к значительным открытиям в физике, в частности, выявило парадокс, возникающий при попытке согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.

Согласно теории относительности, информация о том, что попало в черную дыру, утеряна навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, черные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным.

Предположение о том, что от черных дыр что-то остается, также неприемлемо. В этом случае должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы они смогли закодировать всю информацию о содержимом черной дыры. Но законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки черной дыры должны были бы рождаться в бесконечном количестве, даже при включении обычной микроволновой печки. В таком случае в природе все стало бы неустойчивым.

Есть и третья возможность. Положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошел до другого, - неверно. Это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков (см. "Сингулярный компьютер", "В мире науки", ?2, 2005 г.).

РОЖДЕНИЕ И СМЕРТЬ КВАНТОВОЙ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ
При соответствующих условиях две частицы (показанные здесь как волновые пакеты), столкнувшись, могут создать черную дыру. Новорожденная дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. (Время и масса приблизительны. Энергия в 1 ТэВ эквивалентна массе около 10-24 кг.)

Изображение

Успокаиваясь, черная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны. Как сказал физик Джон Уилер (John A. Wheeler), "дыра теряет свои волосы", т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.

Изображение

Черная дыра уже не черная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости черной дыры.

Перестав вращаться, черная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.

Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнет испускать струны, т.е. самые фундаментальные частицы вещества.

Модель распада чёрной дыры
Изображение
Из центра трубки ускорителя (черный круг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).

Поиск дыр

Для развития физики требуются экспериментальные данные, поэтому, чтобы понять природу микроскопических черных дыр, их следует прежде всего найти. Одна из возможностей состоит в том, что астрономы могли бы обнаружить первичные черные дыры с начальной массой 1012 кг, взрывающиеся в современной Вселенной. Большая часть массы этих дыр должна превращаться в гамма-лучи. В 1976 г. Хокинг и Дон Педж (Don Page) из Калифорнийского технологического института доказали, что наблюдения фонового гамма-излучения существенно ограничивают возможное количество таких дыр. Например, в них не может быть заключена заметная доля темного вещества Вселенной, и их взрывы вблизи нас должны быть столь редкими, что их практически невозможно обнаружить. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн (David Cline) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги предположили, что самые короткие гамма-вспышки могут иметь отношение к первичным черным дырам. Считается, что более длинные вспышки могут быть связаны со взрывами или слияниями звезд, однако короткие могут иметь и другое объяснение. Будущие астрономические наблюдения помогут исследовать заключительный этап испарения черной дыры.

Еще более захватывающая возможность - создание черных дыр при помощи ускорителей частиц. Когда нужно добиться высокой плотности, нет инструментов лучше, чем ускорители БАК и "Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми недалеко от Чикаго. Агрегаты разгоняют субатомные частицы, такие как протоны, до скоростей, предельно близких к скорости света. При этом частицы приобретают огромную кинетическую энергию. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc2 эта энергия эквивалентна массе 10-23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Когда две такие частицы сталкиваются, их энергия концентрируется в крошечной области пространства. Поэтому можно предположить, что время от времени сталкивающиеся частицы прижимаются так тесно, что может образоваться черная дыра.

Но масса 10-23 кг намного меньше массы Планка в 10-8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой легкой дыры. Этот нижний предел есть следствие квантовомеханического принципа неопределенности. Поскольку частицы ведут себя еще и как волны, они "размазываются" в некотором пространстве, которое уменьшается с ростом энергии: при энергиях БАК его размер 10-19 м. Это наименьшая область, в которую можно упаковать энергию частицы. Получается плотность 1023 кг/м3 - довольно высокая, но недостаточная для создания черной дыры. Чтобы частица была как энергичной, так и компактной, она должна иметь энергию Планка, что в 1015 раз больше энергии БАК. Несмотря на то что ускорители могли бы создать объекты, математически подобные черным дырам (и некоторые теоретики думают, что это уже сделано), сами дыры, похоже, лежат вне досягаемости.
ДЕЛАТЬ ДЫРЫ НЕЛЕГКО
Насколько сильно нужно сжать кусочек вещества, чтобы он превратился в черную дыру? Чем легче тело, тем сильнее нужно на него воздействовать, прежде чем его собственная гравитация станет достаточной для создания дыры. Планеты и люди гораздо дальше от этого предела, чем звезды (см. график). Волновая природа вещества препятствует сжатию, частицы не могут быть сжаты до размера меньшего, чем характерная длина их волны (см. рисунок), поэтому дыра не может иметь массу менее 10-8 кг. Но если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация может существенно усиливаться на малых расстояниях, и объект не придется так сильно сжимать.

ДЕЛАТЬ ДЫРЫ НЕЛЕГКО

К иным измерениям!

За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трехмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений - компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая дает тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.

Дополнительный рост гравитации означает, что истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются (и может родиться черная дыра), окажется намного меньше, чем предполагалось. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений такой возможности, подобная идея проливает свет на многие теоретические загадки. И если предположение верно, то плотность, необходимая для рождения черной дыры, может лежать в пределах возможностей БАК.

Теоретические исследования образования черных дыр при высокоэнергичных столкновениях возвращают нас к работам Роджера Пенроуза (Roger Penrose) из Оксфордского университета середины 1970-х гг., а также Питера Д'Иза (Peter D'Eath) и Филипа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) из Кембриджа начала 1990-х гг. Возможность существования больших дополнительных измерений может вдохнуть новую жизнь в эти исследования, что и побудило Тома Бенкса (Tom Banks) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Вилли Фишлера (Willy Fischler) из Техасского университета приступить к обсуждению проблемы в 1999 г.

В 2001 г. на конференции две группы ученых: один из авторов статьи Стивен Гиддингс и Скотт Томас (Scott Thomas) из Стэнфордского университета, а также Савас Димопулос (Savas Dimopoulos) из Стэнфорда и Грег Ландсберг (Greg Landsberg) из Университета Брауна независимо описали то, что можно увидеть в коллайдерах частиц типа БАК. Не слишком сложные вычисления буквально ошеломили нас: оценки показали, что при оптимистическом сценарии, соответствующем самому низкому вероятному значению масштаба Планка, черные дыры могут рождаться с частотой одна дыра в секунду. Ускоритель, производящий частицы с такой частотой, физики называют фабрикой, так что БАК может стать фабрикой черных дыр, испарение которых не могло бы остаться незамеченным.

Типичные столкновения дают умеренное количество энергичных частиц, но распадающаяся черная дыра - иное дело. Согласно Хокингу, она излучает во всех направлениях множество частиц с очень высокими энергиями. Продукты ее распада включают все существующие в природе типы частиц. Несколько групп ученых детально рассчитали характерные признаки, по которым детекторы БАК могут заметить черные дыры.

Черные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, черные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечет параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и выделять меньше энергии (поскольку ее часть будет уходить в другую Вселенную)
Черные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, черные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечет параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и выделять меньше энергии (поскольку ее часть будет уходить в другую Вселенную).

Водопад из черных дыр?

Перспектива создания черных дыр на Земле может показаться безумной. Откуда мы знаем, что они благополучно распадутся, как предсказывает Хокинг, а не продолжат свой рост и в конце концов не проглотят нашу планету? На первый взгляд, весьма обоснованная тревога, особенно если учесть, что некоторые детали исходной теории Хокинга могут быть неверны: скажем, утверждение, что информация разрушается в черных дырах. Однако общие принципы квантовой механики указывают, что микроскопические черные дыры не могут быть устойчивы, а значит, они безопасны. Концентрации энергии и массы, типа элементарных частиц, постоянны, только если какой-то закон сохранения запрещает их распад. Примерами служат сохранение электрического заряда и барионного числа. Но нет такого закона, который стабилизировал бы маленькую черную дыру. В квантовой теории все, что не запрещено, обязательно происходит, поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики маленькие черные дыры быстро распадутся.

Изображение

Да и опыт подсказывает, что фабрика черных дыр не представляет опасности. Ведь столкновения с высокой энергией, такие как в БАК, уже имели место, например, в ранней Вселенной. Изредка они происходят и теперь, когда быстрые частицы космических лучей влетают в нашу атмосферу: природа сама создает черные дыры. Уже первые оценки Гиддингса и Томаса показали, что космические лучи высокой энергии (протоны или более тяжелые атомные ядра с энергиями до 109 ТэВ) могут рождать в атмосфере порядка 100 черных дыр в год.

Кроме того, оба вышеуказанных ученых вместе с Дэвидом Дорфаном (David Dorfan) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Томом Риццо (Tom Rizzo) из Стэнфордского центра линейного ускорителя, а также, независимо, Джонатан Фенг (Jonathan L. Feng) из Калифорнийского университета в Ирвине и Альфред Шейпер (Alfred D. Shapere) из Университета штата Кентукки доказали, что столкновения космических нейтрино могут быть даже более эффективны. Если это так, то новая Обсерватория космических лучей им. Оже в Аргентине, которая уже вступила в строй, и модернизируемая Обсерватория Fly's Eye ("Глаз мухи") в штате Юта смогут наблюдать по несколько дыр в год. Однако такие исследования не отменяют необходимость в экспериментах на ускорителях, где при контролируемых условиях может формироваться множество дыр.

Наличие черных дыр доказало бы существование скрытых измерений пространства, а наблюдая их свойства, физики могли бы исследовать "географию" измерений. Например, если создавать на ускорителе дыры все большей массы, они станут проникать все глубже в дополнительные измерения и сравниваться по размеру с одним или несколькими из них, демонстрируя при этом характерные изменения зависимости своей температуры от массы. К тому же если черная дыра становится достаточно большой, чтобы пересечься с параллельной трехмерной Вселенной в дополнительных измерениях, характеристики ее распада должны неожиданно измениться.

Создание черных дыр в ускорителях позволило бы проникнуть в глубины материи. В прошлом столетии физики упорно продвигались к границам микромира: от мельчайших пылинок - к атомам, затем к протонам, нейтронам и, наконец, к кваркам. Если они смогут создавать черные дыры, то достигнут масштаба Планка, который, как полагают, является пределом расстояния, меньше которого сами понятия пространства и длины, по-видимому, перестают существовать. Любая попытка исследовать существование более коротких расстояний, осуществляя столкновения при более высоких энергиях, неизбежно закончилась бы рождением черной дыры. Столкновения при больших энергиях, вместо того, чтобы дробить вещество на мелкие кусочки, приведут к рождению черных дыр все большего размера. Таким образом, их появление ознаменует конец важного направления науки. И возникнет новая задача - исследования дополнительных измерений пространства.
# ОБЗОР: ФАБРИКИ ЧЕРНЫХ ДЫР Черные дыры могут иметь разнообразные размеры и даже быть меньше субатомных частиц. Крошечные дыры должны разрушаться квантовыми эффектами, а самые мелкие - взрываться сразу после рождения.
# Малые черные дыры могли остаться от ранних стадий Большого взрыва, поэтому астрономы пытаются обнаружить взрывы некоторых из них.
# Теоретики предполагают, что малые черные дыры могут возникать при столкновениях в современной Вселенной и даже на Земле. Правда, для этого потребуется гигантская энергия. Но если пространство имеет дополнительные измерения, то энергетический порог будет намного ниже, и дыры могли бы рождаться в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и при столкновении космических лучей с атмосферой. Физики могли бы использовать дыры для исследования дополнительных измерений пространства.

ОБ АВТОРАХ:
Бернард Карр, Стивен Гиддингс (Bernard Carr, Steven Giddings). Карр - профессор Лондонского университета королевы Марии. Он заинтересовался астрофизикой после известного документального фильма Найджела Колдера (Nigel Calder) "Неистовая Вселенная", показанного в 1969 г. Позже он стал аспирантом Хокинга и одним из первых теоретически изучил маленькие черные дыры. Гиддингс - профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, специалист по квантовой гравитации и космологии. Он одним из первых исследовал возможность создания черных дыр в ускорителях частиц.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#108   morozov »

Бозе-эйнштейновский конденсат атомов хрома
1 апреля 2005

T.Pfau и его коллеги из Штутгартского университета впервые получили бозе-эйнштейновский конденсат атомов хрома. В отличие от других атомов, для которых были получены конденсаты, атомы хрома имеют большой магнитный момент - 6 магнетонов Бора. Соответственно, взаимодействие атомов хрома друг с другом в 36 раз сильнее, чем у атомов редкоземельных элементов. Методом испарительного охлаждения в состояние конденсата переведено 50000 атомов хрома при температуре 625нК. Новый тип бозе-эйнштейновского конденсата может найти практические применения в нанолитографии и полезен для изучения далекого взаимодействия атомов в конденсате. В частности, предполагается, что с помощью конденсата хрома удастся наблюдать предсказываемые теоретически фазовые переходы. Источник: cond-mat/0503044
Интерференция электронов
1 апреля 2005

Исследователи из Австрии, Германии и Боснии-Герцеговины выполнили новую оригинальную версию классического эксперимента по интерференции электронов. В их эксперименте интерференция происходила не в пространстве координат и импульсов, а во времени-энергии. Использовались ультракороткие (длительностью 5фс) лазерные импульсы, состоящие всего из полутора периодов электромагнитных колебаний, причем можно было создавать последовательность практически одинаковых импульсов с заданной фазой. Применялось линейно поляризованное излучение лазера на основе титана и сапфира. Последовательность импульсов пропускалась через газообразный аргон. Двумя детекторами, расположенными в плоскости поляризации, регистрировались электроны, возникавшие при ионизации атомов аргона. Если лазерный импульс состоял из двух максимумов и одного минимума колебаний электрического, то в одном из детекторов (к которому обращены два максимума) наблюдалась интерференционная картина. При изменении фазы импульсов на pi/2, интерференция наблюдалась во втором детекторе. Объяснением интерференции является то, что ионизация могла произойти под влиянием любого из двух максимумов колебания. Два пути ионизации квантово-механически интерферировали между собой. Интерференционная картина наблюдалась в энергетическом спектре электронов. Источник: http://physicsweb.org/articles/news/9/3/1/1
Квантовая корреляция трех макроскопических объектов
1 апреля 2005

Недавно были получены пять фотонов в так называемы запутанных (entangled) квантовомеханических состояниях ( УФН 174 919 (2004)). Добиться квантовой корреляции макроскопических объектов значительно сложнее. До последнего времени удавалось получить в запутанном состоянии лишь два объекта, представляющих кубит квантовой информации. В Мэрилендском университете впервые наблюдалось квантовокоррелированное состояние трех макроскопических объектов: LC-колебательного контура и пары Джозефсоновских контактов, каждый из которых состоял из сверхпроводников, разделенных слоем изолятора. При низкой температуре происходила передача по цепи квантованных колебаний электрического тока, причем все три устройства находились в коррелированных квантовых состояниях. Состояние элементов цепи определялось косвенным методом - по рассеянию на них микроволновых радиоимпульсов. Подобные исследования важны для создания в будущем квантовых компьютеров. Источник: Physics News Update, Number 722
Плазма в схлопывающихся пузырьках
1 апреля 2005

Эксперименты и теоретические исследования не дают пока однозначного объяснения явлению сонолюминесценции - излучению света при схлопывании пузырьков газа в жидкости под действием ультразвука. Источником энергии служит сферическая ударная волна, образующаяся при схлопывании. По одним данным, свет генерируется горячей плазмой в пузырьках (УФН 171 796 ( 2001)), по другим - в процессе химических реакций (УФН 172 930 (2002)). Не подтверждены пока сообщения о протекании термоядерных реакций в пузырьках в жидком ацетоне на основе дейтерия (УФН 172 334 (2002)). K.Suslik и D.Flannigan (Университет шт. Иллинойс) выполнили новый эксперимент, в котором впервые достоверно обнаружена плазма в пузырьках. Исследовалось схлопывание пузырьков, наполненных аргоном и ксеноном в серной кислоте. Анализировался спектр излучения единичных пузырьков и сделан вывод, что в пузырьках присутствует плазма с температурой до 20000К. Эксперимент K.Suslik и D.Flannigan по составу среды существенно отличается от предшествующих экспериментов, поэтому его результаты нельзя обобщать на другие случаи. Кроме того, наличие плазмы является необходимым, но не достаточным условием для протекания термоядерных реакций, поскольку такие реакции требуют значительно бо'льших температур. Источник: Nature 434 52
Мощные радио-вспышки
1 апреля 2005

По данным наблюдений радиотелескопа VLA, собранным в 2002г., обнаружена серия из пяти мощных вспышек радиоизлучения на частоте 0,33ГГц в направлении центра Галактики. Вспышки длительностью по 10 минут каждая происходили через равные интервалы времени - 77 минут. В промежутках между вспышками уровень сигнала не превышал фоновый. Источнику вспышек присвоено название GCRT J1745-3009. Ни до, ни после регистрации пяти вспышек этот источник не наблюдался. Сопутствующего рентгеновского или оптического излучения от GCRT J1745-3009 также не зафиксировано. Расстояние до источника неизвестно, он может находиться как в ближней окрестности Солнца, так и в центре Галактики. В последнем случае его мощность должна быть очень большой. Поскольку похожих сигналов из космоса ранее не наблюдалось, GCRT J1745-3009 может принадлежать к новому классу радиоисточников, либо представлять новую форму активности известных объектов. Возможно, радиоимпульсы генерировались на звезде - коричневом карлике, однако их характеристики сильно отличаются от обычного радиоизлучения этих звезд и трудно объяснить периодичность импульсов. По другой гипотезе, источником вспышек был магнетар - нейтронная звезда с сильным магнитным полем, а интервал времени 77 минут представляет собой период орбитального движения вокруг звезды-компаньона в двойной системе. Источник: astro-ph/0503052
Новости не опубликованные в журнале


Электропроводность воды
10 апреля 2005

А.Гончаров и его коллеги из Ливерморской национальной лаборатории им.Лоуренса выполнили компьютерное моделирование свойств воды при высоком давлении и температуре. Обнаружено, что в определенном диапазоне параметров, вода должна стать проводником электричества. Проводимостью воды, возможно, удастся объяснить магнитные поля Урана и Нептуна. Источник: focus.aps.org.
Свет экстрасолнечных планет
10 апреля 2005

С помощью телескопа Спитцер впервые зарегистрировано ИК-излучение от планет, находящихся у звезд за пределами солнечной системы. Ранее далекие планеты наблюдались лишь косвенными методами: по колебаниям траектории звезд и по затенению их света. Источник: physicsweb.org.
Сверхтекучесть твердого водорода
10 апреля 2005

Moses Chan обнаружил свидетельства сверхтекучести твердого водорода. Ранее были получены указания на сверхтекучесть твердого гелия-4. Результаты нуждаются в независимом подтверждении. Источник: www.aip.org.
Электромеханика в нанометровом масштабе
17 апреля 2005

Alex Zettl и его американские коллеги впервые создали электромеханическое устройство нанометровых размеров, действие которого основано на явлении поверхностного натяжения. Устройство, называемое релаксационным маятником, состоит из двух капель жидкого металла на подложке из углеродных нанотрубок. Соприкасающиеся поверхностями капли приводятся в движение электрическим полем. Источник: physicsweb.org.
"Унитарный треугольник"
17 апреля 2005

Коллаборацией Belle в японской лаборатории KEK выполнено самое точное на сегодняшний день измерение третьего угла в "унитарном треугольнике". Полученный результат поможет лучше понять механизм нарушения CP-инвариантности и генерации барионной асимметрии Вселенной. Источник: arxiv.org.
Слияние двух галактик
17 апреля 2005

Космическим рентгеновским телескопом Чандра выполнено наблюдение двух очень далеких галактик в процессе их столкновения и слияния. Приливные гравитационные силы вызвали в галактиках активное звездообразование и создали потоки вещества на центральные черные дыры. Источник: chandra.harvard.edu.
Слияние группы галактик
17 апреля 2005

С помощью телескопа Чандра выполнено наблюдение далекой группы галактик, которые сливаются в одну гигантскую галактику. В центре группы наблюдается очень большая концентрация барионов и темной материи. Источник: chandra.harvard.edu.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#109   morozov »

июль 2005 ? 7 "В МИРЕ НАУКИ"
Материаловедение
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ СТАНОВИТСЯ ТЕПЛЕЕ
Пауль Кенфилд, Сергей Будько

Диборид магния становится сверхпроводящим при температуре в 40 K - абсолютный рекорд среди низко-температурных сверхпроводников.

Представьте, что, копая яму для пруда на своем дачном участке, вы вдруг натыкаетесь на золотую жилу или из земли начинает бить нефтяной фонтан. В похожей ситуации оказались ученые, занимающиеся физикой твердого тела, когда в 2001 г. было открыто, что диборид магния (MgB2) переходит в сверхпроводящее состояние при температурах, близких к 40 К - рекордно высокое значение для обычного низкотемпературного сверхпроводника!
Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#110   morozov »

июль 2005 ? 7 "В МИРЕ НАУКИ"
Космология
ПАРАДОKСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис

Даже астрономы не всегда правильно понимают расширение Вселенной.

Раздувающийся воздушный шар - старая, но хорошая аналогия расширения Вселенной. Галактики, расположенные на поверхности шара, неподвижны, но поскольку Вселенная расширяется, расстояние между ними возрастает, а размеры самих галактик не увеличиваются.
Изображение
В июле 1965 г. ученые объявили об открытии явных признаков расширения Вселенной из более горячего и плотного исходного состояния. Они нашли остывающее послесвечение Большого взрыва - реликтовое излучение. С этого момента расширение и охлаждение Вселенной легло в основу космологии. Космологическое расширение позволяет понять, как формировались простые структуры и как они постепенно развивались в сложные.

Спустя 75 лет после открытия расширения Вселенной многие ученые не могут проникнуть в его истинный смысл. Джеймс Пиблз (James Peebles), космолог из Принстонского университета, изучающий реликтовое излучение, писал в 1993 г.: "Мне кажется, что даже специалисты не знают, каково значение и возможности модели горячего Большого взрыва".

Известные физики, авторы учебников по астрономии и популяризаторы науки порою дают неверную или искаженную трактовку расширения Вселенной, которое легло в основу модели Большого взрыва. Что же мы имеем в виду, когда говорим, что Вселенная расширяется? Несомненно, сбивает с толку то обстоятельство, что теперь говорят об ускорении расширения, и это ставит нас в тупик.
# ОБЗОР: КОСМИЧЕСКОЕ НЕДОРАЗУМЕНИЕ Расширение Вселенной - одна из фундаментальных концепций современной науки - до сих пор получает различное толкование.
# Не следует воспринимать термин "Большой взрыв" буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара.
# Понимание различия между расширением пространства и расширением в пространстве крайне важно для того, чтобы понять, каков размер Вселенной, скорость разбегания галактик, а также возможности астрономических наблюдений и природы ускорения расширения, которое, вероятно, испытывает Вселенная.
# Модель Большого взрыва описывает лишь то, что случилось после него.

Что такое расширение?

Когда расширяется что-нибудь привычное, например, влажное пятно или Римская империя, то они становятся больше, их границы раздвигаются, и они начинают занимать больший объем в пространстве. Но Вселенная, похоже, не имеет физических ограничений, и ей некуда двигаться.

Расширение нашей Вселенной очень похоже на надувание воздушного шара. Расстояния до далеких галактик увеличиваются. Обычно астрономы говорят, что галактики удаляются или убегают от нас, но не перемещаются в пространстве, как осколки "бомбы Большого взрыва". В действительности расширяется пространство между нами и галактиками, хаотически движущимися внутри практически неподвижных скоплений. Реликтовое излучение заполняет Вселенную и служит системой отсчета, подобной резиновой поверхности воздушного шара, по отношению к которой движение и может быть измерено.

Находясь вне шара, мы видим, что расширение его искривленной двухмерной поверхности возможно только потому, что она находится в трехмерном пространстве. В третьем измерении располагается центр шара, а его поверхность расширяется в окружающий его объем. Исходя из этого, можно было бы заключить, что расширение нашего трехмерного мира требует наличия у пространства четвертого измерения. Но согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство динамично: оно может расширяться, сжиматься и изгибаться.

НА ЧТО БЫЛ ПОХОЖ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?
НЕВЕРНО: Вселенная родилась тогда, когда вещество, подобно бомбе, взорвалось в определенном месте. Давление было высоким в центре и низким в окружающей пустоте, что и вызвало разлет вещества.
Изображение
ВЕРНО: Это был взрыв самого пространства, который привел вещество в движение. Наше пространство и время возникло в Большом взрыве и начало расширяться. Нигде не было центра, т.к. условия всюду были одинаковыми, никакого перепада давления, характерного для обычного взрыва, не было.
Изображение
Дорожная пробка

Вселенная самодостаточна. Не требуются ни центр, чтобы расширяться от него, ни свободное пространство с внешней стороны (где бы она ни находилась), чтобы туда расширяться. Правда, некоторые новейшие теории, такие как теория струн, постулируют наличие дополнительных измерений, но при расширении нашей трехмерной Вселенной они не требуются.

В нашей Вселенной, как и на поверхности воздушного шара, каждый объект отдаляется от всех остальных. Таким образом, Большой взрыв не был взрывом в пространстве, а скорее это был взрыв самого пространства, который не произошел в определенном месте и затем не расширялся в окружающую пустоту. Это произошло всюду одновременно.

Если представить, что мы прокручиваем киноленту в обратном порядке, то увидим, как все области Вселенной сжимаются, а галактики сближаются, пока не столкнутся все вместе в Большом взрыве, как автомобили в дорожной пробке. Но сопоставление тут не полное. Если бы речь шла о происшествии, то вы могли бы объехать затор, услышав сообщения о нем по радио. Но Большой взрыв был катастрофой, которую невозможно избежать. Это похоже на то, как если бы поверхность Земли и все дороги на ней смялись, но автомобили оставались бы прежнего размера. В конце концов машины столкнулись бы, и никакое сообщение по радио не помогло бы предотвратить это.

Так же и Большой взрыв: он произошел повсеместно, в отличие от взрыва бомбы, который происходит в определенной точке, а осколки разлетаются во все стороны.

Теория Большого взрыва не дает нам информации о размере Вселенной и даже о том, конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область пространства, но ничего не говорится о размере или форме. Иногда космологи заявляют, что Вселенная когда-то была не больше грейпфрута, но они имеют в виду лишь ту ее часть, которую мы сейчас можем наблюдать.

У обитателей туманности Андромеды или других галактик свои наблюдаемые вселенные. Наблюдатели, находящиеся в Андромеде, могут видеть галактики, которые недоступны нам, просто из-за того, что они немного ближе к ним; зато они не могут созерцать те, которые рассматриваем мы. Их наблюдаемая Вселенная тоже была размером с грейпфрут. Можно вообразить, что ранняя Вселенная была похожа на кучу этих фруктов, безгранично простирающуюся во всех направлениях. Значит, представление о том, что Большой взрыв был "маленьким", ошибочно. Пространство Вселенной безгранично. И как его ни сжимай, оно таковым и останется.
МОГУТ ЛИ ГАЛАКТИКИ УДАЛЯТЬСЯ СО СКОРОСТЬЮ ВЫШЕ СКОРОСТИ СВЕТА?
НЕВЕРНО: Частная теория относительности Эйнштейна запрещает это.
Рассмотрим область пространства, содержащую несколько галактик. Из-за ее расширения галактики удаляются от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость (красные стрелки). Если скорость света - предел, то скорость удаления должна в итоге стать
Изображение
ВЕРНО: Разумеется, могут. Частная теория относительности не рассматривает скорость удаления.
Скорость удаления бесконечно возрастает с расстоянием. Дальше некоторого расстояния, называемого хаббловским, она превышает скорость света. Это не является нарушением теории относительности, поскольку удаление вызвано не движением в пространстве, а расширением самого пространства.
Изображение
Быстрее света

Ошибочные представления бывают связаны и с количественным описанием расширения. Скорость, с которой увеличиваются расстояния между галактиками, подчиняется простой закономерности, выявленной американским астрономом Эдвином Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 г.: скорость удаления галактики v прямо пропорциональна его расстоянию от нас d, или v = Hd. Коэффициент пропорциональности H называется постоянной Хаббла и определяет скорость расширения пространства как вокруг нас, так и вокруг любого наблюдателя во Вселенной.

Некоторых сбивает с толку то, что не все галактики подчиняются закону Хаббла. Ближайшая к нам крупная галактика (Андромеда) вообще движется к нам, а не от нас. Такие исключения бывают, поскольку закон Хаббла описывает лишь среднее поведение галактик. Но каждая из них может иметь и небольшое собственное движение, поскольку галактики гравитационно воздействуют друг на друга, как, например, наша Галактика и Андромеда. Отдаленные галактики также имеют небольшие хаотические скорости, но при большом расстоянии от нас (при большом значении d) эти случайные скорости ничтожно малы на фоне больших скоростей удаления (v). Поэтому для далеких галактик закон Хаббла выполняется с высокой точностью.

Согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется не с постоянной скоростью. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1 тыс. км/с, другие, находящиеся вдвое дальше, со скоростью 2 тыс. км/с, и т.д. Таким образом, закон Хаббла указывает, что, начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со сверхсветовой скоростью. Для измеренного значения постоянной Хаббла это расстояние составляет около 14 млрд. световых лет.

Но разве частная теория относительности Эйнштейна не утверждает, что никакой объект не может иметь скорость выше скорости света? Такой вопрос ставил в тупик многие поколения студентов. А ответ состоит в том, что частная теория относительности применима лишь к "нормальным" скоростям - к движению в пространстве. В законе Хаббла речь идет о скорости удаления, вызванного расширением самого пространства, а не движением в пространстве. Этот эффект общей теории относительности не подчиняется частной теории относительности. Наличие скорости удаления выше скорости света никак не нарушает частную теорию относительности. По-прежнему верно, что никто не может догнать луч света.

Каждый раз, когда Scientific American публикует статью по космологии, многие читатели пишут нам, что, по их мнению, галактики на самом деле не удаляются от нас и что расширение пространства - иллюзия. Они полагают, что красное смещение в спектрах галактик вызвано чем-то вроде "утомления" от долгой поездки. Некий неизвестный процесс вынуждает свет, распространяясь сквозь пространство, терять энергию и поэтому краснеть.

Данной гипотезе уже более полувека, и на первый взгляд она выглядит разумной. Но она совершенно не согласуется с наблюдениями. Например, когда звезда взрывается как сверхновая, она вспыхивает, а затем тускнеет. Весь процесс длится примерно две недели у сверхновых того типа, который астрономы используют для определения расстояний до галактик. За этот период времени сверхновая излучает поток фотонов. Гипотеза усталости света говорит, что за время пути фотоны потеряют энергию, но наблюдатель все равно получит поток фотонов длительностью в две недели.

Однако в расширяющемся пространстве не только сами фотоны растягиваются (и поэтому теряют энергию), но и их поток также растягивается. Поэтому требуется более двух недель, чтобы все фотоны добрались до Земли. Наблюдения подтверждают такой эффект. Вспышка сверхновой в галактике с красным смещением 0,5 наблюдается три недели, а в галактике с красным смещением 1 - месяц.

Гипотеза усталости света противоречит также наблюдениям спектра реликтового излучения и измерениям поверхностной яркости далеких галактик. Пришло время отправить на покой "утомленный свет" (Чарльз Линевивер и Тамара Дэвис).
Изображение
Сверхновые звезды, как эта в скоплении галактик в Деве, помогают измерять космическое расширение. Их наблюдаемые свойства исключают альтернативные космологические теории, в которых пространство не расширяется.

Растяжение фотонов

Первые наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется, были сделаны между 1910 и 1930 г. В лаборатории атомы испускают и поглощают свет всегда на определенных длинах волн. То же наблюдается и в спектрах далеких галактик, но со смещением в длинноволновую область. Астрономы говорят, что излучение галактики испытывает красное смещение. Объяснение простое: при расширении пространства световая волна растягивается и поэтому ослабевает. Если в течение того времени, пока световая волна дошла до нас, Вселенная расширилась вдвое, то и длина волны удвоилась, а ее энергия ослабла в два раза.

Процесс можно описать в терминах температуры. Испускаемые телом фотоны имеют распределение по энергии, которое в целом характеризуют температурой, указывающей, насколько тело горячее. Когда фотоны движутся в расширяющемся пространстве, они теряют энергию и их температура снижается. Таким образом, Вселенная при расширении охлаждается, как сжатый воздух, вырывающийся из баллона аквалангиста. К примеру, реликтовое излучение сейчас имеет температуру около 3 К, тогда как оно родилось при температуре около 3000 К. Но с того времени Вселенная увеличилась в размере в 1000 раз, а температура фотонов понизилась во столько же раз. Наблюдая газ в далеких галактиках, астрономы прямо измеряют температуру этого излучения в далеком прошлом. Измерения подтверждают, что Вселенная со временем охлаждается.

В связи между красным смещением и скоростью также существуют некоторые противоречия. Красное смещение, вызванное расширением, часто путают с более знакомым красным смещением, вызванным эффектом Доплера, который обычно делает звуковые волны более длинными, если источник звука удаляется. То же верно и для световых волн, которые становятся более длинными, если источник света отдаляется в пространстве.

Доплеровское красное смещение и космологическое красное смещение - вещи абсолютно разные и описываются различными формулами. Первая вытекает из частной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства, а вторая следует из общей теории относительности. Эти две формулы почти одинаковы для близлежащих галактик, но различаются для отдаленных.

Согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, а длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения. Если бы это было верно для галактик, то самые отдаленные видимые объекты на небе удалялись бы со скоростью, заметно меньшей скорости света. Но космологическая формула для красного смещения приводит к другому выводу. В рамках стандартной космологической модели галактики с красным смещением около 1,5 (т.е. принимаемая длина волны их излучения на 50% больше лабораторного значения) удаляются со скоростью света. Астрономы уже обнаружили около 1000 галактик с красным смещением больше 1,5. А значит, нам известно около 1000 объектов, удаляющихся быстрее скорости света. Реликтовое излучение приходит с еще большего расстояния и имеет красное смещение около 1000. Когда горячая плазма молодой Вселенной испускала принимаемое нами сегодня излучение, она удалялась от нас почти в 50 раз быстрее скорости света.

МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ ГАЛАКТИКИ, УДАЛЯЮЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА?
НЕВЕРНО: Конечно нет. Свет от таких галактик улетает вместе с ними.
Пусть галактика находится за пределом хаббловского расстояния (сфера), т.е. удаляется от нас быстрее скорости света. Она испускает фотон (помечено желтым цветом). Пока фотон летит сквозь пространство, само оно расширяется. Расстояние до Земли увеличивается быстрее, чем движется фотон. Он никогда не достигнет нас.
Изображение
ВЕРНО: Конечно можно, поскольку скорость расширения изменяется со временем.
Сначала фотон действительно сносится расширением. Однако хаббловское расстояние не постоянно: оно увеличивается, и в конце концов фотон может попасть в сферу Хаббла. Как только это случится, фотон будет двигаться быстрее, чем удаляется Земля, и он сможет достичь нас.
Изображение
МОГУТ ЛИ ГАЛАКТИКИ УДАЛЯТЬСЯ СО СКОРОСТЬЮ ВЫШЕ СКОРОСТИ СВЕТА?
НЕВЕРНО: Вселенной 14 млрд. лет, поэтому наблюдаемая ее часть должна иметь радиус 14 млрд. световых лет.
Рассмотрим самую далекую из наблюдаемых галактик ? ту, чьи фотоны, испущенные сразу после Большого взрыва, только теперь достигли нас. Световой год ? это расстояние, проходимое фотоном за год. Значит, фотон преодолел 14 млрд. световых лет.
Изображение
ВЕРНО: Нет. Вселенная расширяется, но связанные объекты в ней не делают этого.
Соседние галактики сначала удаляются, но в конечном счете их взаимное притяжение пересиливает расширение. Формируется скопление такого размера, которое соответствует его равновесному состоянию.
Изображение
Во Вселенной расширяется все?

Люди часто думают, что если пространство расширяется, то и все в нем тоже расширяется. Но это неверно. Расширение как таковое (т.е. по инерции, без ускорения или замедления) не производит никакой силы. Длина волны фотона увеличивается вместе с ростом Вселенной, поскольку в отличие от атомов и планет фотоны не связанные объекты, размеры которых определяются равновесием сил. Изменяющаяся скорость расширения действительно вносит новую силу в равновесие, но и она не может заставить объекты расширяться или сжиматься.

Например, если бы гравитация стала сильнее, ваш спинной мозг сжался бы, пока электроны в позвоночнике не достигли бы нового положения равновесия, чуть ближе друг к другу. Ваш рост немного уменьшился бы, но сжатие на этом прекратилось бы. Точно так же, если бы мы жили во Вселенной с преобладанием сил тяготения, как еще несколько лет назад считало большинство космологов, то расширение замедлялось бы, а на все тела действовало бы слабое сжатие, заставляющее их достигать меньшего равновесного размера. Но, достигнув его, они бы больше не сжимались.

Фактически же расширение ускоряется, что вызвано слабой силой, "раздувающей" все тела. Поэтому связанные объекты имеют размеры немного больше, чем были бы в неускоряющейся Вселенной, поскольку равновесие сил достигается у них при немного большем размере. На поверхности Земли ускорение, направленное наружу, от центра планеты, составляет мизерную долю (10-30) нормального гравитационного ускорения к центру. Если это ускорение неизменно, то оно не заставит Землю расширяться. Просто планета принимает чуть больший размер, чем он был бы без силы отталкивания.

Но все изменится, если ускорение не постоянно, как полагают некоторые космологи. Если отталкивание увеличивается, то это может в конце концов вызвать разрушение всех структур и привести к "Большому разрыву", который произошел бы не из-за расширения или ускорения как такового, а потому что ускорение ускорялось бы.

По мере того как новые точные измерения помогают космологам лучше понять расширение и ускорение, они могут задаться еще более фундаментальными вопросами о самых ранних мгновениях и наибольших масштабах Вселенной. Чем было вызвано расширение? Многие космологи считают, что в этом виноват процесс, называемый "инфляцией" (раздуванием), особый тип ускоряющегося расширения. Но возможно, это лишь частичный ответ: чтобы она началась, похоже, Вселенная уже должна была расширяться. А что относительно наибольших масштабов за пределом наших наблюдений? Расширяются ли разные части Вселенной по-разному, так, что наша Вселенная - это всего лишь скромный инфляционный пузырь в гигантской сверхвселенной? Никто не знает. Но мы надеемся, что со временем мы сможем прийти к пониманию процесса расширения Вселенной.
ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ КОСМИЧЕСКОЕ КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ - ЭТО ДОПЛЕРОВСКОЕ СМЕЩЕНИЕ?
НЕВЕРНО: Да, потому что удаляющиеся галактики движутся в пространстве.
В эффекте Доплера световые волны растягиваются (становясь более красными), когда их источник удаляется от наблюдателя.Длина волны света не меняется во время его путешествия сквозь пространство.Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики.
Изображение
ВЕРНО: Нет, красное смещение не имеет никакого отношения к эффекту Доплера.
Галактика почти неподвижна в пространстве, поэтому испускает свет одинаковой длины волны во всех направлениях.
За время пути длина волны становится больше, поскольку пространство расширяется. Поэтому свет постепенно краснеет.
Наблюдатель принимает свет, измеряет его красное смещение и вычисляет скорость галактики. Космическое красное смещение отличается от доплеровского смещения, что подтверждают наблюдения.

ЗАМЕЧАНИЯ К СТАТЬЕ "ПАРАДОКСЫ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА"

Профессор Засов Анатолий Владимирович, физ. ф-т МГУ:
Все недоразумения, с которыми спорят авторы статьи, связаны с тем, что для наглядности чаще всего рассматривают расширение ограниченного объема Вселенной в жесткой системе отсчета (причем расширение достаточно маленькой области, чтобы не учитывать разность хода времени на Земле и на далеких галактиках в земной системе отсчета). Отсюда представление и о взрыве, и о доплеровском смещении, и распространенная путаница со скоростями движения. Авторы же пишут, и пишут правильно, как все выглядит в неинерциальной (сопутствующей) системе координат, в которой обычно работают космологи, хотя в статье прямо не говорится об этом (в принципе, все расстояния и скорости зависят от выбора системы отсчета, и здесь всегда есть некий произвол). Единственно, что написано нечетко, так это то, что не определено, что же в расширяющейся Вселенной понимается под расстоянием. Сначала у авторов это скорость света, умноженная на время распространения, а далее говорится, что необходим еще учет расширения, которое удалило галактику еще больше, пока свет был в пути. Таким образом, расстояние уже понимается как скорость света, умноженная на время распространения, которое он потратил бы, если бы галактика перестала удаляться и излучила свет сейчас. В действительности все сложнее. Расстояние - величина модельно зависимая и непосредственно из наблюдений не получаемая, поэтому космологи без него прекрасно обходятся, заменяя красным смещением. Но может быть, более строгий подход здесь и неуместен.

ОБ АВТОРАХ:

Чарльз Линевивер (Charles H. Lineweaver) и Тамара Дэвис (Tamara M. Davis) - астрономы из австралийской обсерватории Маунт-Стромло. В начале 1990-х гг. в Калифорнийском университете в Беркли Линевивер входил в группу ученых, открывших с помощью спутника COBE флуктуации реликтового излучения. Он защитил диссертацию не только по астрофизике, но и по истории и английской литературе. Дэвис работает над созданием космической обсерватории Supernova/Acceleration Probe (Исследователь сверхновых звезд и ускорения).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#111   morozov »

Параметры унитарного треугольника
1 мая 2005

Коллаборацией Bell в японской лаборатории KEK выполнено самое точное на сегодняшний день измерение третьего угла унитарного треугольника - графического представления матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы. Эта матрица в Стандартной модели элементарных частиц описывает нарушение CP-инвариантности, а также различие между частицами и античастицами. За время проведения эксперимента было получено 275x106 пар B-мезонов. Исследовались их распады на нейтральные D-мезоны и заряженные каоны. D-мезон, в свою очередь, распадался на пару пионов и каон. Зарегистрировано 56 подобных распадов. По различию в характеристиках распада B-мезонов и анти-B-мезонов была рассчитана величина угла унитарного треугольника. Для обработки экспериментальных данных использовался метод графиков Далица (Dalitz). Измерение параметров унитарного треугольника важно для проверки самосогласованности Стандартной модели и поиска новых эффектов. Эксперимент выполнен международным коллективом исследователей с участием российских ученых из Института ядерной физики им.И.Будкера (Новосибирск) и Института теоретической и экспериментальной физики (Москва). Источник: hep-ex/0504013

Время полураспада ядер 78Ni
1 мая 2005

Группой исследователей из Германии и США впервые выполнено измерение времени полураспада ядер 78Ni. Эти ядра относятся к классу "дважды магических" ядер, у которых полностью заполнены нуклонные оболочки. Ядра 78Ni имеют исключительно важное значение для образования во Вселенной тяжелых элементов. При взрыве сверхновых звезд происходит r-процесс (быстрый захват нейтронов) на ядрах 78Ni, благодаря чему образуются около половины всех химических элементов тяжелее железа. В лаборатории GSI (Дармштадт, Германия) ранее уже были синтезированы ядра 78Ni, но измерить их время жизни не удавалось. В новом эксперименте, выполненном в Мичиганском университете, производились столкновения пучка криптона с бериллиевой мишенью. Из продуктов атомных реакций были выделены ядра 78Ni и измерено время их полураспада - 110(+100 -60)мс. Это время в четыре раза короче, чем предсказывалось теоретически. Лучше всего экспериментальные данные описывает оболочечная модель ядра. С учетом новых данных должны быть пересмотрены модели синтеза элементов при взрывах сверхновых. В том же эксперименте измерены времена полураспада ядер 75Ni, 76 и Ni77Ni. Источник: Phys. Rev. Lett. 94 112501 (2005)

Измерение сверхмалых масс
1 мая 2005

M.Roukes и его коллеги из Калифорнийского технологического института разработали методику измерения сверхмалых масс. Методика основана на сдвиге резонансной частоты микроскопического осциллятора при увеличении его массы. Осциллятор имеет форму уплощенного коромысла с грузами на концах и изготовлен из карбида кремния. В условиях глубокого вакуума на осциллятор был направлен модулированный пучек атомов ксенона. Часть атомов абсорбировались на его поверхности. Осциллятор был помещен в радиочастотный резонатор, электрические колебания которого измерялись в эксперименте. Сдвиг частоты заметен при поглощении осциллятором 30 атомов ксенона, что по массе составляет 7x10-21г. Новая методика может найти применение в биомедицинских исследованиях для регистрации больших органических молекул. Источник: Physics News Update, Number 725

Электромеханика в нанометровом масштабе
1 мая 2005

A. Zettl и его американские коллеги создали электромеханическое устройство размером всего в несколько десятков нанометров, механические движения которого основаны на явлении поверхностного натяжения. Устройство, называемое релаксационным маятником, состоит из двух капель жидкого металла (индия) на подложке из углеродных нанотрубок. Под влиянием внешнего электрического поля происходит перелет молекул индия от большей капли к меньшей. В процессе роста меньшей капли наступает момент, когда поверхности капель соприкасаются. После касания вещество начинает перетекать в обратном направлении под действием поверхностного натяжения. Частота подобных осцилляций зависит от напряженности электрического поля, и при каждом колебании, длящемся около 200пс, совершается механическая работа 5фДж. Источник: Appl. Phys. Lett. 86 123119 (2005)

Новый класс космических гамма-источников
1 мая 2005

С помощью телескопа HESS, расположенного в Намибии, обнаружены 8 новых точечных источников жесткого гамма-излучения вблизи центра Галактики. HESS представляет собой четыре черенковских детектора, каждый площадью 107м2. Детекторы работают совместно в стереоскопическом режиме, что позволило достичь углового разрешения не хуже 0.1o. Наблюдается излучение с энергией более 100ГэВ. Гамма-фотоны или космические лучи вызывают в атмосфере каскады рождающихся заряженных частиц, которые производят детектируемое черенковское излучение. В плоскости диска Галактики вблизи ее центра обнаружено 8 ранее неизвестных гамма-источников. Путем сравнения с данными наблюдений в других диапазонах определены астрофизические объекты, которые могут производить гамма-излучение шести источников. Это остатки от взрывов сверхновых, нейтронные звезды или окружающие их туманности. Однако два оставшихся гамма- источника не совпадают пространственно с известными астрофизическими объектами и в других диапазонах волн не видны. Возможно, эти источники составляют новую популяцию гамма-источников. Генерация жесткого гамма- излучения, вероятно, связана со взаимодействиями заряженных частиц, ускоренных до больших энергий. Отсутствие сопутствующего длинноволнового излучения может свидетельствовать о том, что ускоряемыми частицами, скорее всего, являются протоны. В этом состоит еще одно отличие двух источников от известных объектов, где ускоряются преимущественно электроны. Источник: astro-ph/0504380

Новости не опубликованные в журнале


Время полураспада ядер 78Ni
8 мая 2005

Группой исследователей из Германии и США впервые выполнено измерение времени полураспада дважды магических ядер 78Ni. Время распада в четыре раза короче, чем предсказывалось теоретически. Лучше всего экспериментальные данные описывает оболочечная модель ядра. С учетом новых данных должны быть пересмотрены модели синтеза элементов при взрывах сверхновых. Источник: prl.aps.org.
Измерение сверхмалых масс
8 мая 2005

M.Roukes и его коллеги из Калифорнийского технологического института разработали методику измерения сверхмалых масс. Методика основана на сдвиге резонансной частоты микроскопического осциллятора при увеличении его массы. Сдвиг частоты заметен при поглощении осциллятором 30 атомов ксенона, что по массе составляет 7x10-21г. Источник: www.aip.org.
Новый класс гамма-источников
8 мая 2005

С помощью телескопа HESS обнаружены 8 новых точечных источников жесткого гамма-излучения вблизи центра Галактики. Возможно, эти источники составляют новую популяцию гамма-источников. Отсутствие сопутствующего длинноволнового излучения может свидетельствовать о том, что ускоряемыми в источниках частицами, скорее всего, являются протоны. Источник: arXiv.org.
Ядерный синтез "на столе"
22 мая 2005

Brian Naranjo и его коллеги из Калифорнийского университета создали компактную лабораторную установку, позволяющую исследовать термоядерные реакции. Ионы дейтерия ускорялись электрическим полем. При столкновении ионов возникали альфа-частицы и нейтроны. Установка полезна в научных исследованиях, но непригодна для промышленного производства энергии, поскольку затрачиваемая в ней энергия превышает выделяемую при синтезе. Источник: physicsweb.org.
Перестраиваемая жидкокристаллическая линза
22 мая 2005

В Канаде создана линза из жидких кристаллов, фокусное расстояние которой можно изменять с помощью внешнего электрического поля. Поле влияет на ориентацию молекул кристалла, меняя тем самым показатель преломления. Источник: physicsweb.org.
Длинноволновая упорядоченность в стеклах
22 мая 2005

Исследователи из Великобритании и Франции с помощью метода рентгеновской дифракции обнаружили новые формы крупномасштабной упорядоченности атомов в стеклах. Открытие может оказаться полезным в создании новых типов оптически активных стекол. Источник: physicsweb.org.
Мюонная радиография
22 мая 2005

Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории спроектировали детектор, способный регистрировать опасные ядерные вещества (уран, плутоний) за толстыми стенками из свинца или других экранирующих материалов. В методе "мюонной радиографии" предполагается использовать мюоны космических лучей, достигающие поверхности Земли. Благодаря большой энергии, эти мюоны обладают хорошей проникающей способностью, но могут откланяться электрическим полем тяжелых ядер. Источник: www.lanl.gov.
AFM-микроскоп для наблюдений внутри жидкости
22 мая 2005

Китайскими учеными создана разновидность атомного силового микроскопа (AFM), способного вести наблюдения внутри жидкости. Прибор может оказаться полезным для исследования биологических объектов, и веществ, которые быстро окисляются или разрушаются в воздухе. Источник: physicsweb.org.
Отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне
29 мая 2005

Владимир Шалаев и его коллеги из США впервые изготовили материал, обладающий отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне (ранее этот эффект удавалось получить только в радиодиапазоне). Новый материал состоит из массива микроскопических (нанометрового масштаба) пар золотых проволочек. Источник: physicsweb.org.
Цинк-54
29 мая 2005

Международному коллективу исследователей впервые удалось получить изтоп цинка-54. Кроме того, установлено, что эти ядра подвержены двухпротонному распаду. Цинк-58 получен в лаборатории GANIL путем столкновения пучка ядер никеля-58 с никелевой мишенью. Источник: physicsweb.org.
Кварк-глюонная плазма
31 мая 2005

В Брукхейвенской национальной лаборатории на коллайдере RHIC получены самые надежные на сегодняшний день свидетельства того, что в эксперименте по столкновению ультрарелятивистских ионов золота достигалось состояние кварк-глюонной плазмы. Оказалось, что кварк-глюонная плазма ведет себя не как газ, а скорее как идеальная жидкость. Это может быть следствием достаточно сильного взаимодействия кварков и глюонов между собой. Источник: physicsweb.org.
КХД на решетке
31 мая 2005

За счет совершенствования алгоритмов и повышения компьтерных мощностей удалось значительно повысить точность расчетов в рамках квантовой хромодинамики (КХД) "на решетке". A.Kronfeld и его коллеги вычислили массу чармированного B-мезона - 6304МэВ с точностью 20МэВ. Спустя всего лишь несколько дней масса Bc была измерена экспериментально и оказалась равной 6287МэВ с погрешностью 5МэВ. Источник: www.aip.org.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#112   morozov »

Кварк-глюонная плазма
1 июня 2005

На ускорителе тяжелых ионов RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории получены новые данные об образовании кварк-глюонной плазмы в столкновениях ультрарелятивистских ионов золота. Столкновения происходили с энергией в системе центра масс 40ТэВ. По характеристикам разлетающихся от точки столкновения частиц восстановлена картина происходивших в момент столкновения физических процессов. Сначала ядра распадались на нуклоны, а нуклоны - на кварки. Возникал горячий шар (fireball), состоящий из кварков и глюонов. Вещество в таком состоянии существовало на очень ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее возраст составлял миллионные доли секунды. Шар расширялся в течение времени около 10-24с до радиуса примерно 5фм. По мере расширения кварк-глюонная плазма остывала, и кварки объединялись в адроны, регистрируемые детекторами. Эксперименты дали новые убедительные свидетельства, что в столкновениях действительно достигалось состояние кварк-глюонной плазмы. По сравнению с предшествующими экспериментами новым интересным моментом оказалось то, что кварк-глюонная плазма ведет себя не как газ, а скорее как идеальная жидкость. Это может быть следствием достаточно сильного взаимодействия кварков и глюонов между собой. Источник: http://physicsweb.org/articles/news/9/4/10/1

Гибридный мезон
1 июня 2005

Коллаборацией Belle в японской лаборатории KEK обнаружен новый мезон с массой 3940МэВ, состоящий из c-кварка и c-антикварка. Мезоны рождались в электрон-позитронных столкновениях и были идентифицированы по распадам на частицы Omega и J/psi. Распады имели характерные особенности, которые позволили предположить, что мезон представляет собой не просто пару c анти-c, а имеет в своем составе глюон (частица - переносчик сильного взаимодействия). Таким образом, новый мезон является первым обнаруженным "гибридным мезоном", хотя их существование предсказывалось еще в 1978г. В то же время, масса мезона существенно меньше, чем рассчитано теоретически. Источник: Phys. Rev. Lett. 94 182002 (2005)

Цинк-54
1 июня 2005

Международному коллективу исследователей из французской лаборатории GANIL впервые удалось получить ядра изотопа цинка 54Zn, содержащие по 30 протонов и 24 нейтрона. Ядра 54Zn получены путем столкновения пучка ядер 58Ni с никелевой мишенью. Установлено, что ядра 54Zn подвержены двухпротонному распаду, причем энергия вылетающих протонов и время жизни ядра - 3,7мс точно соответствуют теоретически рассчитанным значениям. Ранее двухпротонный распад, предсказанный В.И.Гольданским в 1960г, экспериментально наблюдался лишь у изотопа 45Fe (см. УФН 172 1224 (2002)). Источники: nucl-ex/0505016

Плавление натрия
1 июня 2005

E. Gregoryanz и его коллеги из Института Карнеги (Вашингтон) обнаружили необычное поведение температуры плавления натрия при больших давлениях. Сначала, как и у большинства других веществ, температура плавления натрия увеличивалась с увеличением давления, достигая 1000К при давлении 30ГПа. Но при дальнейшем росте давления температура плавления начала уменьшаться вплоть до комнатной температуры 300К при давлении 118ГПа. Подобная "отрицательная кривая плавления" наблюдалась у некоторых веществ лишь при значительно меньших температурах и давлениях. Источник: Physics News Update, Number 730

Метаматериалы в оптическом диапазоне
1 июня 2005

В. Шалаев и его коллеги из США впервые изготовили материал, обладающий отрицательным показателем преломления n=-0.3 в оптическом диапазоне на длине волны света 1.5мкм. Метаматериалы с отрицательными электрической и магнитной проницаемостями были теоретически исследованы В.Г.Веселаго в 1967г (УФН 92 517 (1967)), но до сих пор это свойство удавалось реализовать лишь в композитных материалах для радиодиапазона (см. УФН 170 552 (2000)). Новый материал состоит из массива микроскопических (нанометрового масштаба) пар параллельных золотых проволочек. Размер образца составлял 2 на 2мм. Показатель преломления экспериментально измерялся по изменению фазы и амплитуды пропущенных и отраженных волн. Эффект отрицательного n обусловлен плазмонными резонансами на проволочках. Наглядно эти резонансы можно представить как резонансы в колебательных контурах, в которых проволочки играют роль индуктивностей, а заполненное диэлектриком пространство - емкостей. Новые метаматериалы могут найти полезные практические применения. Источник: physics/0504091

Другой подход использовала группа исследователей из Калифорнийского университета. X.Zhang и его коллеги показали, что отрицательным показателем преломления может обладать очень тонкая (толщиной 35нм) пленка серебра. Это свойство пленки обусловлено возбуждаемыми в ней плазмонами и может быть использовано для регистрации электромагнитных колебаний вблизи поверхности предметов. Поверхностные волны, в отличие от обычного света, затухают экспоненциально с расстоянием. Расположив изучаемый предмет и фотопластинку очень близко к пленке, удалось с помощью ультрафиолетового лазера получить изображение предмета с разрешением в шесть раз меньше длины волны, превзойдя тем самым дифракционный предел. Идею регистрации поверхностных волн с помощью линзы из метаматериала предложил J.Pendry в 2000г. Источник: http://physicsweb.org/articles/news/9/4/12/1

Новости не опубликованные в журнале


Новый мезон
5 июня 2005

Коллаборацией Belle в японской лаборатории KEK впервые обнаружен гибридный мезон с массой 3940МэВ, состоящий из c-кварка, c-антикварка и глюона. Существование гибридных мезонов предсказывалось еще в 1978г. Однако, измеренная масса мезона существенно меньше, чем рассчитано теоретически. Источник: arXiv.org.

Плавление натрия
5 июня 2005

E. Gregoryanz и его коллеги из Института Карнеги (Вашингтон) выявили "отрицательную кривую плавления" натрия при больших давлениях. Температура плавления уменьшалась вплоть до комнатной температуры 300К при давлении 118ГПа. Ранее подобный эффект наблюдался у некоторых веществ лишь при значительно меньших температурах и давлениях. Источник: www.aip.org.

Аномальные оптические свойства пленки серебра
5 июня 2005

X.Zhang и его коллеги из Калифорнийского университета показали, что очень тонкая (толщиной 35нм) пленка серебра обладает отрицательным показателем преломления . Это свойство пленки обусловлено возбуждаемыми в ней плазмонами и было использовано для получения изображение предмета с разрешением в шесть раз меньше длины волны. Источник: physicsweb.org.

Оптический "конвеер"
5 июня 2005

Ученые из Чехии и Великобритании создали "оптический конвеер", с помощью которого можно перемещать микроскопические частицы вещества. Использовались два встречных интерферирующих луча лазера. Частицы захватывались между максимумами стоячей электромагнитной волны и перемещались путем измения фазы волн. Источник: www.aip.org.

Нейтринное излучение пульсара
5 июня 2005

Согласно теории Bennett Link (университет Монтаны) некоторые пульсары могут является сверхмощными источниками нейтрино. Протоны, ускоряясь в сильном электрическом поле у поверхности нейтронной звезды, взаимодействуют с рентгеновскими фотонами, в результате чего рождаются частицы Дельта. При их распадах образуются нейтрино. Источник: www.aip.org.

Квантовая криптография
5 июня 2005

Ученые из исследовательского подразделения компании Тошиба впервые продемонстрировали передачу звука и видеоизображений по оптоволоконной линии связи, защищенной методом квантовой криптографии. Был также разработан алгоритм, совмещающий квантовую криптографию с интернет-протоколом IP. Источник: physicsweb.org
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#113   morozov »

март 2005 ? 3 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ОСТРОВА СТАБИЛЬНОСТИ
Юрий Оганесян

В Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли (4,5 млрд. лет).

Известно, что окружающий нас мир состоит из 83 химических элементов, самый легкий из них - водород (его атомный номер - Z=1), самый тяжелый - уран (Z=92). Возможно, уже на первом уроке химии у любознательного ученика возникает вопрос: почему химических элементов именно столько и чем определяется их количество? Как ни парадоксально, этот вопрос представляет собой одну из фундаментальных научных проблем познания материального мира.

В Солнечной системе и на нашей планете сохранились лишь те элементы, время жизни которых больше возраста Земли (4,5 млрд. лет). Другие распались и не дожили до наших дней. Радиоактивный элемент уран, у которого период полураспада около 4,5x108 лет, еще распадается. Однако в середине прошлого века люди научились получать элементы, которых нет в природе, например, нарабатываемый в ядерных реакторах плутоний (Z=94). Его изотоп с атомной массой 239 (239Pu) имеет период полураспада всего T1/2 ~ 2x104 лет. Плутоний производится сотнями тонн и служит одним из мощнейших источников энергии. Его время жизни ничтожно мало по сравнению со временем жизни 238U, но в масштабе микромира это огромная величина. Поэтому могут быть элементы значительно тяжелее плутония. Вопрос, однако, остается: где предел существования химических элементов?

Сколько может быть химических элементов?

Согласно квантовой электродинамике, хорошо известная концепция атома (Э. Резерфорд, 1932 г.) как системы, состоящей из ядра, в котором сосредоточены положительный заряд и практически вся масса атома, и электронов, двигающихся на большом расстоянии от ядра, справедлива для очень тяжелых атомов до атомных номеров Z ~ 170 и даже более. Однако предел существования атомов наступает намного раньше из-за нестабильности самого ядра.

Изменение соотношения протонов и нейтронов в стабильном ядре приводит к его радиоактивному распаду. Обогащение ядра нейтронами уменьшает энергию связи нейтронов. Предел наступает при En = 0 (граница существования нейтронно-избыточных ядер). Аналогично, нулевая энергия связи протонов Ep = 0 (протонная граница) определяет предел существования протонно-избыточных ядер.

Другая граница связана с максимально возможным числом нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Формально предельная масса ядра определяется вероятностью его деления на две (или более) части меньшей массы. Впервые такой тип ядерного превращения (спонтанное деление ядра на два осколка примерно равной массы) наблюдался для урана в 1940 г. в Ленинграде К.А. Петржаком и Г.Н. Флеровым, работавшими под руководством И.В. Курчатова. Для ядра 238U парциальный период спонтанного деления составил TSF = 1016 лет.

В это время уже было открыто вынужденное деление урана под действием нейтронов (О. Хан и Г. Штрассман, 1939 г.). Для физического описания процесса Н. Бором и Дж. Уиллером в 1939 г. была предложена жидко-капельная модель ядерного деления. Эта красивая модель, по существу - классическая, основана на предположении о том, что ядерное вещество является бесструктурной (аморфной) материей, подобно капле заряженной жидкости (Я.В. Френкель, 1939 г., Ленинград). В ядерной капле силы поверхностного натяжения, препятствующие силам электростатического (кулоновского) расталкивания протонов, определяют ее сферическую форму. Ситуация меняется по мере увеличения числа протонов или заряда ядра, когда силы поверхностного натяжения становятся сопоставимыми с силами кулоновского отталкивания. Если в процессе противоборства двух сил капля достигает некоторой критической деформации, то это приводит к ее разделению на две части (осколки деления). Очевидно, что для достижения критической деформации необходимо увеличить начальную энергию ядра.

Разница энергии сферического и деформированного ядра определяет барьер, препятствующий его делению. Для ядра 238U высота барьера деления около 6 МэВ. Поэтому если в ядро урана внести дополнительную энергию около 6 МэВ или большую, оно моментально разделится на два осколка. Но ядро урана может разделиться и самопроизвольно (спонтанно) без дополнительной энергии, проникая (туннелируя) через барьер деления.

Процесс спонтанного деления урана происходит крайне редко - примерно раз в 1016 лет. С увеличением атомного номера (т.е. числа протонов в ядре) высота барьера деления заметно понижается, что ведет к резкому уменьшению времени жизни элемента относительно спонтанного деления: у калифорния Cf (Z=98) период спонтанного деления составляет всего TSF = 80 лет. У более тяжелых элементов при некоторой критической величине ядерного заряда (атомного номера элемента), когда высота барьера деления достигает нуля, ядро становится абсолютно неустойчивым к спонтанному делению (TSF x 10-19 с). Это и есть предел стабильности тяжелых ядер. Согласно оценкам Н. Бора и Дж. Уиллера, подобная ситуация наступает при Z > 100.

Следует отметить, что периоды спонтанного деления изотопов первых трансурановых элементов с Z = 94?100, полученных в ядерных реакторах, в целом соответствовали предсказаниям капельной теории ядра.

Но спустя 22 года в нашей лаборатории (Г.Н. Флеров, С.М. Поликанов и др., 1962 г.), а затем и во многих других лабораториях мира было обнаружено, что ядра урана и более тяжелых т.н. трансурановых элементов могут делиться спонтанно с двумя отличающимися друг от друга периодами полураспада. Например, для 238 U с периодами полураспада 1016 лет и 0,3x10-6 с их различие составляет астрономическую величину - 1030 раз! Наличие двух значений периода полураспада (т.е. двух вероятностей одного и того же типа распада) свидетельствует о том, что данный распад происходит из двух устойчивых состояний системы: основного (TSF 1 = 1016 лет) и "изомерного" (TSF 2 = 3x10-7 с). Спонтанно делящиеся изомеры находятся в противоречии с моделью жидкой капли, т.к. у классической капли в процессе деформации не может быть промежуточных устойчивых состояний. Противоречия с моделью наблюдались также и в других закономерностях ядерного деления. Следовательно, предположение о том, что ядро в процессе деления ведет себя как бесструктурная материя, несправедливо. Внутренняя структура ядра, наоборот, может очень сильно влиять на вероятность спонтанного деления.

Более детальный анализ показал, что экспериментальные значения полной энергии связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах отличаются от расчетных величин. Это отличие имеет регулярный характер: оно максимально (наибольшая энергия связи) при определенных, так называемых "магических" числах протонов или нейтронов. Используя терминологию, заимствованную из атомной физики, их называют замкнутыми протонными или нейтронными оболочками. Они показывают, что ядра могут отличаться по своей структуре. Это и не удивительно, т.к. различные формы движения ядра как объекта малых размеров описываются не классической, а квантовой механикой

К концу 1960-х гг. усилиями О. Бора и Б. Мотельсона (Дания), С. Ниль?сона (Швеция), В.М. Струтинского и В.В. Пашкевича (СССР), Х. Майерса и В. Святецкого (США), Р. Никсона и П. Меллера (США), А. Собичевского (Польша), В. Грайнера (Германия), Ж. Берже (Франция) и многих других теоретиков была создана микроскопическая теория атомных ядер, которая свела все вышеуказанные противоречия к стройной системе физических закономерностей.

Новая теория помогла предсказать свойства очень тяжелых, еще неизвестных ядер. Оказалось, что стабилизирующий эффект ядерных оболочек будет работать и за пределами капельной модели ядра (т.е. в области Z > 100). Поэтому вокруг магических чисел Z = 108, N = 162 и Z = 114 (возможно 120), N = 184 должны образоваться т.н. острова стабильности, в которых время жизни сверхтяжелых ядер может существенно возрастать. В первую очередь это касается сверхтяжелых элементов, у которых эффект ядерных оболочек повышает периоды полураспада на 32?35 порядков, т.е. до десятков, сотен тысяч и, может быть, миллионов лет. Так возникла интригующая гипотеза о возможном существовании сверхтяжелых элементов, значительно расширяющая границы материального мира. Прямой проверкой теоретических предсказаний стал бы синтез сверхтяжелых нуклидов и определение свойств их распада.

Реакции синтеза тяжелых элементов

Многие рукотворные элементы тяжелее урана были синтезированы в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами изотопа урана 235U в длительных облучениях на мощных ядерных реакторах. Большие периоды полураспада новых нуклидов позволяли отделять их от других побочных продуктов реакции радиохимическими методами с последующим измерением свойств радиоактивного распада. Работы профессора Г. Сиборга и его коллег, проведенные в 1940-1953 гг. в Радиационной национальной лаборатории (Беркли, США), привели к открытию восьми искусственных элементов с Z = 93?100, в том числе наиболее тяжелого изотопа 257Fm (T1/2 ~ 100 дней). Дальнейшее продвижение в область более тяжелых ядер было практически невозможно из-за исключительно короткого периода полураспада следующего изотопа 258Fm (TSF = 0,3 мс). Использование импульсных потоков нейтронов большой мощности, возникающих при ядерном взрыве, не дало желаемых результатов: наиболее тяжелым ядром по-прежнему был 257Fm.

Элементы тяжелее Fm (Z=100) были синтезированы в реакциях с ускоренными тяжелыми ионами, когда в ядро-мишень вносится комплекс протонов и нейтронов. Но такой тип реакции отличается от описанного выше. При захвате нейтрона, не обладающего электрическим зарядом, энергия возбуждения нового ядра составляет всего 6?8 МэВ. Вместе с тем при слиянии ядер мишени даже с легкими ионами, такими как гелий 4He или углерод 12C, тяжелые ядра будут нагреты до энергии Ex = 20?40 МэВ. С дальнейшим увеличением атомного номера ядра-снаряда ему необходимо сообщать все большую энергию для преодоления электрических сил отталкивания положительно заряженных ядер (кулоновского барьера реакции), что приводит к росту энергии возбуждения (нагреву) компаунд-ядра, образующегося после слияния двух ядер - снаряда и мишени. Его охлаждение (переход в основное состояние Ex = 0) будет происходить за счет испускания нейтронов и гамма-лучей. Тут-то и возникает первое препятствие.

Нагретое тяжелое ядро лишь в одном из ста случаев сможет испустить нейтрон: в основном оно будет делиться на два осколка, т.к. энергия ядра существенно выше барьера деления. Легко понять, что увеличение энергии возбуждения компаунд-ядра губительно для него. Вероятность выживания нагретого ядра резко падает с повышением температуры (или энергии Ex) из-за увеличения числа испаряемых нейтронов, с которыми конкурирует деление. Для того чтобы охладить ядро, нагретое примерно до 40 МэВ, необходимо испарить 4 или 5 нейтронов. Каждый раз с испусканием нейтрона будет конкурировать деление, вследствие чего вероятность выживания будет всего (1/100)4? 5 = 10-8?10-10. Ситуация осложняется тем, что с ростом температуры ядра ослабляется стабилизирующий эффект оболочек, следовательно, уменьшается высота барьера деления, и делимость ядра резко возрастает. Оба фактора приводят к исключительно малой вероятности образования сверхтяжелых нуклидов.

Синтез элементов тяжелее 106-го стал возможен после открытия в 1974 г. т.н. реакций холодного слияния. В них в качестве мишенного материала используются "магические" ядра стабильных изотопов 208Pb (Z = 82, N = 126) или 209Bi (Z = 83, N = 126), которые бомбардируются ионами тяжелее аргона (Ю.Ц. Оганесян, А.Г. Демин и др.). В процессе слияния высокая энергия связи нуклонов в "магическом" ядре-мишени приводит к поглощению энергии при перестройке двух взаимодействующих ядер в тяжелое ядро суммарной массы. Разница в энергиях "упаковки" нуклонов во взаимодействующих ядрах и в конечном ядре в значительной степени компенсирует энергию, необходимую для преодоления высокого кулоновского барьера реакции. В результате, тяжелое ядро имеет энергию возбуждения всего 12?20 МэВ. В какой-то степени реакция подобна процессу "обратного деления". Действительно, если деление ядра урана на два осколка происходит с выделением энергии, которая используется в атомных электростанциях, то в обратной реакции (при слиянии осколков) образующееся ядро урана будет почти холодным. Поэтому при синтезе элементов в реакциях холодного слияния тяжелому ядру достаточно испустить всего один или два нейтрона, чтобы перейти в основное состояние.

Реакции холодного слияния массивных ядер были успешно использованы для синтеза шести новых элементов от 107-го до 112-го (П. Армбрустер, З. Хофман, Г. Мюнценберг и др.) в Национальном ядерно-физическом центре GSI в Дармштадте (Германия). Недавно К. Морита и др. в Национальном центре RIKEN (Токио) повторили опыты GSI по синтезу 110?112 элементов. Обе группы намерены двигаться дальше, к элементам 113 и 114, используя более тяжелые снаряды.

Однако синтез сверхтяжелых элементов в реакциях холодного слияния сопряжен с большими трудностями. С увеличением атомного заряда ионов вероятность их слияния с ядрами мишени 208Pb или 209Bi значительно уменьшается из-за возрастания кулоновских сил отталкивания, пропорциональных произведению зарядов ядер. От 104-го элемента, который может быть получен в реакции 208Pb + 50Ti (Z1xZ2 = 1804), к 112-му (реакция 208Pb + 70Zn, Z1xZ2 = 2460) вероятность слияния уменьшается более чем в 10 тыс. раз.

Есть и другое ограничение. Компаунд-ядра, полученные в реакциях холодного слияния, имеют относительно малое число нейтронов. В случае образования 112-го элемента конечное ядро с Z = 112 имеет всего 165 нейтронов, в то время как подъем стабильности ожидается для количества нейтронов N > 170. Поэтому мы выбрали другой путь.

Ядра с большим избытком нейтронов могут быть получены, если в качестве мишеней использовать искусственные элементы: плутоний (Z = 94), америций (Z = 95) или кюрий (Z = 96), нарабатываемые в ядерных реакторах, а в качестве снаряда - редкий изотоп кальция 48Ca .

Ядро атома 48Ca содержит 20 протонов и 28 нейтронов - оба значения соответствуют замкнутым оболочкам. В реакциях слияния с ядрами 48Ca также будет работать их "магическая" структура (эту роль в реакциях холодного слияния играли магические ядра мишени 208Pb), в результате чего энергия возбуждения сверхтяжелых ядер составит около 30?35 МэВ. Их переход в основное состояние будет сопровождаться эмиссией трех нейтронов и гамма-лучей. Можно было ожидать, что при такой энергии возбуждения эффект ядерных оболочек еще присутствует в нагретых сверхтяжелых ядрах, что повысит их выживаемость и позволит нам их синтезировать. Отметим также, что асимметрия масс взаимодействующих ядер (Z1xZ2 < или = 2000) уменьшает их кулоновское отталкивание и тем самым увеличивает вероятность слияния.

Несмотря на, казалось бы, очевидные преимущества, все предыдущие попытки синтеза сверхтяжелых элементов в реакциях с ионами 48Ca , предпринятые в различных лабораториях в 1977-1985 гг., оказались безрезультатными. Однако развитие экспериментальной техники в последние годы, и прежде всего получение в нашей лаборатории интенсивных пучков ионов 48Ca на ускорителях нового поколения, позволило увеличить чувствительность эксперимента почти в 1000 раз.

Ожидаемые свойства

Что мы получим в случае успешного синтеза? Если теоретическая гипотеза справедлива, то сверхтяжелые ядра будут стабильны относительно спонтанного деления. Они будут испытывать другой тип распада: альфа-распад (эмиссия ядра гелия, состоящего из 2 протонов и 2 нейтронов). В результате образуется дочернее ядро на 2 протона и 2 нейтрона легче материнского. Если у дочернего ядра вероятность спонтанного деления также мала, то после второго альфа-распада внучатое ядро будет на 4 протона и 4 нейтрона легче начального. Альфа-распад будет продолжаться до тех пор, пока не наступит спонтанное деление. Мы ожидаем увидеть не один распад, а "радиоактивное семейство", цепочку достаточно длительных (в ядерном масштабе) последовательных альфа-распадов, которые в конечном итоге прерываются спонтанным делением. Это и будет свидетельствовать об образовании сверхтяжелого ядра.

Чтобы в полной мере увидеть ожидаемый подъем стабильности, необходимо подойти как можно ближе к замкнутым оболочкам Z = 114 и N = 184. Синтезировать в ядерных реакциях столь нейтронно-избыточные ядра чрезвычайно трудно, т.к. при слиянии ядер стабильных элементов, в которых уже имеется определенное соотношение протонов и нейтронов, невозможно добраться до дважды магического ядра 298114. Поэтому необходимо использовать ядра, изначально содержащие максимально возможное количество нейтронов. Именно поэтому в качестве снаряда были выбраны ускоренные ионы 48Ca .

Кальция в природе много. Он состоит на 97% из изотопа 40Са с ядром из 20 протонов и 20 нейтронов. Примерно 0,187% кальция представлено тяжелым изотопом 48Ca , в ядре которого есть 8 избыточных нейтронов. Технология его получения чрезвычайно сложна, и поэтому 1 г обогащенного 48Ca стоит около $200 тыс. Нам пришлось существенно изменить конструкцию и режимы работы ускорителя, чтобы найти компромиссное решение - получить максимальную интенсивность пучка ионов при минимальном расходе этого экзотического материала.

Сегодня мы достигли рекордной интенсивности пучка (8x1012 с-1) при весьма низком расходе изотопа 48Ca (около 0,5 мг/ч). В качестве мишенного материала мы используем долгоживущие обогащенные изотопы искусственных элементов Pu, Am, Cm и Cf (Z = 94?96 и 98) с максимальным содержанием нейтронов. Они производятся в мощных ядерных реакторах (в г. Ок-Ридж, США, и г. Димитровград, Россия) и затем обогащаются на специальных установках, масс-сепараторах во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (г. Саров). Реакции слияния ядер 48Ca с ядрами этих изотопов были выбраны для синтеза элементов с Z = 114?118 .

За пять лет работы в течение длительных облучений была набрана доза около 2x1020 ионов (примерно 16 мг 48Ca , ускоренного до одной десятой скорости света, прошло через слои мишеней). В этих экспериментах наблюдалось образование изотопов 112?118 элементов (за исключением 117-го) и были получены первые сведения о свойствах распада новых сверхтяжелых нуклидов.

Постановка эксперимента

Составное ядро, образующееся при слиянии ядер мишени и частицы, после испарения нейтронов будет двигаться по направлению пучка ионов. Слой мишени выбирается достаточно тонким, для того чтобы тяжелый атом отдачи мог вылететь из него и продолжить свое движение к детектору, удаленному от мишени на расстояние около 4 м. Между мишенью и детектором расположен газонаполненный сепаратор, предназначенный для подавления частиц пучка и побочных продуктов реакции.

Принцип работы сепаратора основан на том, что в газовой среде (в нашем случае - в водороде при давлении всего 10-3 атм.) ионный заряд атомов зависит от скорости. Это позволяет "на лету" разделить их в магнитном поле за 10-6 с и направить в детектор. Атомы, прошедшие сепаратор, имплантируются в чувствительный слой полупроводникового детектора, вырабатывающего сигналы о времени прихода атома отдачи, его энергии и месте имплантации (т.е. координатах х и y на рабочей поверхности детектора). Для этих целей детектор общей площадью около 50 см2 выполнен в виде 12 полос (стрипов), обладающих продольной чувствительностью. Если ядро имплантированного атома будет испытывать альфа-распад, то вылетевшая альфа-частица (с ожидаемой энергией около 10 МэВ) зарегистрируется детектором с указанием всех ранее перечисленных параметров. Если после первого распада последует второй, то подобная информация будет получена для второй альфа-частицы и т.д., пока не произойдет спонтанное деление. Последний распад будет зарегистрирован в виде двух совпадающих по времени сигналов с большой амплитудой (E1 + E2 ~ 200 МэВ). Чтобы повысить эффективность регистрации альфа-частиц и парных осколков деления, с обеих сторон фронтального детектора устанавливают боковые детекторы. Перед детекторной сборкой располагают два тонких времяпролетных детектора, которые измеряют скорость ядер отдачи (т.н. TOF-детекторы - от англ. time of flight). Поэтому первый сигнал, возникающий от ядра отдачи, приходит с признаком TOF, а последующие сигналы от распада ядер - без него.

Конечно, распады могут отличаться по длительности с эмиссией одной или нескольких альфа-частиц с разными энергиями. Но если они принадлежат одному и тому же ядру и образуют радиоактивное семейство (материнское ядро, дочернее, внучатое и т.д.), то координаты сигналов от ядра отдачи, альфа-частиц и осколков деления должны совпадать с точностью позиционного разрешения детектора. Наши детекторы, изготовленные фирмой Canberra Electronics, измеряют энергию альфа-частиц с точностью ~ 0,5% и имеют для каждого стрипа позиционное разрешение около 0,8 мм.

Мысленно всю поверхность детектора можно представить в виде почти пяти сотен ячеек (пикселей), детектирующих распады. Вероятность того, что два случайных сигнала попадут в одно и то же место, составляет 1/500, три сигнала - 1/250 000 и т.д. Это позволяет нам выбирать продукты очень редких генетически связанных последовательных распадов сверхтяжелых ядер, даже если они образуются в исключительно малом количестве (~ 1 атом/месяц).

Результаты физического эксперимента

Для того чтобы показать установку в действии, опишем в качестве примера более подробно эксперименты по синтезу 115-го элемента, образующегося в реакции слияния ядер

243Am (Z = 95) + 48Ca (Z = 20)--> 291115.

Синтез Z-нечетного ядра привлекателен тем, что наличие нечетного протона или нейтрона существенно снижает вероятность спонтанного деления, и число последовательных альфа-переходов будет больше (длинные цепочки), чем в случае распада четно-четных ядер. Для преодоления кулоновского барьера ионы 48Ca должны иметь энергию E > 236 МэВ. С другой стороны, если выполнить это условие, ограничив энергию пучка величиной E = 248 MэВ, то тепловая энергия компаунд-ядра 291115 будет около 39 МэВ, оно будет охлаждаться за счет эмиссии трех нейтронов и гамма-лучей. Тогда продуктом реакции будет изотоп 115-го элемента с числом нейтронов N=173. Вылетев из мишенного слоя, атом нового элемента пройдет через сепаратор, настроенный на его пропускание, и попадет в детектор. Через 80 мкс после остановки ядра отдачи во фронтальном детекторе система сбора данных дает информацию о его времени прихода, энергии и координатах (номер стрипа и позиция в нем). Отметим, что эта информация имеет признак TOF (пришел из сепаратора). Если в течение 10 с из того же места на поверхности детектора приходит второй сигнал с энергией более 9,8 МэВ без признака TOF (т.е. от распада имплантированного атома), то пучок отключается и весь дальнейший распад регистрируется в условиях практически полного отсутствия фона. Как видно на верхнем графике, за первыми двумя сигналами (от ядра отдачи и первой альфа-частицы) в течение примерно 20 с после отключения пучка последовало еще 4 сигнала, позиции которых с точностью ? 0,7 мм совпадают с предыдущими сигналами. В течение последующих 2,5 ч детектор молчал. Спонтанное деление в том же стрипе и в той же позиции было зарегистрировано лишь спустя 28,7 ч в виде двух сигналов от осколков деления с суммарной энергией 206 МэВ.

Такие цепочки были зарегистрированы три раза и имели одинаковый вид (6 поколений ядер в радиоактивном семействе) и согласуются друг с другом как по энергии альфа-частиц, так и по времени их появления, с учетом экспоненциального закона распада ядер. Если наблюдаемый эффект относится, как ожидалось, к распаду изотопа 115-го элемента с массой 288, образующегося после испарения компаунд-ядром трех нейтронов, то при увеличении энергии пучка ионов 48Ca всего на 5 МэВ он должен уменьшиться в 5-6 раз. Действительно, при E = 253 МэВ эффект отсутствовал. Но здесь была обнаружена другая, более короткая цепочка распадов, состоящая из четырех альфа-частиц (мы полагаем, что их было пять, но последняя вылетела в открытое окно) продолжительностью всего 0,4 с. Цепочка распадов закончилась через ~ 1,5 ч спонтанным делением. Очевидно, что это распад другого ядра, с большой вероятностью соседнего изотопа 115-го элемента с массой 287, образующегося в реакции слияния с испусканием четырех нейтронов. Последовательные распады нечетно-нечетного изотопа Z = 115, N = 173 представлены на нижнем графике, где приведены в виде контурной карты расчетные периоды полураспада сверхтяжелых нуклидов с различным числом протонов и нейтронов. Здесь показан также распад другого, более легкого нечетно-нечетного изотопа 111-го элемента с числом нейтронов N = 161, синтезированного в реакции 209Bi + 64Ni в немецкой лаборатории GSI (г. Дармштадт) и затем японской RIKEN (г. Токио).

Прежде всего следует отметить, что периоды полураспада ядер в обоих случаях хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями. Несмотря на то что изотоп 288115 удален от нейтронной оболочки N = 184 на 11 нейтронов, изотопы 115-го и 113-го элементов обладают относительно большим временем жизни (T1/2 x 0,1 с и 0,5 с соответственно).

После пяти альфа-распадов образуется изотоп 105-го элемента - дубния (Db) с N = 163, стабильность которого определяется уже другой замкнутой оболочкой N = 162. Ее влияние заметно по огромной разнице в периодах полураспада двух изотопов Db, отличающихся всего восемью нейтронами. Отметим, еще раз, что в отсутствие структуры (ядерных оболочек) все изотопы 105?115-го элементов должны были бы испытывать спонтанное деление за время ~ 10-19 с.

Результаты химического эксперимента

В описанном выше примере свойства долгоживущего изотопа 268Db, замыкающего цепочку распада 115-го элемента, представляют особый интерес.

Согласно периодическому закону, 105-й элемент находится в пятом ряду. Он является химическим гомологом ниобия (Nb) и тантала (Та) и отличается по химическим свойствам от всех более легких элементов - актиноидов (Z = 90?103), представляющих отдельную группу в таблице Д.И. Менделеева . Благодаря большому периоду полураспада данный изотоп 105-го элемента может быть отделен от всех продуктов реакции радиохимическим методом с последующим измерением его распада - спонтанного деления. Этот эксперимент дает независимую идентификацию атомного номера конечного ядра (Z = 105), а следовательно, и всех нуклидов, образующихся в последовательных альфа-распадах 115-го элемента.

В химическом эксперименте нет необходимости в использовании сепаратора ядер отдачи. Разделение продуктов реакции по их атомным номерам осуществляется методами, основанными на различии их химических свойств. Продукты реакции, вылетающие из мишени, вбивались в медный сборник, расположенный на пути их движения, на глубину 3?4 мкм. После 20?30 ч облучения сборник растворялся. Из раствора выделялась фракция трансактиноидов (элементов Z >= 104), а из этой фракции - элементы 5-го ряда: Db в сопровождении химических гомологов Nb и Та. Последние добавлялись в раствор в качестве "отметчиков" непосредственно перед химическим разделением. В конце химической процедуры капелька раствора, содержащая Db, наносилась на тонкую подложку, высушивалась и помещалась между двумя полупроводниковыми детекторами, регистрирующими оба осколка спонтанного деления. Вся сборка помещалась в нейтронный детектор, определяющий число нейтронов, испущенных осколками при делении ядер Db.

В июне 2004 г. было проведено 12 идентичных опытов (С.Н. Дмитриев и др.), в которых было зарегистрировано 15 событий спонтанного деления Db, оскол?ки которого имеют кинетическую энергию около 230 МэВ, а при каждом акте деления испускается в среднем около 4 нейтронов. Такие характеристики присущи спонтанному делению достаточно тяжелого ядра. Напомним, что для 238 U эти величины составляют, соответственно, около 170 МэВ и 2 нейтрона.

Химический опыт подтверждает результаты физического эксперимента: образующиеся в реакции 243Am + 48Ca ядра 115-го элемента в результате последовательных пяти альфа распадов: Z = 115 --> 113 --> 111-->109 --> 107 -->105 действительно приводят к образованию долгоживущего спонтанно-делящегося ядра с атомным номером 105. В этих экспериментах, как дочерний продукт альфа-распада 115-го элемента, был синтезирован также еще один, ранее неизвестный элемент с атомным номером 113.

Общая картина и будущее

Полученные в реакции 243Am + 48Ca результаты иллюстрируют общий случай. При синтезе Z-четных нуклидов (изотопов 112-го, 114-го и 116-го элементов) мы наблюдали также длинные цепочки распадов, оканчивающиеся спонтанным делением ядер с Z = 104?110, время жизни которых составляло от секунд до часов в зависимости от атомного номера и нейтронного состава ядра. К настоящему времени получены данные о свойствах распада 29 новых ядер с Z = 104?118; они представлены на карте нуклидов (см. рис. на стр. 76). Свойства тяжелейших ядер, расположенных в области трансактиноидов, их тип распада, энергии и времена распадов хорошо согласуются с предсказаниями современной теории. Гипотеза о существовании островов стабильности сверхтяжелых ядер, значительно расширяющих мир элементов, похоже, впервые нашла экспериментальное подтверждение.

Перспективы

Сейчас мы работаем над более детальным изучением ядерной и атомной структуры новых элементов. Решение этой задачи осложняется тем, что выход искомых продуктов реакции чрезвычайно мал. Для того чтобы увеличить число атомов сверхтяжелых элементов, необходимо увеличить интенсивность пучка ионов 48Ca и повысить эффективность физических методик. Модернизация ускорителя тяжелых ионов, намеченная на ближайшие годы, позволит увеличить интенсивность пучка ионов примерно в пять раз. Для решения второй части необходимо кардинального изменить постановку опытов и создать новую экспериментальную методику с учетом свойств сверхтяжелых элементов.

Принцип работы действующей установки кинематического сепаратора ядер отдачи основан на отличии кинематических характеристик различного типа реакций. Интересующие нас продукты реакции слияния ядер мишени и 48Ca вылетают из мишени в узком угловом конусе ?3o с кинетической энергией около 40 МэВ. Ограничивая траектории движения ядер отдачи с учетом этих параметров, мы практически полностью отстраиваемся от пучка ионов, подавляем фон побочных продуктов реакции в 104?106 раз и с эффективностью примерно 40% доставляем атомы новых элементов к детектору за 1 мкс. Иными словами, сепарация продуктов реакции происходит "на лету".

Чтобы получить высокую избирательность, важно сохранить, "не размазать" кинематические параметры - углы вылета и энергии ядер отдачи. Для этого необходимо использовать мишенные слои толщиной не более 0,3 мкм, т.е. втрое меньше, чем нужно для получения эффективного выхода сверхтяжелого ядра с данной массой или в 5?6 раз меньшей, если речь идет о синтезе двух соседних по массе изотопов данного элемента. Кроме того, чтобы получить данные о массовых числах изотопов сверхтяжелого элемента, необходимо повторять измерения при различных энергиях пучка ионов 48Ca .

Вместе с тем, как следует из наших опытов, синтезированные атомы сверхтяжелых элементов имеют периоды полураспада, значительно превышающие быстродействие кинематического сепаратора. Поэтому во многих случаях нет необходимости в сепарации продуктов реакции за столь короткое время. Тогда можно изменить принцип действия установки и провести разделение продуктов реакции в несколько этапов.

После имплантации ядер отдачи в нагретый до температуры 2000oС сборник атомы диффундируют в плазму ионного источника, ионизуются в плазме до заряда q = 1+, вытягиваются из источника электрическим полем, сепарируются по массе в магнитных полях специального профиля и, наконец, регистрируются (по типу распада) детекторами, расположенными в фокальной плоскости. Вся процедура может занимать, по оценкам, время от десятых долей секунды до нескольких секунд в зависимости от температурных режимов и физико-химических свойств сепарируемых атомов. Уступая в быстродействии кинематическому сепаратору, новая установка MASHA (Mass Analyzer of Super Heavy Atoms) повысит эффективность работы примерно в 10 раз и даст наряду со свойствами распада прямое измерение массы сверхтяжелых ядер.

Благодаря гранту, выделенному губернатором Московской области Б.В. Громовым для создания этой установки, она была спроектирована и изготовлена всего за два года, прошла испытания и готова к работе. После реконструкции ускорителя с установкой MASHA мы существенно расширим наши исследования свойств новых нуклидов и попытаемся пройти дальше, в область более тяжелых элементов.

Поиск сверхтяжелых элементов в природе

Изучение сверхтяжелых элементов связано с получением более долгоживущих нуклидов. В описанных выше экспериментах мы подошли лишь к краю острова, обнаружили крутой подъем вверх, но все еще далеки от вершины, где ядра могут жить тысячи и, быть может, миллионы лет. Нам не хватает нейтронов в синтезируемых ядрах, для того чтобы приблизиться к оболочке N = 184. Сегодня это недостижимо: нет таких реакций, которые позволили бы получать столь нейтронно-избыточные нуклиды. Возможно, в отдаленном будущем физики смогут использовать интенсивные пучки радиоактивных ионов с числом нейтронов, бoльшим, чем у ядер 48Ca . Физики активно обсуждают такие проекты, впрочем пока не касаясь финансовых аспектов создания подобных ускорительных гигантов.

Однако можно попытаться решить задачу другим способом. Если предположить, что наиболее долгоживущие сверхтяжелые ядра имеют период полураспада 105?106 лет, то не исключено, что они могут быть обнаружены в космических лучах - свидетелях образования элементов на других, более молодых планетах Вселенной. Если же допустить, что период полураспада "долгожителей" может составлять десятки миллионов лет и более, то они могли бы присутствовать в Земле, сохранившись в очень малых количествах с момента образования элементов в Солнечной системе до наших дней.

Среди возможных кандидатов мы отдаем предпочтение изотопам 108-го элемента (Hs), ядра которых содержат около 180 нейтронов. Химические опыты, проведенные с короткоживущим изотопом 269Hs (T1/2 ~ 9 с), показали, что 108-й элемент, как и ожидалось согласно Периодическому закону, является химическим гомологом 76-го элемента - осмия (Os).

В таком случае образец металлического осмия может содержать в очень малых количествах 108-й элемент - Ека (Os). Его присутствие в стабильном осмии можно определить по его радиоактивному распаду. Возможно, сверхтяжелый долгожитель будет испытывать спонтанное деление, либо оно наступит после предшествующих альфа- или бета-распадов (вид радиоактивного превращения, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон) более легкого и более короткоживущего дочернего или внучатого ядра. Поэтому на первом этапе можно поставить эксперимент по регистрации редких событий спонтанного деления осмиевого образца. Измерения начнутся в марте этого года и будут продолжаться от года до полутора лет. Распад сверхтяжелого ядра будет регистрироваться по нейтронной вспышке, сопровождающей спонтанное деление. Для того чтобы защитить установку от фона нейтронов, возникающего под действием космических лучей, измерения проводятся в подземной лаборатории, расположенной под Альпами, в середине тоннеля, соединяющего Францию с Италией, на глубине, соответствующей четырехкилометровому слою воды.

Если в течение года будет зарегистрировано хотя бы одно событие спонтанного деления сверхтяжелого ядра, то это будет соответствовать концентрации 108-го элемента в Os-образце около 5x10-15 г/г (если его период полураспада составляет порядка 109 лет). Столь малая величина составляет всего 10-16 часть от концентрации урана в земной коре.

Несмотря на сверхвысокую чувствительность эксперимента, шансы обнаружить реликтовые, сверхтяжелые нуклиды малы. Но любой научный поиск всегда имеет малый шанс... Отсутствие эффекта даст верхнюю границу периода полураспада долгожителя на уровне T1/2 <= 3x107 лет. Не столь впечатляюще, но важно для понимания свойств ядер в новой области стабильности сверхтяжелых элементов.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#114   morozov »

февраль 2005 ? 2 "В МИРЕ НАУКИ"
Новости и комментарии
ТВЕРДАЯ СВЕРХТЕKУЧЕСТЬ
ФИЗИКА

Твердый гелий может вести себя как сверхтекучая жидкость.

ТВЕРДАЯ СВЕРХТЕKУЧЕСТЬКак известно, твердые тела сохраняют свою форму, а жидкости растекаются, принимая форму сосуда. Сверхтекучие жидкости представляют собой квинтэссенцию жидкого состояния: они способны без малейшего сопротивления протекать сквозь тончайшие каналы и даже "взбираться" по стенкам сосуда, чтобы вытечь из него.

Словосочетание "сверхтекучее твердое тело" звучит как нонсенс, но оно точно отражает суть явления, обнаруженного недавно исследователями из Пенсильванского университета. Физики Мозес Чан (Moses Chan) и Юн Сён Ким (Eun-Seong Kim) изучали поведение гелия-4, сжатого до твердого состояния и охлажденного почти до абсолютного нуля. Хотя возможность существования сверхтекучего твердого гелия была теоретически предсказана еще в 1969 г., после его практической демонстрации ученые сильно призадумались
Изображение
Особые свойства сверхтекучих жидкостей наглядно проявляются при их вращении. Если медленно вращать чашку с обычным жидким гелием, а затем охладить его примерно до 2 К, часть гелия станет сверхтекучей и перестанет вращаться. В результате вращающий момент, необходимый для раскручивания сосуда, станет меньше. Иными словами, уменьшится момент инерции гелия.

Чан и Ким обнаружили подобное уменьшение момента инерции кольца из твердого гелия. Чтобы зафиксировать атомы в положениях, образующих кристаллическую решетку, исследователи сжали жидкий гелий под давлением 26 атм. (около 2,5 МПа) и пронаблюдали его вращательные колебания в контейнере, закрепленном на конце металлического стержня. Чем меньше момент инерции системы, тем меньше период колебаний. К своему изумлению, ученые обнаружили, что примерно 1% гелиевого кольца оставался неподвижным, тогда как остальные 99% продолжали совершать вращательные колебания. Таким образом, одна часть твердого гелия беспрепятственно двигалась относительно другой.

Как же может твердое вещество вести себя подобно сверхтекучей жидкости? Сверхтекучесть жидкостей обусловливается квантовым процессом конденсации Бозе-Эйнштейна, в результате которого множество частиц принимают одно и то же квантовое состояние. Результат, полученный Чаном и Кимом, означает, что 1% атомов твердого гелия каким-то образом образовали конденсат Бозе-Эйнштейна, оставаясь в узлах кристаллической решетки. Столь противоречивый вывод можно объяснить обменом атомов между узлами кристаллической решетки, которому способствуют свойства гелия, а именно большая энергия нулевых колебаний атомов, т. е. минимальная энергия колебаний, определяемая принципом неопределенности. (Именно из-за большого значения энергии этих колебаний гелий обычно пребывает в жидком или газообразном состоянии: атомы колеблются слишком сильно и поэтому не могут образовать кристаллическую решетку.) Предположение о конденсации Бозе-Эйнштейна подкрепляется тем, что Чан и Ким не обнаружили сверхтекучести в твердом состоянии у гелия-3, который становится сверхтекучей жидкостью при гораздо более низких температурах, чем гелий-4.

Согласно другой версии, конденсат Бозе-Эйнштейна образуют вакансии и другие дефекты решетки, в изобилии появляющиеся в кристалле твердого гелия вследствие нулевых колебаний атомов.

Так или иначе, сверхтекучесть должна зависеть от давления, однако Чан и Ким наблюдали один и тот же эффект при давлении от 26 до 66 атм. Дуглас Ошерофф (Douglas Osheroff) из Стэнфордского университета, один из открывателей сверхтекучести жидкого гелия-3, считает, что отсутствие зависимости сверхтекучести твердого гелия от давления более чем загадочно. Ученый отметил, что Чан и Ким добросовестно пытались выявить все возможные артефакты эксперимента, но ничего не обнаружили. Теперь теоретики ломают голову над тем, как твердое вещество переходит в сверхтекучее состояние.

Грэм Коллинз

ЧИСТОТА - ЗАЛОГ УСПЕХА

Физики Мозес Чан и Юн Сён Ким из Пенсильванского университета недавно сумели получить твердое вещество, ведущее себя как сверхтекучая жидкость. Они использовали гелий-4 (который при температурах ниже 2,17 К переходит из обычного жидкого состояние в сверхтекучее) исключительно высокой очистки: примесь другого изотопа, гелия-3 (который переходит в сверхтекучее состояние более сложным путем при намного более низкой температуре - всего 2 мК), не превышала трех десятимиллионных долей (3х10-7).

Ранее пенсильванские ученые уже наблюдали признаки сверхтекучести твердого гелия в субмикронных порах губчатого стекла, но только на образцах, содержащих менее 0,01% гелия-3. Причиной неудачи прежних поисков сверхтекучести твердого гелия была его недостаточная чистота.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#115   morozov »

январь 2005 ? 1 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрофизика
ВСЕЛЕННАЯ ДИСКОВ
Омер Блэйс

Новые исследования помогают понять динамику развития вращающихся газовых дисков, окружающих молодые звезды и гигантские черные дыры.

В ясную ночь даже невооруженным глазом можно увидеть Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Все они образуют на небе большой круг. Здесь же лежит эклиптика - годичный путь Солнца на фоне зодиакальных созвездий.
Изображение
Планеты нашей Солнечной системы, включая Землю, обращаются вокруг Солнца в определенном направлении и почти в одной плоскости (кроме Плутона). Такая согласованность указывает, что они сформировались из газо-пылевого диска, вращающегося вокруг молодого Солнца. Точно так же и наша Галактика, состоящая из многих миллиардов звезд, имеет округлую форму. Поскольку Солнечная система расположена внутри этого диска, то нам кажется, что Галактика окружает нас в виде полосы Млечного Пути ...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#116   morozov »

январь 2005 ? 1 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрономия
ИЗ ЖИЗНИ СПИРАЛЬНЫХ ГАЛАKТИK
Алексей Фридман

Более 2/3 видимой массы Метагалактики содержится в галактиках, своеобразных "кирпичиках" мироздания, около 70% которых?- спиральные. Поэтому каждое новое открытие в этих астрономических объектах существенно расширяет наши представления о физической природе как имеющихся в?Мета?галактике структур, так и действующих в них силах...
Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#117   morozov »

распечатать


февраль 2006 ? 2 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ИЛЛЮЗИЯ ГРАВИТАЦИИ
Дж. Минкель

Голографическая теория сопоставляет одни физические законы, которые действуют в некотором объеме, с другими, справедливыми на поверхности, его ограничивающей. Физика на границе представлена квантовыми частицами, которые имеют ?цветные? заряды и взаимодействуют почти как кварки и глюоны стандартной физики частиц. Законы внутри ? разновидность теории струн, включающая силу тяготения, которую трудно описать в терминах квантовой механики. Однако физика на поверхности и физика в объеме полностью эквивалентны, несмотря на совершенно различные способы описания.
Изображение
Всем нам хорошо знакомы три пространственных измерения: вверх?вниз, влево?вправо и вперед?назад. Четырехмерную комбинацию пространства и времени принято называть пространством?временем. Таким образом, мы живем в четырехмерной Вселенной. Так ли это?

Согласно новейшим физическим теориям, одно из трех пространственных измерений ? лишь иллюзия, и все частицы и поля, из которых состоит окружающий мир, на самом деле перемещаются в двухмерном пространстве, похожем на Флатландию Эдвина Эббота. В этом плоском мире нет и силы тяготения, которая возникает лишь вместе с иллюзорным третьим измерением.

Точнее говоря, из этих теорий следует, что есть несколько правомерных ответов на вопрос о числе измерений: можно описывать действительность и как трехмерное пространство, в котором действуют законы природы, учитывающие гравитацию, и как двухмерное, в котором справедливы совершенно другие законы и нет сил тяготения. Несмотря на радикальные различия, оба описания могли бы полностью соответствовать результатам всех наших наблюдений, и нельзя было бы определить, какое из них следует считать истинным.

Нечто похожее мы можем наблюдать и в повседневной жизни. Голограмма ? плоский объект, но если рассматривать ее при правильном освещении, то можно увидеть полностью трехмерное изображение объекта, информация о котором закодирована на двумерной поверхности. Точно так же, согласно новым физическим теориям, вся Вселенная могла бы быть своего рода голограммой (см. ?Информация в голографической Вселенной?, ?В мире науки?, ?11, 2003 г.).

Квантовая теория гравитации поможет нам по?новому взглянуть на пространство?время.

Голографическое описание ? это не просто интеллектуально?философский курьез. Физические уравнения, чрезвычайно сложные при одном подходе, могут оказаться относительно простыми при другом, что позволит без особых усилий решить многие проблемы современной физики. Например, голографические теории могут оказаться полезными при анализе последних экспериментальных результатов физики высоких энергий. Кроме того, они предлагают новый способ построения квантовой теории гравитации, которая объединит все силы природы и поможет физикам разобраться в том, что происходит в черных дырах и что происходило в первые наносекунды после Большого взрыва.
Изображение
На этом рисунке Мориц Эшер изобразил гиперболическое пространство. На самом деле все рыбы одинаковы по размеру, а круговая граница бесконечно далека от центра диска. На плоской проекции гиперболического пространства удаленные рыбы сжимаются, чтобы бесконечное пространство уместилось в конечном круге.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#118   morozov »

Структура протона и s-кварк
1 июля 2005

Эксперимент G0, выполненный в лаборатории им.Т.Джеферсона (США), представил новые данные о вкладе s-кварков в магнитный момент и распределение заряда протона. Протоны состоят из двух u- и одного d-кварков, связанных глюонами. Однако глюоны способны на короткое время флуктуировать в кварк-антикварковые пары, в частности, в пары ss. В эксперименте исследовалось взаимодействие продольно поляризованного пучка электронов с водородной мишенью. С помощью тороидального спектрометра измерялась асимметрия в поляризации рассеянных электронов, которая возникала за счет несохранения четности при интерференции электромагнитного и слабого нейтрального взаимодействий. Результаты хорошо согласуются с предшествующими данными, полученными в других лабораториях. Источник: nucl-ex/0506021

Каонный водород
1 июля 2005

В эксперименте DEAR, выполненном в лаборатории Национально института физики INFN (Фраскати, Италия), изучено основное энергетическое состояние каонного водорода. Каонный водород состоит из отрицательно заряженного K--мезона (антикаона), вращающегося вокруг протона, подобно электрону в обычном атоме водорода. При столкновении электронного и позитронного пучков на ускорителе рождались пионы, которые затем распадались на K- и были направлены на водородную мишень. Некоторые из K- при столкновении с атомами водорода теряли кинетическую энергию и замещали электроны на возбужденных орбиталях. Исследовался спектр рентгеновского излучения, генерируемого при переходах K- на основную орбиталь. На близких к ядру орбиталях существенную роль играли сильные взаимодействия между K- и протонами, что приводило к сдвигу и уширению энергетических уровней. Применялся высокоточный рентгеновский детектор, который мог фиксировать линии переходов между различными уровнями. Измерения помогли наложить ограничения на параметры нарушения киральной симметрии. Результаты эксперимента помогут лучше понять свойства сильных взаимодействий. Источник: Phys. Rev. Lett. 94 212302 (2005)

Вихри в вырожденном ферми-газе
1 июля 2005

Доказательство сверхтекучести вырожденного ферми-газа получили W.Ketterle и его коллеги в Массачусетском технологическом институте (MIT) путем наблюдения квантованных вихревых линий во вращающемся газе. Косвенные свидетельства сверхтекучести были известны и ранее (см. УФН 174 номер 9 (2004)), но данный результат стал решающим. Исследовался газ атомов лития-6. Газ в магнитной ловушке охлаждался до температуры 50нК. При увеличении величины магнитного поля атомы-фермионы 6Li образовывали бозонные пары и переходили в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. При дальнейшем увеличении поля конденсат превращался в вырожденный ферми-газ с сильным взаимодействием между атомами. С помощью лазера облаку газа сообщался угловой момент. Подобно другим сверхтекучим жидкостям, в газе возникали квантованные вращающиеся нити (вихри) с полой сердцевиной. Суммарный угловой момент складывался из угловых моментов отдельных вихрей. Кроме того, вихри отталкивались друг от друга, образовывая упорядоченную решетку. Подобная картина вихрей однозначно доказывает сверхтекучесть вырожденного ферми-газа. Интересным свойством сверхтекучего ферми-газа является то, что взаимодействие между его атомами можно регулировать путем изменения величины внешнего магнитного поля вблизи резонанса Фешбаха. Этим методом был исследован "кроссовер" между молекулярным бозе-эйнштейновским конденсатом и режимом Бардина-Купера-Шриффера. Источник: Nature 435 1047 (2005)

Импульс фотона в диспергирующей среде
1 июля 2005

Известно, что в среде с показателем преломления n импульс фотонов равен nh/l, где l - длина волны. Однако долго дискутировался следующий вопрос: если в ограниченную среду из внешнего пространства влетают фотоны с начальным импульсом h/l, испытывающие поглощение на атомах, то будет ли величина момента отдачи атомов равна h/l или nh/l? Первое прямое экспериментальное исследование этого вопроса выполнил G.Campbell и его коллеги из MIT. Поглощение фотонов атомами рубидия, находящимися в состоянии бозе-эйнштейновского конденсата, изучалось с помощью интерферометра Капицы-Дирака. Оказалось, что величина момента отдачи равна равна nh/l и, таким образом, даже при единичных актах поглощения необходимо учитывать присутствие других атомов среды, взаимодействующих с поглощающим атомом. Эти атомы получают суммарный импульс (n-1)h/l, направленный в противоположном направлении. Источник: Physics News Update, Number 732

Гравитационные волны от двойной системы
1 июля 2005

С помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра выполнено наблюдение рентгеновского спектра системы RX J0806.3+1527, состоящей из двух звезд - белых карликов, вращающихся друг относительно друга с периодом 5.4 минут. Период измерен по вариациям как рентгеновского, так и оптического излучения, наблюдаемого от той же системы. Столь малый период означает, что радиус орбиты очень мал, и соответственно, велики потери энергии на излучение гравитационных волн. Под влиянием гравитационного излучения орбита сжимается, а частота обращения растет. Действительно, согласно наблюдениям, период обращения звезд уменьшается на 1.2мкс в год. Важным аргументом в пользу гравитационно-волнового механизма потерь энергии служит постоянство темпа изменения периода на протяжении нескольких лет наблюдений. Ранее эффект изменения орбиты под влиянием гравитационного излучения был измерен в системах двух нейтронных звезд (пульсар Халса-Тэйлора и пульсар PSR J0737-3039, см. УФН 174 номер 1 (2004)). У системы белых карликов RX J0806.3+1527 орбитальный период значительно меньше и релятивистские эффекты выражены сильнее. Механизм генерации рентгеновского излучения системой RX J0806.3+1527 достоверно не установлен. Была предложена модель "электрических звезд", в которой происходит нагрев плазмы электрическим током, генерируемым униполярной индукцией. Альтернативная гипотеза о том, что RX J0806.3+1527 представляет собой единичный аккрецирующий белый карлик, вращающийся вокруг своей оси, встречает серьезные трудности, поскольку в этой модели темп аккреции не согласуется с темпом изменения периода вращения. Источники: http://chandra.harvard.edu/photo/2005/j0806/ astro-ph/0504150
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#119   morozov »

март 2006 ? 3 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ЭХО ЧЕРНЫХ ДЫР
Теодор Якобсон, Рено Парентани

Как ни странно, звуковые волны в жидкости ведут себя подобно волнам света в пространстве. Даже у черных дыр есть акустические аналоги. Быть может, пространство?время представляет собой своего рода жидкость, напоминающую эфир доэйнштейновской физики?

ЭХО ЧЕРНЫХ ДЫР

В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды ? эфира. Великий физик утверждал, что в отличие от звуковых световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой?либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.

Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно?временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства?времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях. В поисках новых идей некоторые теоретики обратились к физике конденсированных сред, т.е. к изучению обычных веществ в кристаллическом и жидком состояниях.

Конденсированное вещество похоже на континуум пространства?времени, но имеет четкую микроскопическую структуру, подчиняющуюся квантовой механике. Кроме того, распространение звука в неоднородном потоке жидкости напоминает распространение света в искривленном пространстве?времени. Изучая модели черных дыр с помощью звуковых волн, мы с коллегами пытаемся разобраться в микроскопическом поведении пространства?времени. В таком аспекте оно, вопреки предположению Эйнштейна, подобно материальной жидкости, имеет зернистую структуру и задает абсолютную систему координат, наличие которой проявляется лишь в мельчайших масштабах.
# ОБЗОР: АКУСТИЧЕСКИЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В 1970?х гг. Стивен Хокинг предположил, что черные дыры испускают квантовое тепловое излучение. Но, согласно теории относительности, волны, излучаемые с горизонта событий, должны растягиваться до бесконечной длины. Поэтому излучение Хокинга должно возникать в бесконечно малой области пространства, где действуют неизвестные законы квантовой гравитации.
# В поисках решения этой проблемы физики занялись изучением аналогов черных дыр в жидкостях. Молекулярная структура жидкости препятствует бесконечному удлинению волн и позволяет заменить тайны пространства?времени в микроскопических масштабах известной физикой.
# Акустическая аналогия придает заключению Хокинга правдоподобность и заставляет предполагать, что, вопреки стандартной теории относительности, пространство?время имеет ?молекулярную? структуру.

Черные дыры и раскаленные угли

Черные дыры ? главный полигон для проверки теории квантовой гравитации, потому что для их описания критически важны как квантовая механика, так и общая теория относительности. Наиболее серьезный шаг к слиянию двух теорий был сделан в 1974 г., когда Стивен Хокинг из Кембриджского университета использовал квантовую механику для исследования горизонта событий.

Согласно общей теории относительности, горизонт событий ? это гипотетическая граница внутренней части черной дыры, откуда чудовищное тяготение не выпускает даже свет. Падающий в черную дыру путешественник при пересечении горизонта событий не заметит ничего особенного.

Однако, миновав эту границу, он уже никогда не сможет послать наружу радиосигнал, не говоря уже о том, чтобы вернуться. Внешний наблюдатель получит только сигналы, переданные путешественником до пересечения горизонта. Световые волны, выходящие из гравитационного колодца вокруг черной дыры, растягиваются, смещаясь вниз по частоте. Следовательно, внешнему наблюдателю будет казаться, что путешественник движется замедленно и выглядит краснее, чем обычно.

Описанный эффект называется гравитационным красным смещением и наблюдается вблизи любого массивного объекта. Например, тяготение Земли изменяет частоту и время прихода сигналов, которыми обмениваются орбитальные спутники и наземные станции навигационной системы GPS. Однако вблизи горизонта событий красное смещение становится бесконечным. С точки зрения внешнего наблюдателя, спуск в черную дыру длится бесконечно, хотя для погружающихся в нее путешественников он занимает конечное время.

Говоря о черных дырах, мы рассматривали свет как классическую электромагнитную волну. Хокинг же проанализировал феномен бесконечного красного смещения с учетом квантовой природы света. Квантовая механика гласит, что даже абсолютный вакуум в действительности не пуст: согласно принципу неопределенности Гейзенберга, он заполнен флуктуациями в виде пар виртуальных фотонов. Виртуальными их называют потому, что в неискривленном пространстве?времени, вдали от гравитационных воздействий, они непрерывно появляются и исчезают, оставаясь в отсутствие каких?либо возмущений ненаблюдаемыми.

Однако в искривленном пространстве?времени вокруг черной дыры один фотон из пары может оказаться захваченным внутрь горизонта, в то время как другой будет выброшен наружу. В результате виртуальные пары могут превращаться в реальные, образуя направленный наружу световой поток, уменьшающий массу дыры. В целом это излучение похоже на тепловое (как, например, от раскаленного уголька) с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры. Описанное явление называют эффектом Хокинга. Если дыра не будет поглощать вещество или энергию, вся ее масса со временем превратится в излучение Хокинга.

При рассмотрении аналогии потока жидкости с черной дырой чрезвычайно важно, что вблизи горизонта событий пространство остается почти идеальным квантовым вакуумом. Этот факт имеет большое значение для аргументации Хокинга. Виртуальные фотоны ? это особенность квантового состояния с самой низкой энергией (основное состояние). Лишь благодаря разделению партнеров и удалению одного из них от горизонта событий виртуальные фотоны становятся реальными.
НЕ ОШИБАЛСЯ ЛИ ХОКИНГ?
Одна из загадок современной физики связана с известным предсказанием Стивена Хокинга о том, что черные дыры испускают излучение. Любая черная дыра ограничена горизонтом событий, который пропускает материю и энергию внутрь и ничего не выпускает наружу. Хокинг попытался выяснить, как ведут себя на горизонте событий виртуальные частицы, которые из?за квантовых эффектов непрерывно возникают и исчезают всюду в пустом пространстве.
Изображение
Теория относительности предсказывает, что фотоны с горизонта событий растягиваются до бесконечности (красная кривая). Иными словами, наблюдаемый фотон должен возникать как виртуальный с почти нулевой длиной волны. Однако на расстояниях, не превышающих так называемую длину Планка (порядка 10-35 м), вступают в силу неизвестные законы квантовой гравитации. Физики решили создать экспериментальные аналоги черных дыр, чтобы выяснить, действительно ли они излучают и как это происходит.
Изображение
Идеальный микроскоп

Несмотря на то что большинство физиков принимает аргументы Хокинга, проверить их экспериментально пока не удавалось. Предсказанное излучение от звездных и галактических черных дыр слишком слабо, чтобы наблюдать его. Остается лишь искать миниатюрные дыры, оставшиеся от ранней Вселенной или созданные в ускорителях частиц (см. ?Квантовые черные дыры?, ?В Мире Науки?, ?8, 2005 г.).

Эмпирическое подтверждение эффекта Хокинга помогло бы устранить недостатки теории, связанные с бесконечным красным смещением, которому подвергается фотон. Рассмотрим, что будет, если процесс излучения обратить вспять. Приближаясь к черной дыре, фотон Хокинга испытывает синее смещение в сторону более высоких частот и более коротких длин волн. Чем дальше назад во времени, тем ближе он подходит к горизонту событий и тем короче становится его длина волны. Как только она оказывается намного меньше диаметра черной дыры, фотон соединяется со своим партнером и получается виртуальная пара, рассмотренная ранее.

Синее смещение продолжается непрерывно до произвольно малых длин волн. Однако ни теория относительности, ни квантовая механика не могут предсказать, что будет с частицей, когда ее длина волны станет меньше длины Планка (порядка 10-35 м). Здесь уже нужна квантовая теория гравитации. Таким образом, горизонт черной дыры действует как фантастический микроскоп, позволяющий наблюдателю заглянуть в неизвестную физику. У теоретиков такая картина вызывает беспокойство. Если предсказание Хокинга опирается на неизвестную физику, то не следует ли нам усомниться в его обоснованности? Не могут ли свойства и даже само существование излучения Хокинга зависеть от микроскопических свойств пространства?времени, так же как теплоемкость или скорость звука в веществе зависят от его микроскопической структуры и динамики? Или этот эффект, как утверждал Хокинг, полностью определяется макроскопическими свойствами черной дыры, а именно ее массой и моментом вращения?
Изображение
Рябь в потоке ведет себя почти так же, как световые волны в пространстве?времени. Вблизи камня поток становится неоднородным, рябь изгибается, а длины волн изменяются. То же самое происходит со светом в гравитационных полях звезд и планет. В некоторых случаях поток настолько быстр, что рябь не может распространяться против течения, словно свет, не способный выйти из черной дыры.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33804
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#120   morozov »

апрель 2006 ? 4 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрофизика
ПРОИСХОЖДЕНИЕ KОРИЧНЕВЫХ KАРЛИKОВ
Алла Мостинская

Не подчиняясь теориям формирования планет и звезд, коричневые карлики помогают уточнять их.

Что такое планета? Чем онa отличается от астероидов? На такие, казалось бы, простые вопросы однозначного ответа не существует. В прошлом году астрономы обнаружили на краю Солнечной системы тело, которое оказалось больше Плутона. Тогда считать ли Плутон планетой? Если да, то в чем провинились крупные астероиды ? почему мы не причисляем их к планетам? По этому поводу вновь разгорелся спор, пресса и музеи подключились к дискуссии. Еще большая неразбериха возникает при попытках определить верхнюю границу планетной шкалы: до сих пор не ясно, как отличить планету от звезды.
Изображение
Коричневый карлик по размеру равен Юпитеру, но в десятки раз превышает его по массе. Это нечто среднее между планетой и звездой, поскольку имеет признаки и того, и другого. На ранней стадии развития он похож на звезду. Недавние наблюдения показали, что большинство новорожденных карликов, как и звезды, окружены вращающимися газово-пылевыми дисками, в которых могут формироваться астероиды и даже планеты.

Обычно их различают просто: звезда излучает сама, а планета только отражает свет звезды, вокруг которой она обращается. Звезды достаточно массивны, что обеспечивает поддержание термоядерной реакции, давая энергию для излучения. Планеты же слишком малы и холодны для протекания термоядерного синтеза...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»