Инженерные знания

Вокруг появления частиц из ниоткуда (читай как из "вакуума") очень много разговоров. Научно-популярные источники регулярно публикуют сведения о том или ином исследовании, в котором удалось получить частицу из пустоты. Причём, речь идёт не о виртуальных "расчётных" частицах, а вполне себе материальных массивных объектах.

Самое интересное во всём этом деле - механизм появления частицы из вакуума. По сути это эквивалентно материализации частицы из пустого места. Это ставит физику где-то рядом с эзотерикой. Правда есть тут некоторые важные моменты, о которых следует узнать.

Начнём с того, что такой процесс хорошо известен в физике и есть подробная статья об этом на википедии - это называется "рождение пар". Процесс, обратный аннигиляции. Именно это происходит при работе коллайдера и также уже хорошо известна и описана методика насыщения энергией вакуума для рождения новой частицы с помощью лазеров.

Кроме того процесс формирования пар из частиц и античастиц известен как эффект Швингера. Правда тут механизм слегка иной - вакуум "ломают" с помощью мощных электромагнитных полей и это приводит к рождению частиц. Об успешности подобных экспериментов тоже многократно писали. Помимо этого есть и космологическая теория о появлении частиц в результате действия гравитации.

Как именно всё это работает никто пока не знает и конкретный механизм формирования частицы не описан. Ну или я не нашёл этого описания, поэтому если у ас есть такие сведения - делитесь пожалуйста в комментариях. Но зато есть теоретические предпосылки, которые позволяют подтвердить, что процесс вполне возможен.

Первая - это знаменитая Эйнштейновская формула, которая подразумевает связь массы и энергии. В случае коллайдера частицы разгоняются и наделяются энергией и после столкновения эта энергия частично переходит в новую массу. Получается, что с помощью энергии можно создавать материю практически из пустоты.

Почему "практически из пустоты"? Потому что следующая теоретическая основа для этого процесса - это отсутствие абсолютного вакуума.

Абсолютный вакуум или полная пустота есть только абстрактное представление или идеальная модель. Почти как идеальный газ. В реальности абсолютный вакуум создать практически невозможно, а если и допустить его формирование, то к этому процессу подключаются представления о полях.

По мнению физиков в любом якобы пустом месте существуют квантовые поля. Эти квантовые поля могут иметь самую разную природу и полностью не изучены.

Наличие полей того или иного типа хорошо демонстрирует эффект Казимира.

Я подробно описывал его в Telegram проекта. Если коротко, то это притяжение двух пластинок под действием сил, формируемых в результате появления разного количества частиц в зоне между пластинами и снаружи их.

Если представить, что такие поля и правда существуют, то механизм формирования "из пустоты" становится более или менее логичным.

Ведь если наполнить квант поля внешней энергией, то что мешает кванту становиться массивной частицей.

Это, между прочим, слегка упрощает восприятие и виртуальных математических частиц. Ведь виртуальная частица при получении внешней энергией становится уже реальной, что делает всю нелюбимую многими математическую физику вполне себе актуальной. Выходит, что и правда всё это математическая модель, причём работающая.

Исходя из приведённой информации сам механизм появления частицы из пустоты сводится к насыщению вакуума, который на самом деле не пуст и содержит разные квантовые поля, внешней энергией. Как получить эту энергию уже будет не столь важно. Это могут быть излишки при столкновении или прямое насыщение лазером.

Дальше эта энергия КАК-ТО взаимодействует с ЧЕМ-ТО в пустоте и в результате такого взаимодействия формируются реальные частицы (читай как "новая материя").

Про столкновение частиц можно было бы предположить, что сам процесс удара "выбивает" новые частицы из сталкиваемых объектов. По крайней мере так это часто рисуют на схемах. Но, по всей видимости это не совсем так. Ведь исходное количество материи сохраняется и дополняется новым. Значит, новая масса действительно сформирована из окружения.

Вместе с этой заметкой обязательно почитайте мои статьи:

• Про эффект Швингера

• Заметку с доходчивым примером о связи материальной частицы и волны

• Заметка о возможности получения абсолютно любой материи на коллайдере

• Немного про пустоту в вакууме

Многим до боли знакома ситуация, что хочется послушать музыку, а внешние условия далеко не самые благоприятные для этого приятного дела. Мешает шум в метро или рядом грохочет дорога. Всё это сильно портит картинку восприятия, но негативное воздействие внешнего шума можно свести к минимуму.

Для этого используются системы шумоподавления. Но прежде, чем разобраться с принципом их функционирования, нужно вспомнить что такое звук.

Звук - есть волновое механическое колебание упругой среды. Перенос энергии без переноса вещества. Правда я писал в своем Telegram канале пост на тему "отсутствия переноса вещества". Очень советую ознакомиться и немножко удивиться. Про сами волны как физическое явление мы подробно рассказывали вот здесь. Получается, что звук "выглядит" примерно так.

Эта синусоида примерно иллюстрирует поведение воздушной (в нашем случае) среды при прохождении звуковой волны. Воздух будет также "качаться". Когда же волна дойдет до уха слушателя, то барабанная перепонка начнет колебаться в соответствии с этой волной, а мы услышим звучание.

Любой звук - это множество таких колебаний. Например, для гула поезда можно нарисовать такую же синусоиду, но определенного вида.

Для того, чтобы "защититься" от звука, можно использовать два подхода. Назовем их активный и пассивный.

Пассивный метод весьма прост, но далеко не всегда эффективен. Его даже и шумоподавлением называть не совсем корректно, т.к. ничто и ничего не подавляет. Скорее это звукоизоляция. На пути звука нужно поставить механический барьер (читай как стену) и звуковая волна разобьется об эту стену, как волна морская разбивается о берег. Занятно узнать вот об этом явлении.

Само собой, будут и паразитные явления. Волна будет частично отражаться обратно и вызывать механические колебания в преграде, а преграда станет вторичным источником.

Такой подход используется в недорогих наушниках или в случае автомобильной звукоизоляции. Просто и не особенно дорого.

Но более оптимальной методикой является активное шумоподавление.

Представьте себе, что вы играете с веревочкой и создаете в ней колебательное движение, эквивалентное механической волне. Этакую синусоиду выписываете, аки Индиана Джонс кнутом :)...Затем, кто-то берет и с обратной стороны веревки начинает качать её в противофазе, или, как это правильнее называется, инвертирует амплитуду. Вы делаете "волнообразующее" движение, а он, бандит, берет и гасит эту волну, раскачивая веревочку в другую сторону. Волна самоуничтожается. Благодаря интерференции мы имеем сложение двух одинаковых волн с амплитудами разных знаков. В сумме имеем 0.

Если это нарисовать, то выйдет примерно так.

Голубая - это волна в противофазе. Синяя - наш основной звук. На выходе - штиль!

Теперь нужно как-то применить эти знания к реальной системе. Например, понять как работают наушники с шумоподавлением.

Тут всё довольно просто. Только нужно как-то то это рассчитывать. Пересчитать такую штуку может любой компьютер.

Мы берем сам динамик (наушник), устанавливаем рядом с динамиком внешний микрофон и радуемся жизни. Микрофон улавливает все внешние шумы и передает эти данные в систему обработки. Система обработки моделирует сигнал и заставляет динамик наушника выдавать противофазу, которая гасит этот внешний звук.

Казалось бы, что всё просто идеально. Но нужно понимать, что активное шумоподавление далеко не всесильно. В реальной ситуации на выходе после этого алгоритма мы будем иметь не тишину и ровный график, а незначительные колебания. Кроме того, велик риск, что система шумоподавления (в случае работы в качестве устройства подавления основного динамика) будет дополнительно резать ещё и внутренние звуки (например, какую-то тональность в песне).

Надеюсь, что логика работы активного шумоподавления для вас теперь ясна, ну и спасибо одному прекрасному человечку за совет с выбором темы.

-----------

⚡ Ну и как обычно приглашаю вас подписаться на Telegram моего проекта и читать ещё больше интересных статей.

🤖 Не забывайте и о ДЗЕН-канале проекта, где отличные авторские материалы появляются регулярно.

Очень интересное явление, которое известно физикам - это искажение света от далекого источника в кольцо. Образно говоря, наблюдатель видит не точку, а ещё и круг, хотя источник света на таком расстоянии должен был быть виден именно как точечка.

Вот так выглядит кольцо Эйнштейна в космосе. Снимок с телескопа Хаббл из Википедии.

Существование эффекта важно для нас, как минимум, по двум причинам:

• Во-первых, это просто очень красиво

• Во-вторых, факт появления кольца объясняется гравитационным линзированием, а это уже очень значимое для науки явление, которое говорит, что луч света можно исказить гравитацией. Значит, частицы, из которых состоит луч (если, конечно, исходить из дуализма), могут оказаться в действии гравитационного поля массивного объекта. Но, обо всём по порядку. Читайте материал до конца и мы вместе разберемся с этой штукой.

Предположения Эйнштейна

Ещё до того, как Эйнштейн выдвинул свои мысли касательно зависимости всего на свете от единственной постоянной - скорости света - он предположил, что сам по себе световой луч может быть искажен воздействием гравитационного поля.

Главное противоречие тут известно. По идее, гравитация может воздействовать только на объекты, обладающие массой (тут советую прочитать эту мою статейку). С массой фотона всё очень интересно. Это довольно спорная территория и согласно некоторым мнениям, фотон массой не обладает. Этот довод звучит логично. Ведь в противном случае, он бы не смог двигаться со скоростью света. Она достижима для фотона и только для него, потому что массы у фотона нет. Если бы у него была масса, то потребовалась бы бесконечная энергия для его разгона до скорости света. Советую здесь изучить эту статью.

Предположение строилось на том, что гравитация воздействует ни на поток световых частиц, а искривляет само пространство. Ну а так как свет распространяется в некотором пространстве, то вместе с искривлением пространства искажается и световой луч.

Был и ещё один взгляд на проблему. Если свет притягивался планетами, то его скорость должна была бы уменьшаться. Это, в общем-то, тот же самый вопрос, что обсуждался чуть выше, но с другой стороны. Но тут ответ сформулировался довольно интересно. Свет движется по прямым линиям в неевклидовых кривых (это не прямая клетка) пространства-времени, которые составляют нашу вселенную. По сути просто признается, что гравитация искажает пространство, а свет идёт по линиям искажения как поезд по рельсам и уже не замедляется.

Гравитация искажает световой луч

Прошло время и факт того, что гравитация действительно искривляет свет стал чем-то более менее обыденным. Информацию об этом можно найти в любом учебнике астрономии. Полезно знать, что на свет оказывает некоторое влияние и магнитное поле. Об этом я рассказывал тут.

Предположения Эйнштейна оправдались и появился такой термин, как кольцо Эйнштейна. Так астрономы назвали интересный эффект появления круга вокруг наблюдаемого источника свечения, если на одной прямой есть массивный объект, обладающий собственным гравитационным полем.

Объяснено появление такого круга было фактом гравитационного линзирования. Ну а само линзирование объяснялось тем, что гравитационное поле планеты искажает пространство, в котором распространяется свет.

Это не совсем-таки линзирование в оптическом смысле этого слова. Свет не проходит через оптическую линзу, а искажается полем. Линзированием эффект был назван по аналогии поведения луча света рядом с такой "линзой".

Кстати говоря, эффект вполне себе известный и в более "земных" условиях. Например, электронный микроскоп включает в свою конструкцию так называемые магнитные линзы. Они отклоняют поток электронов в колонне микроскопа и позволяют фокусировать пучки на изучаемом объекте. Или даже лучше сказать - управлять пучками.

Для науки это явление имеет большую значимость по той простой причине, что факт отклонения лучей посредством гравитации - это очень важное обстоятельство, которое следует учитывать не только физикам-теоретикам или астрономам, но и инженерам при проектировании оборудования. Свет отклоняется гравитационным полем и это уже данность, которая получила подтверждение со стороны ученых и была запечатлена в виде кольца Эйнштейна.

--------------------------

⚡ Обязательно подписывайтесь на мой Telegram и читайте ещё больше статей, которые выходят только в телеге.

👉 Все новые статьи выходят в ДЗЕНе проекта, а некоторые публикуются только там. Подписывайтесь, будет интересно!

Речь сейчас пойдет не про известное многим световое старение полимеров, а про интересный эффект, который возникает при освещении поверхности обычным светом. Этот эффект ярче всего проявляет себя относительно полупроводников, но заставляет задуматься о физическом устройстве света и о специфике его взаимодействия с материей.

Полупроводниковые материалы играют незаменимую роль в нашем современном информационном обществе. Это специфический тип материалов. Напомним упрощенно, что они в одном случае являются проводниками, а в другом не являются.

Оказалось, у этой группы материалов есть и другое интеерснейшее свойство! Благодаря проведению экспериментов выяснилось, что оптическая среда влияет на структурную прочность полупроводниковых материалов. Иными словами, полупроводники могут менять механические свойства при воздействии разного типа освещения! Или, если упростить ещё больше, становиться более прочными или мягкими при разном освещении!

Для исследования невообразимого ранее явления ученые разработали метод количественного изучения влияния света на механические свойства тонких полупроводниковых пластин или любых других кристаллических пластин в наномасштабе. Они назвали это методом «фотоиндентирования».

Крошечный заостренный зонд оставляет вмятины на материале, когда он освещается светом в контролируемых условиях, и можно измерить глубину и скорость, с которой зонд оставил вмятины на поверхности. Было установлено, что материал становится прочнее при его освещении.

Подобное явление относится только к полупроводникам! Но не исключено, что более тщательное изучение вопроса позволит обнаружить влияние эффекта и в других классах материалов.

Упрочняющий эффект, который электронно-дырочные пары, освобождаемые световым освещением, оказывают на прочность материала за счет подавления распространения дислокаций, особенно вблизи поверхности является частью смены парадигмы в науке о прочности материалов. Напомним, что дислокационная теория прочности является одной из основных.

Сами дислокации, если упростить объяснение, представляют собой линейные группы частиц. До настоящего времени считалось, что их перемещениям мешает только микроструктура и различные дефекты. Ну а само перемещение и является причиной разрушения материалов. Теперь оказалось, что помимо стандартных факторов, даже свет может оказывать на всё это влияние.

Обычно, рассматривая прочность материала, атомное расположение было наименьшей единицей. Другими словами, существовала предпосылка о том, что прочность материала можно понять из атомной структуры и теории упругости. Однако недавние исследования показали, что прочностные характеристики материалов значительно меняются из-за внешних воздействий, таких как свет и электрическое поле. Поэтому, как отмечает профессор Накамура, «становится все более и более общепризнанным, что к теории прочности материала должны быть добавлены другие точки зрения, которые включают движение электронов и дырок, которые меньше атомов».

👉 Друзья, если вам нравятся мои статьи, то поддержите пожалуйста проект подпиской на мой Telegram. Там регулярно выходят эксклюзивные и очень интересные заметки по теме.

🔹 Ещё я веду ДЗЕН, где постоянно выходят статьи и ролики.