Необходимо войти или зарегистрироваться

Авторизация

Введите логин, email или номер телефона, начинающийся с символа «+»
Забыли пароль? Регистрация

Новый пароль

Авторизация

Восстановление пароля

Авторизация

Регистрация

Выберите, пожалуйста, ник на пикабу
Номер будет виден только вам.
Отправка смс бесплатна
У меня уже есть аккаунт с ником Отменить привязку?

Регистрация

Номер будет виден только вам.
Отправка смс бесплатна
Создавая аккаунт, я соглашаюсь с правилами Пикабу и даю согласие на обработку персональных данных.
Авторизация

Профиль

Профиль

cicatrix

cicatrix

Пикабушник
36 838 рейтинг
4654 комментария
39 постов
29 в "горячем"
Показать полную информацию
более 1000 подписчиков

Что именно изображено на фотке чёрной дыры?

cicatrix

10 апреля 2019 года учёные порадовали нас впервые полученным изображением чёрной дыры в центе галактики М87 при помощи телескопа горизонта событий. Думаю, все уже видели, но вот эта боянистая фотка, на всякий случай:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Я встречал много разных интерпретаций данного изображения, зачастую, упрощённых. В этом посте я хочу развеять несколько заблуждений относительно этого изображения, которые я встречал, а так же проанализировать, что в действительности мы увидели.


Я не буду долго вдаваться в особенности устройства чёрных дыр, тем более, что материалов по ним много, да и я уже касался теории в этом посте. Коснусь лишь самого главного.


Диск аккреции (Аккреционный диск) — диск, который формируется из материи вблизи космического объекта, обладающего большим гравитационным потенциалом. Ну посудите сами — практически нет двух объектов в космосе, которые имели бы абсолютно параллельные векторы скоростей, соответственно, "падать" строго по направлению к чёрной дыре (радиально) невозможно... вернее, очень маловероятно, что получится. Обычно траектория падения происходит под некоторым углом, по искривлённой спиралевидной траектории. Частички материи по мере приближения к чёрной дыре всё больше ускоряются, и всё чаще соударяются с соседями, отчего ещё больше разогреваются, отчего начинают светиться (и не только в видимом диапазоне). Подробнее о природе данного свечения можно почитать в моём посте "Как выглядит атом".


Ну, собственно, словами "вот аккреционный диск" учёные и сфотографировали, обычно заканчивают повествование. Но мы только начинаем.


Горизонт событий — сфера вокруг центра чёрной дыры радиусом, называемом радиусом Шварцшильда (RS), внутри которой не существует мировых линий, направленных вовне, то есть всё, что находится внутри этого радиуса, никак не может повлиять на то, что находится вовне (электромагнитные волны и информация никогда не смогут покинуть эту сферу).


Но, как и вокруг любого небесного тела, вокруг чёрной дыры существуют стабильные орбиты, то есть, если у какого-то тела скорость достаточна, чтобы обращаться по данной орбите, данное тело не упадёт на чёрную дыру.


Разумеется, самой низкой орбитой, на которой можно существовать, не падая в чёрную дыру, является орбита, на которой орбитальная скорость равна скорости света.

Очень часто приходилось слышать, что вот эта тёмная область в центре — это и есть "тень" горизонта событий, хотя это не совсем так. Эта область несколько больше горизонта событий. Дело в том, что ядра атомов, образующих аккреционный диск, имеют массу, и не могут развить скорость света, соответственно, для них существует предельная орбитальная скорость. Иными словами, существует наиболее низкая устойчивая круговая орбита (англ. innermost stable circular orbit или ICSO).


Если бы чёрная дыра не вращалась, то такая орбита составляла бы 3 радиуса Шварцшильда (3RS), однако, почти все чёрные дыры вращаются, и высота ISCO обычно ниже 3Rs, и зависит от скорости вращения и направления орбиты.


Любое массивное тело, опустившееся ниже данной орбиты, неизбежно упадёт в чёрную дыру.


Соответственно, тёмная область, которую мы видим на фото - это не тень чёрной дыры, а область, ограниченная ISCO.


Фотоны, тем не менее, не имеют массы, поэтому вокруг чёрной дыры ещё ближе к горизонту событий, чем ISCO, существует ещё и так называемая "фотонная сфера" (ссылка на англ.). Для невращающейся чёрной дыры, её радиус составляет всего 1,5 RS. Фотоны света на поверхности данной сферы будут вынуждены вечно вращаться по круговой орбите вокруг чёрной дыры, и, если бы было возможно провести там наблюдение, то, глядя вперёд, можно было бы увидеть свой затылок, так как фотон света, отразившись от нашего затылка, описал бы полный круг вокруг чёрной дыры и вернулся бы в наш глаз. По этой причине, мы практически не видим свет внутри ISCO.


Тем не мене, существуют траектории, позволяющие фотону посетить зону ниже ISCO, но, тем не менее, ускользнуть от притяжения чёрной дыры. Такая траектория показана на рисунке:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

На ней видно, что фотон может подлететь к чёрной дыре, сделать виток вокруг неё, и улететь прочь. Именно этим объясняется тот феномен, что, с какой бы стороны мы не посмотрели на чёрную дыру, мы всегда увидим аккреционный диск, будто бы мы смотрим на него "сверху".


Для сравнения, возьмём планету Сатурн, с его хорошо видимыми кольцами. В зависимости от взаимной ориентации наблюдателя и колец, мы можем видеть их под разными углами:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Так что же, учёным просто повезло пронаблюдать акреционный диск, расположенный под "нужным" углом? Разумеется, нет! Дело в том, что под воздействием огромной гравитации чёрной дыры, пространство-время искривляется таким образом, что по "кромке" чёрного контура мы видим не только "вид спереди", но и то, что происходит позади чёрной дыры. Более наглядно это можно представить по этой картинке. Здесь мы видим аккреционный диск, расположенный практически "ребром" к наблюдателю. Тем не менее, область диска, которая должна скрываться "позади" чёрной дыры, так же видна наблюдателю из-за того, что фотоны света описывают полный круг вокруг наблюдаемой чёрной дыры.

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

Для большей наглядности, вот ещё она картинка:

Что именно изображено на фотке чёрной дыры? Космос, Наука, Черная дыра, Длиннопост

В теории, если бы мы обладали очень большими и мощными телескопами, мы могли бы смотреть на чёрные дыры и заглядывать, таким образом, в собственное прошлое.

Показать полностью 4

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи

cicatrix

Сегодня в честь 1 апреля я хочу подробнее рассмотреть элегантное оружие из более цивилизованной эпохи – световой меч Джедая.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Мы все видели его в действии, однако, если смотреть внимательно, то можно заметить некоторые неточности, которые позволили себе режиссёры, описывая это замечательное оружие.


Начнём с мощности. Наиболее наглядно мощность данного оружия показана в I эпизоде, когда Квай-Гон Джин плавит мечом дверь:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

В этой сцене примерно за 1 секунду меч расплавляет объём металла, по крайней мере, соответствующего объёму самого меча. Предположим, меч имеет длину 1 м и диаметр 3 см, а плотность, температура плавления и удельная теплоёмкость двери – как у стали (плотностью 7800 кг/куб. м). Иными словами, масса стали 5,513 кг с удельной теплоёмкостью 462 Дж/кг*К, была нагрета на 1507 градусов (1800 К – температура плавления, 293 К – комнатная температура).

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Таким образом, имеем мощность светового меча КАК МИНИМУМ в 3,8 МВт!


Если брать выделение электрических мощностей по 15 КВт на домохозяйство, то при помощи одного меча Квай-Гон Джина можно было бы снабжать электроэнергией небольшой посёлок.


Как известно, световой меч в руках мастера-Джедая может останавливать и даже отражать назад выстрелы из бластеров, однако, давайте посмотрим, сможет ли такой меч остановить обычную свинцовую пулю? Чтобы понять это, давайте посмотрим, хватит ли мощности в 3,8 МВт чтобы полностью расплавить и испарить 9 грамм свинца, летящих со скоростью 400 м/с?


Такая пуля преодолевает расстояние, равное диаметру меча (3 см) за 0,000075 секунды. За это время меч передаст пуле энергию равную 0,000075 * 3800000 = 285 Дж. Теплоёмкость свинца 130 Дж/кг * К. Для массы в 9 г нагрев составит 333 градуса. Этого едва достаточно, чтобы её расплавить (температура плавления свинца 327 градусов), однако, хорошего по-прежнему мало – вместо твёрдой пули, в мастера-Джедая влетит капля расплавленного свинца со скоростью 400 м/с. По останавливающему действию, эффект будет, пусть не смертельным, но достаточным для нанесения глубоких ожогов. После попадания такой капли, думается, вторую пулю он отбить уже не сможет. Впрочем, начинающему охотнику на Джедаев рекомендуется иметь пули со стальным или урановым сердечником. Как показали наши исследования, против таких пуль световой меч абсолютно неэффективен.


Теперь о безопасности.


Даже если мы отбросим тот факт, что согласно закону Стефана – Больцмана, световой меч должен излучать столько тепла, что при такой мощности он должен был бы немедленно воспламенить всё, что его окружает, списав это на какое-либо универсальное отражающее поле, сама плотность энергии, заключённая в рукояти светового меча, не может не поражать воображение.


Мы часто видели, как мечи ломаются, разрубаются пополам, как их роняют или разрушают иными способами:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Науке неизвестно, как в подобном объёме можно запасти такое количество энергии, и при этом, чтобы вся запасённая не высвобождалась бы при разрушении контейнера. Разрушение меча в любой момент времени должно было бы сопровождаться мощнейшим взрывом, сопоставимым с ядерным по мощности (помните, в рабочем режиме эта штука выдаёт минимум 3,8 МДж энергии в секунду). Представьте, насколько более эпичными были бы сцены боёв джедаев, если бы в при разрубании меча одного из противников, происходил бы ядерный взрыв!


Хочу коснуться также и вопроса элегантности.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Думаю, Оби-Ван покривил душой, когда говорил об этом оружии, как об элегантном. В действительности, если сравнить с обычным мечом, который рубит благодаря приложению большого давления на малую площадь, тем самым, раздвигая разрубаемый материал, световой меч попросту нагревает. Строго говоря, когда мы видим сцену, в которой кого-то протыкают световым мечом, мы должны понимать, что материал попросту испаряется (в физике, процесс перехода из твёрдого состояние в газообразное, минуя жидкую фазу, называется сублимация).


Все мы помним, что при переходе в газообразную фазу объём вещества увеличивается. Вода, например, при переходе из жидкой фазы в пар увеличивается в объёме почти в 1500 раз. Когда испарение происходит относительно медленно, с этим ещё можно справиться, однако, если всё это происходит мгновенно, это больше похоже на взрыв бомбы. Вот посмотрите, что происходит, когда одна особо-одарённая личность бросает бутылку с водой в расплавленную сталь:

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

То же самое произойдёт, если вы разрубите такую же бутылку световым мечом. То же самое, или что-то очень похожее произойдёт и с телом человека, так как оно на 60 – 70% состоит из воды.


Давайте представим, что острие светового меча приближается к жертве. Уже на некотором расстоянии от него, одежда нашего врага вспыхивает из-за тепла, которое излучает наш меч. (Сам Джедай, видимо, контролирует тепло, излучаемое мечом при помощи Силы, поэтому остаётся невредим), кожа врага так же обугливается. Само тело нашей жертвы начинает светиться оранжевым цветом из-за нагрева, но это ненадолго. В момент, когда меч протыкает тело врага, его лезвие оказывается окружено плотью, и испаряет около килограмма жидкости, находящейся в этом теле за 1 секунду. Образовавшемуся пару некуда деться, кроме как выходить из открытой раны со скоростью звука, причём всё это происходит примерно за несколько сотых секунды. Мы наблюдаем паровой взрыв, очень похожий на то, что мы видели на гифке чуть раньше. Этот взрыв разрывает тело нашей жертвы на части и обдаёт нас взрывной волной из перегретого пара.


В этом отношении много вопросов вызывает смерть Хана Соло, который пробыл в контакте со световым мечом дольше всего – порядка 10 секунд. Этого времени было достаточно, чтобы испарить половину массы его тела.

Элегантное оружие из более цивилизованной эпохи Star Wars, Гифка, Длиннопост, Световой меч, Физика

Словом, элегантным данное оружие назвать никак нельзя, а мы делаем вывод, что Оби Ван несколько приукрашивал действительность.


(подготовлено по материалам youtube-канала Because science)

Оригинальное видео.

Показать полностью 6

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы

cicatrix

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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

Материалы, проявляющие подобные свойства называются метаматериалы.


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


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


Существует много теоретических сфер применения высокотехнологичных материалов.

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


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


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


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


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


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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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


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


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

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


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

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


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

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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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


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


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


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


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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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


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


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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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


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


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


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


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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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


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


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

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


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


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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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


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

Плащ-невидимка, суперлинза и другие волшебные предметы Метаматериалы, Радиоэлектроника, Оптика, Технологии будущего, Стелс-Технологии, Длиннопост

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

Показать полностью 7

Памятка начинающему радиофобу или как правильно бояться радиации.

cicatrix в Наука | Научпоп

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дозы

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

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

Что здесь надо знать — что дозы бывают разными:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Измерение

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

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

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

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

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

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

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

Накопленная доза и вред

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

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

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

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

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

Где найти радиацию?

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

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

Показать полностью 9

Правды и кривды теории Большого взрыва.

cicatrix в Наука | Научпоп

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

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

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


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


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

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

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


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

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

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


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

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

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


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


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


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

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

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


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


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


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

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

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


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


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


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

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

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


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


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


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

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

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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

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

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


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


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


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


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


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


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


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


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

Показать полностью 8

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе

cicatrix

Классическая термодинамика – это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убеждён, что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута.  – А. Эйнштейн

Как думаете, в чём содержится больше энергии – в килограмме человеческого жира или килограмме тротила? Вы удивитесь, но животный жир на единицу массы содержит в 8 раз больше энергии, чем тринитротолуол (37 МДж / кг против 4,184 МДж / кг). Жир, конечно, не взрывается так же, как тротил, но способен запасать гораздо больше энергии. Это свойство химических веществ называется плотностью энергии.


Самые лучшие литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии в 6 – 10 раз меньше, чем тринитротолуол (0,46 – 0,72 МДж / кг).


Если посмотреть на таблицу плотности энергии различных химических веществ, станет понятно, что любые аккумуляторы в этом плане серьёзно уступают тому же бензину или дизельному топливу. Также становится очевидно, почему, когда требуется взять с собой большое количество энергии, бензин, дизельное топливо или авиакеросин становятся практически безальтернативными. Аккумуляторы запасают почти в 30 раз меньше энергии на единицу своей массы, чем химическое топливо (топливо для горения требует кислород, и на 1 часть топлива надо добавить примерно 2 части кислорода, чтобы оно загорелось).

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Въедливый читатель может возразить – батареи генерируют электрическую энергию, в то время как из взрывчатки и химического топлива энергия освобождается в виде тепла. Это весомый аргумент, поэтому посмотрим на современный дизель-генератор. При оптимальной нагрузке в 60-70%, он выдаст примерно 3 КВт*ч электроэнергии на 1 литр топлива (https://bryan-power.com/wp-content/uploads/diesel-generator-fuel-consumption.pdf). Это соответствует примерно 10,8 МДж энергии, что по-прежнему будет примерно в 20 раз больше, чем вы получите с 1 кг батарей.


Теперь давайте ещё раз взглянем на таблицу плотностей энергии, чтобы понять, что никаких прорывов в части аккумуляторов ожидать не следует. Какие бы мы батареи не изобретали, принцип их устройства окажется неизменным: для того, чтобы она дала электрический ток в виде хотя бы одного электрона, нам потребуется как минимум 1 атом на аноде, чтобы этот электрон отдать, 1 атом на катоде, чтобы его принять, и ещё нужно N атомов для разделения анода и катода (электролит). Химическое топливо или взрывчатка запасают энергию в 100% молекул, у аккумулятора этот показатель много меньше 50% при том, что сейчас литий-металлические аккумуляторы имеют плотность энергии лишь в 10 раз меньше.


Для аккумулятора это весьма хороший показатель, так как взамен уменьшенной плотности энергии мы получаем относительную безопасность использования. Представьте, что мы могли бы запасать в аккумуляторах энергию с такой же плотностью энергии, как в тротиле. Захотелось бы вам иметь такой аккумулятор?


Что будет, если вы «закоротите» такую батарею? Сделаем очень щедрое предположение, и дадим ей, например, теплоёмкость как у воды – 4180,6 Дж/(кг•К), то есть, для того, чтобы подогреть воду на 1 градус, необходимо потратить столько энергии, и я повторяю, это очень щедро – круче воды в этом плане только гелий, аммиак и водород. Так вот, если 1 кг батарея высвободит около 4 млн. джоулей, то она «согреется» на 1000 градусов Цельсия. На практике же, нагрев будет ещё больше, так удельная теплоёмкость этой батареи не будет и близко подходить к такому значению, как у воды.


Собственно, даже современные аккумуляторы представляют собой определённую опасность:

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Теперь, наверное, становится понятно, почему бензин (и прочее углеводородное топливо) является сегодня наиболее предпочтительным «переносным» источником энергии. Бензин является почти что идеальным топливом – при огромной плотности энергии, он остаётся относительно безопасным. Да, пары бензина тоже могут взрываться, но на миллиард автомобилей в мире, на подобные случаи статистика отводит доли процента. Кроме того, чтобы потушить бензин, необходимо всего лишь перекрыть доступ кислорода пламени. Повреждённая батарея, с другой стороны, будет продолжать отдавать свою энергию, пока не освободит её полностью. Потушить её нельзя. Энергия, способная заставлять автомобиль двигаться 600-800 км, легко и безопасно запасается в бензобаке объёмом 40-60 литров, в то время как аккумуляторы электромобиля сейчас занимают в 3-4 раза больший объём, и при этом имеют запас хода всего 200-250 км.


Я уже не говорю про авиацию, где аккумуляторы не применимы в принципе – вы не сможете сделать хоть сколько-нибудь годный самолёт, так как для необходимой мощности двигателей потребуется большая масса батарей, чтобы поднять которую потребуется более мощный двигатель, чтобы его запитать потребуется больше батарей... ну вы поняли.


Сейчас активно продвигаются два вида автомобилей, не использующих углеводородное топливо – электромобили и автомобили на водородных ячейках.


Водород, казалось бы, идеальное топливо. Его плотность энергии 142 МДж на 1 кг. Выше – только у ядерного и термоядерного топлива. Однако, добавьте к массе, собственно, водорода, массу баллона для его хранения, и всё уже не выглядит таким радостным. Обычный стальной промышленный баллон для сжатого газа, выдерживающий давление 150 атм. имеет массу почти 60 кг и вмещает всего 40 литров газа. Плотность водорода в нормальных условиях 0,08987 г/л, это значит, что при давлении в 150 атмосфер, масса водорода, помещающегося в этот баллон составит… всего около 0,45 кг. Для хранения 450 грамм водорода требуется «тара» массой 60 кг! Сжигая это количество, я получу ~63,9 МДж энергии, что эквивалентно ~1,5 кг дизельного топлива.

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Возьмём обычный автомобиль с объёмом топливного бака, скажем 50 л. Масса пустого топливного бака пусть будет 10 кг, масса всей топливной системы при плотности топлива 875 г/л составляет 53,75 кг, при этом, в таком автомобиле запасено 2,1 ГДж энергии.


Чтобы запасти такое же количество энергии, в случае с водородом мне потребуется 14 кг водорода… то есть примерно 33 баллона, которые весят по 60 кг каждый, то есть почти 2 тонны. При этом кто-то ещё должен будет потратить энергию на то, чтобы сжать весь этот водород до 150 атмосфер.


Вот Тойота-Миллениум. Одна заправка для неё – это примерно 5 кг водорода (эквивалент ~22 литра бензина), однако суммарная масса топливной системы вместе с баками составляет 92,5 кг. (и это при использовании высокотехнологичных ультра-лёгких материалов, а не стали).

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Дальность хода на одной заправке для такого автомобиля составляет 500 км. Вроде неплохо, но если мы возьмём эквивалентную массу бензина (~80 кг или 91 л) на обычном автомобиле сходного класса мы проедем в 2 – 2,5 раз большее расстояние.


Ещё не стоит забывать тот факт, что водород взрывается при смеси с воздухом в концентрациях от 18,3 до 59% (то есть, практически всегда) И взорваться он может просто от искры статического электричества на вашей одежде или просто от косого взгляда. Представьте себе, что будет, если водородные баки такого автомобиля повредятся в результате ДТП!


Да, сейчас безопасности водородных автомобилей уделяется большое внимание, но посмотрите на это видео, где в топливный водородный бак стреляют практически в упор. Посмотрите внимательно на скорость, с которой из бака исходит струя газа – она сопоставима со скоростью пули. И, помните, этот газ может взорваться от любой искры чуть позже, даже если он не взорвался от выстрела.

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Теперь посмотрим на флагман электромобилестроения Tesla Model 3. В документации указано, что на одной зарядке, этот «лучший электромобиль» пробегает 215 миль или 346 км (это если используется форм-фактор 18650). На элементах форм-фактора 2170 будет на 100 миль больше и Тесла догонит среднюю дальность пробега стандартной легковушке на 1 заправке (500 км). При этом масса батарей составляет около 500 кг! То есть, у Теслы топливная система имеет массу почти в 10 раз больше при меньшем пробеге! Характеристики даже хуже, так как разряженный аккумулятор весит столько же, чем заряженный (на самом деле нет, но погрешность пренебрежительно мала).


Теперь про дозаправку. Если у бензинового транспорта и даже автомобилей на водороде проблем заправкой нет, и её длительность составляет несколько минут, у электромобиля скорость зарядки аккумуляторов исчисляется часами! При этом, чем выше скорость передвижения, тем быстрее я посажу батареи. При перемещении со скоростью 100 км/ч на каждые следующие 100 – 120 км, мне необходимо будет целый час подзаряжать аккумуляторы (и это если я найду розетку!).


Аккумуляторы Илона Маска – одни из лучших в мире на сегодняшний день, но что бы он нам не обещал на тему «революций» в аккумуляторостроении, термодинамику ему не победить и по плотности энергии, аккумуляторы всегда будут гораздо хуже химического топлива.


Разумеется, у химического топлива есть один недостаток – при его сгорании образуется углекислый газ, который вносит серьёзное влияние в процесс глобального потепления климата. Разумеется, у электромобилей, как у городского транспорта есть будущее, и есть своя ниша, однако посмотрите на эту картинку и подумайте вот о чём – так ли уж чиста эта «чистая» энергия:

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Вот прогноз динамики развития мировой энергетики до 2040 года (источник) . Разумеется, я тоже очень рад, что доля возобновляемых источников энергии растёт, однако, не стоит думать, что их доля в ближайшие годы превысит долю, приходящуюся на выработку электроэнергии из ископаемого топлива:

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Подумайте, автомобиль на водороде будет тратить энергию не только на перевозку вас, но ещё и на перемещение тяжёлых топливных баллонов, к тому же водород – не самое безопасное топливо в мире. Но это ещё не всё, на то, чтобы сжать водород до 150 – 200 атмосфер тоже будет потрачена энергия (на заправке).


То же самое касается электромобилей – подумайте, сколько лишнего веса в виде аккумуляторах ездит вместе с вами, подумайте, что почти половина энергии данных аккумуляторов тратится лишь на перемещение их собственного веса.


Автомобильный бензин или дизельное топливо, если упростить, при сжигании производят воду и углекислый газ. Больше того, если потратить определённую энергию, то эти два компонента можно заново скомбинировать в углеводородное топливо и кислород. Да, на производство топлива таким способом потратится больше энергии, чем потом может получиться при его сжигании, но раз мы всё равно хотим тратить энергию на перевозку «мёртвой массы» аккумуляторов или газовых баллонов, не лучше ли сосредоточить усилия в этом направлении?

Показать полностью 7

Маршрут построен

cicatrix

Если вы думаете, что навигатор в вашем смартфоне получает ваши координаты со спутника, то вы ошибаетесь, и сейчас я объясню, в чём дело.

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

Но начну издалека.


С середины 20 века гуманисты и филантропы по обе стороны океана озаботились одной интересной оптимизационной задачей – максимизировать количество ущерба, наносимого противнику, затратив минимум супердорогих атомных боеприпасов. Проблема вот в чём – представьте вам надо бросить баскетбольный мячик в кольцо, которое находится в соседнем городе и попасть. Точно всё рассчитать, конечно, можно, но удачным выстрелом считалось попадание с вероятностью 50% в круг диаметром несколько километров. Но это если заранее с высокой точностью известно место старта и место «финиша». Поэтому ядерные подарки старались сделать помощнее, чтобы доставить как можно больше радости людям даже на расстоянии в несколько километров.


Но проблема была ещё и в том, что если место старта заранее известно вам, оно так же известно и противнику, а ракеты того времени не отличались особо в части оперативности подготовки к старту. На то, чтобы собрать и запустить Р-7 с Байконура, требовалось несколько дней. Разумеется, за это время, его могли разбомбить к чертям, поэтому умным головам пришла в голову мысль – прятать оружие под воду и запускать внезапно из случайных мест с подлодок. Но тут опять возникала первая проблема – чтобы прицелиться, нужно знать, где находишься, а компас, хронометр и секстант в данном случае помогут слабо.


Нельзя сказать, что прогресс стоял на месте. Моряки и лётчики использовали гирокомпасы и радиопеленгаторы (радиокомпасы). Первый использует свойство вращающихся тел сохранять свою ориентацию в пространстве (закон сохранения импульса), соответственно, если раскрутить ротор гироскопа и запомнить его ориентацию, при последующих манёврах по его отклонению можно будет судить о курсе.


С изобретением радиосвязи стало возможным использование радионавигации. Сюда входит, как использование радиомаяков, радаров, высотомеров и дальномеров, однако все эти инструменты, хоть и значительно упрощают работу штурмана, но полностью его, разумеется, не заменяют.


В радионавигации широко используется принцип триангуляции:

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

На схеме условно показан геометрический принцип определения местоположения относительно трёх точек с заранее известными координатами и расстоянием до них. Пересечения двух кругов дадут 2 возможных координаты, которые будут являться «кандидатами» на ваше расположение. Для уточнения, в какой именно из них вы находитесь, в геометрии потребуется третья точка.


На практике же, достаточно иметь всего два радиомаяка и уметь определить расстояние до них:

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

Если у вас есть радар, то определить расстояние до нужной вам точки просто – необходимо измерить время, за которое посланный сигнал вернулся обратно и поделить на 2. Но это работает только тогда, когда и приёмник и передатчик сигнала находится у вас. Если же вы имеете только приёмник, то вам необходимо знать, когда именно началась передача. Электроника того времени не справлялась с синхронизацией, поэтому использовалась схема двух сигналов, посылаемых с заранее известной задержкой.


Ниже показаны погрешности в определениях координат известных систем навигации разных времён.

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

За самым первым искусственным спутником Земли наблюдал весь мир. Наблюдали и американцы, которые и обнаружили, что благодаря эффекту Доплера частота принимаемого со спутника сигнала увеличивается при приближении спутника и уменьшается при его удалении. Если точно знать свои координаты на Земле, по сигналу можно было измерить положение и скорость спутника. Многим людям это было очевидно, однако именно доктору Ричарду Кершнеру из лаборатории прикладной физики университета Джонса Хопкинса первому пришло в голову «перевернуть» уравнение – если точно знать положение спутника, то можно определить собственную скорость и координаты.


Уже всего 2 года спустя запуска первого искусственного спутника земли, в сентябре 1959 года американцы вывели на орбиту первый спутник системы Transit (NavSat). Первые успешные тесты системы прошли в 1960 г., а в 1964 она была принята в эксплуатацию, разумеется, с вполне «мирными» задачами по расчёту курсов баллистических ракет, запускаемых с подводных лодок. Впрочем, и «на гражданке» появился спрос, а в 1967 году количество гражданских клиентов системы превысило число военных. Система вполне сносно справлялась со своей задачей до 1996 года, обеспечивая точность позиционирования ± 200 м. Плохо было только то, что, что она не покрывала всю территорию Земли (в разное время в ней использовалось 6 – 7 космических аппаратов), и пользоваться ей можно было лишь раз в несколько часов, так как единовременно «над горизонтом» был виден лишь один спутник.

Как я уже сказал, принцип определения местоположения был основан на эффекте Доплера. Спутники вращались по известной траектории, вещали на известной частоте. До приёмника же доходил сигнал несколько другой частоты (в этом и есть суть эффекта). По смещению частот сигналов от нескольких спутников высчитывалось местоположение.


Кто-то может и не знать, как называется этот эффект (некоторые, по их собственным словам, приходят сюда деградировать), но все слышали, как изменяется звук от проезжающего мимо автомобиля. При приближении слышно звук более высокой частоты, когда же машина проедет мимо, звук станет понижаться. На этой гифке показано, что происходит:

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

Советский сумрачный гений не сильно отставал, и в 1971 году развернул собственную навигационную систему под названием «Циклон» (для гражданских – «Цикада»). Она тоже состояла из 6 спутников, и была почти в 2 раза точнее, позволяя определять своё местоположение с погрешностью 80 – 100 м. Система использовала тот же эффект Доплера и имела те же недостатки, что и у американцев – пользователь должен был самостоятельно определить и указать приёмнику собственную скорость, система выдавала лишь 2 координаты (широту и долготу, высота не определялась), а из-за особенностей орбит спутников, определение координат возможно было лишь в течение 5-6 минут каждый час – полтора (хотя, справедливости ради надо сказать, что в военном варианте было задействовано больше спутников и интервалы были поменьше).


У американцев к началу 70-х годов сложилась интересная ситуация, когда каждое военное ведомство (ВВС, ВМС и армия) запиливали собственные навигационные проекты, бессовестно разбазаривая деньги налогоплательщиков, пока в 1973 году, Конгресс не прекратил это безобразие (хотя и со «скрипом» – скептики говорили, что расшифровка сигналов со спутника не представляла особых сложностей ни для СССР, ни для Китая). Была инициирована программа DNSS, позднее переименованная в NavStar, позднее – в GPS.

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

В твой смартфон это не влезет!


Советские партия и правительство ответили навигационными спутниками с идеологически-правильным названием серии «Ураган», чем положили начало развёртывания того, что впоследствии назовут ГЛОНАСС (с 1982 по 1998 год вывели аж 74 спутника, 6 из которых потеряли при запуске, а из-за малого срока службы и отсутствия денег, к 2001 году их осталось всего 6).


Но так бы и остался GPS исключительно военной игрушкой, если б не доблестные советские ПВО, сбившие в 1983 возле острова Сахалин Боинг-747 рейса KE007 «Корейских авиалиний». Официально было озвучено, что корейцы просто заблудились, поэтому тогдашний президент США Рональд Рейган пообещал разрешить использовать GPS для гражданских целей по всему миру. Во избежание военного применения системы точность определения координат была специально уменьшена (ходят слухи, что его практически сразу же успешно расшифровали). Загрубление точности отменил только Клинтон в 2000 году.


И так, как же это работает?


Основной спутниковой навигационной системы являются ВНЕЗАПНО спутники. Орбиты в GPS подобраны так, чтобы орбитальный период составлял половину сидерического дня (11 ч 58 минут). Так, один и тот же спутник проходит над одной и той же точкой земной поверхности примерно дважды в день. С тем расчётом, чтобы из любой точки Земли в пределах прямой «видимости» находилось не менее 6 спутников, всего требуется 24 аппарата, чтобы система стала действительно «глобальной» (то есть доступной по всему миру). Обычно 2-3 аппарата ещё болтаются на орбите «про запас».

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

Спутники ГЛОНАСС летают чуть ниже (в первую очередь параметры орбит были рассчитаны на покрытие территории РФ). Две системы (GPS и ГЛОНАСС) по принципу своего действия очень похожи, за исключением некоторых технических тонкостей в формировании сигнала, поэтому дальше буду объяснять на примере GPS, потому что по ней тупо больше информации (как ни странно).


Принцип действия системы построен на том, что в любой момент времени мы очень точно знаем, где именно находится спутник. Каждый из спутников имеет на борту высокоточные атомные часы, синхронизированные друг с другом, а также с часами на наземных станциях. Погрешности от эталонного времени (на Земле) корректируются на спутниках ежедневно. В каждом GPS приёмнике тоже есть часы, только менее точные (обычно кварцевые).


Так вот, спутник вас не видит и не слышит, поэтому никаких координат (тем более – ваших) он вам передать не может. Вместо этого каждый спутник постоянно передаёт сигнал, в котором зашифровано его точное время и положение на орбите. В принципе, за исключением некоторой дополнительной несущественной информации, это всё, что на самом деле передают навигационные спутники. Поскольку скорость распространения радиоволн (скорость света) постоянна и не зависит от скорости спутника (привет от Эйнштейна №1), по задержке между началом передачи сигнала со спутника и началом получения этого сигнала на приёмнике, можно определить расстояние от спутника до приёмника. Для однозначного определения положения необходимо решить 4 дифференциальных уравнения, геометрическая интерпретация которых похожа на описанную в начале триангуляцию. Только теперь это называется трилатерация (вообще мультилатерация, но это не существенно).


Если на плоскости нам достаточно двух опорных точек для определения нашего положения (на пересечении пеленгов), то в пространстве мы имеем дело со сферами, поэтому нам необходима третья точка (спутник). Пересечение двух сфер даёт круг (и мы можем находиться в любой точке этого круга. Третья сфера даст нам две возможные координаты, при этом одна из них будет заведомо неверной (например, в космосе, под землёй или слишком далеко, чтобы быть правдой), соответственно, вторая точка и будет нашими координатами:

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

В силу того, что GPS использует часы очень высокой точности, её сигналы используются не только для навигации, но и в случаях, где нужна точная синхронизация времени, например, в системах, обслуживающих биржевые торги по всему миру.


Точность позиционирования дополнительно повышается усилиями на Земле. По поверхности планеты (как для GPS, так и для ГЛОНАСС) понатыканы наземные станции дифференциальной коррекции. Они проводят замеры на Земле и обновляют информацию на спутниках, подводят часы, ретранслируют часть служебных сообщений и т. д.


Альманах, эфемериды и A-GPS


Навигационные спутники передают ещё два вида данных — альманах и эфемериды. Альманах – это реестр параметров орбит всех спутников. Каждый спутник передаёт альманах для всех спутников в группировке. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.


В свою очередь, данные эфемерид – это набор очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый GPS спутник передаёт только данные свою собственную эфемериду. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свою эфемериду каждые 30 секунд.


Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включён, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска. Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течении 30 минут, он «поймает» спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфемерид. Это называется «горячий» старт.


Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён «тёплый» старт и GPS приёмник снова начнёт собирать данные. Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый «поиск неба» (повторная инициализация) для загрузки нового альманаха и эфемерид. Это уже будет «холодный» старт.


Чтобы избежать подобных проблем используется технология A-GPS (Assisted GPS), ускоряющая «холодный старт» приёмника. Она так же сильно облегчает работу систем навигации в городских условиях, где приём сигнала может быть затруднён из-за застройки или вовсе невозможен внутри зданий. Кроме того, в силу того, что GPS-приёмник потребляет много энергии, использование A-GPS позволяет экономить заряд батареи.


Идея до банальности проста – сначала ваше месторасположение определяется приблизительно, по триангуляции с базовых станций сотовой связи. Затем с ближайшего сервера A-GPS через сети GSM или по Wi-Fi передаётся обновление альманаха, тем самым снижая время ожидания с 30 до 1 секунды.

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

Помните об этом, когда моментально слышите слова «маршрут построен». Без этой технологии, ждать бы вам пришлось ощутимо дольше.


Казалось бы, всё, но нет…


Теории относительности


Это не опечатка. Их здесь целых две – специальная и общая (привет от Эйнштейна №2).


Казалось бы, всё у нас хорошо, но внезапно мы понимаем, что находимся глубоко в гравитационном колодце Земли, и согласно общей теории относительности, время для нас течёт медленнее, чем время на спутнике. А согласно специальной теории относительности, время на быстролетящем спутнике с нашей точки зрения должно замедляться. Было бы идеально, если бы эти два эффекта взаимно компенсировали друг друга, однако, это не так.

Маршрут построен GPS, Глонасс, Навигация, Гифка, Длиннопост

Кому интересно поиграться, вот проект на Wolfram Alfa.


Как видно на графике эффекты специальной и общей теории относительности компенсируются на высоте примерно 3200 км, а выше побеждает гравитация. Для высоты орбиты GPS, каждую земную минуту часы на спутнике должны убегать на 26,7 наносекунд. Это мало, однако ошибка будет накапливаться. За минуту погрешность позиционирования составит примерно 8 метров, через час, ваш навигатор ошибётся уже на 481 метр, а за сутки набежит 11,5 км!


Без поправок на замедление времени на Земле система была бы абсолютно бесполезной, поэтому атомные часы на спутниках специально спроектированы так, чтобы они шли медленнее, чем их земные аналоги, в точности на те 26,7 наносекунд в минуту, чтобы скомпенсировать погрешность.


Когда воинствующие плоскоземельщики, эфиролюбы, торсионщики и креационисты будут нести вам антинаучный бред, просто посоветуйте им выкинуть их смартфоны, как материальное подтверждение лживой теории относительности, недостойное их гения.


Вот теперь, кажется, всё. Спасибо за внимание

Показать полностью 9

Вскрываем трупы звёзд

cicatrix

Сегодня будем вскрывать трупы звёзд. Слабонервным просьба не читать.

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

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


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


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


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


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


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


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

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

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


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


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

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

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


Белый карлик

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

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


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

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

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


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


Нейтронная звезда


Но предшествует этому событию грандиознейший выброс материи в окружающее пространство.


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

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

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


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

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

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


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


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


Пульсары


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


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


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


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

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

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


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


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

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

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

Показать полностью 8

Правила общежития электронов внутри атома

cicatrix

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


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


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


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


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

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

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


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


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


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

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

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

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

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


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

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

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


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


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


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

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

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


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


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


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


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


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


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


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


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

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

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

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

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

Показать полностью 7

Как выглядит атом?

cicatrix

Неизвестно, кто впервые задумался над тем, что если пилить материю на мелкие части неограниченно долго, то рано или поздно дойдёшь до мельчайшей неделимой частицы. Знаем мы лишь то, что был один Древний грек по имени Демокрит, который в свою защиту на судебном процессе по поводу растраты наследства читал отрывки из своего произведения «Мирострой», за что был почему-то оправдан. Суд посчитал, что деньги были потрачены не зря. Во всяком случае, именно ему мы обязаны тем, что та самая мельчайшая частица теперь называется «атом» (ἄτομος по-гречески «неделимый»).


Вопрос оставался чисто философским ещё 22 столетия, пока в 1803 году англичанин Джон Дальтон, не заметил, что расход вещества в химических реакциях всегда кратен целым числам («Кислород может соединяться с определённым количеством азота, или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества»), что свидетельствовало о том, что всё состоит из мельчайших неделимых кусочков – атомов, причём, он же первый показал, что атомы разных элементов имеют разный вес.


В 19 веке не было телевизора, поэтому люди старательно пытались его изобрести, для этого они занимались странными вещами – они откачивали воздух из стеклянной трубки с запаянными внутрь металлическими пластинами, затем пропускали по ним электричество. Разреженный газ в трубке начинал светиться. Долго думали, что бы это значило. Кто-то говорил, что это «лучистая материя», кто-то – «эфирные волны»…

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Так бы и спорили, пока в 1897 году ещё один англичанин Джозеф Томсон не догадался поставить рядом магнит, и не увидел, что луч отклоняется. Он прикинул, какой массой должна обладать частица, отклоняющаяся на заданное расстояние при известной силе магнита. Оказалось, что она весит в ~1800 раз меньше, чем масса легчайшего известного атома – водорода. Так был открыт электрон – первая субатомная частица. Разумеется, слово атом (неделимый, ха!) менять уже не стали.


Томсон предложил идею сливового пудинга – есть положительно заряженное что-то, а в него понатыканы открытые им электроны:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Тем временем в Германии…


Картинка в первой лучевой трубке (ага, телевизоре) была «не ахти», но это всё равно было лучше, чем ничего, рассудил немец Вильгельм Конрад Рентген, и подставил под катодные лучи руку своего знакомого, получив первый в мире рентгеновский снимок:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Рентген позанимался новой игрушкой год, да и забросил. Интересующимся он отвечал: «Я уже всё написал (про Х-лучи), не тратьте зря время».


Но француз Антуан Анри Беккерель не унимался. Ему пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.


2 марта 1896 Беккерель доложил об этом открытии на заседании Парижской Академии наук, озаглавив свою работу «О невидимой радиации, производимой фосфоресцирующими телами».


«Хм, а это занятно», подумал английский новозеландец (или новозеландский англичанин) Эрнест Резерфорд (по прозвищу «Крокодил», нет, правда, так его называл советский физик Пётр Капица, который у него работал), подумал, да и пропустил радиоактивный поток через магнитное поле:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый цилиндр, 3 — фотопластинка.


На фотографии он увидел, что пучок распадался на три части. Две составляющие первичного излучения отклонялись в противоположные стороны, что указывало на наличие у них зарядов противоположных знаков. Третья составляющая сохраняла прямолинейность распространения. Излучение, обладающее положительным зарядом, получило название альфа-лучи, отрицательным — бета-лучи, нейтральным — гамма-лучи. Но это сейчас не важно. Важно то, что, помимо всего прочего, он дал позабавиться своим лаборантам Эрнсту Марсдену и Хансу Гейгеру (тому самому, которым ещё счётчик назвали) с золотой фольгой, и вот что получилось:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Ждали, что альфа-частицы будут беспрепятственно проходить сквозь фольгу, однако они то и дело отскакивали. Необъяснимое, количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры, в нём сосредоточен значительный электрический заряд и масса атома. Это неспроста, подумал Резерфорд, и начал считать. Получилось, что внутри атома электроны, стало быть, не плавают в положительно заряженном тумане, а болтаются вокруг крохотного ядра. Это было в 1913 году.


Резерфорд продолжал опыты и к 1919 году, стреляя альфа-частицами в воздух, смог доказать, что так или иначе, ядро атома водорода присутствует во всех других атомах. Это была первый задокументированный случай в истории ядерной реакции, проведённой человеком. Поскольку в воздухе полно азота, альфа-частица попадала в атом азота, превращая его в атом кислорода 17. Замечательным было то, что от удара из атома вылетало ещё и ядро атома водорода, который назвали протон (греч. πρῶτος — первый, основной).


¹⁴N + α → ¹⁷O + p


Ну, и именно благодаря Резерфорду мы теперь имеем вот это:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Иначе говоря «Планетарная модель атома», которая устарела, не успев появиться на свет. Но и теперь, спустя 100 с лишним лет, когда кому-то надо нарисовать атом, рисуют вот эти вот три овальчика. В этой модели вокруг центрального и относительно маленького положительно-заряженного ядра подобно планетам вращались отрицательно-заряженные электроны.


Но что-то по-прежнему не сходилось. Атомы имели нейтральный электрический заряд, а если просто сложить массы протонов так, чтобы их заряд уравновешивал заряд электронов, то атомы должны были быть гораздо легче. Это не соотносилось с атомными весами элементов, которые были известны уже под сотню лет, со времён Дальтона.


Интрига тянулась до 1932 года, когда англичанин Джеймс Чедвик подтвердил существование последней составляющей атома – нейтрона, но это уже совсем другая история.


Вообще сам Резерфорд понимал, что не всё так гладко с его моделью. Если б всё было так, то непонятно, почему электрон не падает на ядро, ведь, двигаясь по «орбите» (а это движение с ускорением), электрон должен был терять кинетическую энергию и испускать фотоны…


Тут нужно сказать, что незадолго до этого момента Макс Планк наделал много шума со своими квантами. Он предположил, что свет (электромагнитное излучение) может передаваться не как угодно, а лишь определёнными порциями «квантами». Так он придумал константу имени себя h, которая связывала энергию световой частицы (фотона) с его частотой. Заметили? У частицы появилась частота, как у волны. Ну, и как бы намекнул, что фотон – это и частица и волна одновременно.


На сцене появляется ещё один человек – Нильс Бор, сын банкира, брат серебряного финалиста сборной Дании по футболу на Олимпиаде 1908 г., да и сам футболист. Его рассуждения были просты – надо не отрицать очевидное, а смириться с ним. Раз атом стабилен, значит, электроны, находясь на определённых «орбитах», стабильны и не излучают.

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Слева свет беспрепятственно попал на призму и разделился на непрерывный спектр. Справа сверху свет проходит сквозь облако газа, и спектр получился с тёмными полосками (часть световых волн была поглощена). Снизу газ уже не подсвечивается, по мере того, как газ остывает, мы увидим отдельные цветные полоски – это фотоны, которые излучает остывающий газ. Думаю, все видели, как светится нагретый кусок металла, здесь природа такая же.


Ещё покрутив туда-сюда формулы, Бор так же обнаружил, что электроны могут иметь только такую энергию, при которой их момент импульса равен только целому числу констант Планка. То есть, рассудил Бор, электрон может иметь только определённые, «разрешённые» уровни энергий. Если электрон встречается с фотоном нужной энергии (с нужной длиной волны), он сможет его поглотить и перескочить «вверх» на следующий уровень, а если энергии будет чуть больше или чуть меньше, то ничего не произойдёт. И наоборот, поскольку электрон может перескочить только на «разрешённый» уровень, значит, и отдать он должен фотон лишь определённой энергии (частоты):

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Если посмотреть на спектры эмиссии и поглощения водорода, можно будет рассчитать уровни энергии для всех возможных переходов с уровня на уровень для любого атома. Внизу на картинке – пример с водородом:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Модель Бора отличалась от модели Резерфорда лишь «закреплением» определённых «разрешённых уровней возбуждения, однако объяснить природу подобных запретов она не смогла. Не была эта модель и универсальной: для атомов, похожих на водород, она ещё могла предсказать их строение, которое соотносилась с экспериментальными данными, однако для других атомов, предсказания по модели Бора серьёзно отличались от данных, полученных на спектрометре. А разгадка одна – Бор пользовался классической теорией Максвелла, и не догадался применить квантование на массивные частицы (так как это сделал Планк для фотонов – частиц, не имеющих массы)…


А вот француз Луи Де Бройль смог!


И вот, что он придумал – он сказал, «пусть электрон тоже будет волной»! Тогда получается всё просто, никто электронам ничего не разрешает и не запрещает, просто на «орбите» должно вместиться целое число волн:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

От Де Бройля действительно потребовались чудеса нестандартного мышления, чтобы в то время приписать волновые свойства электрону – явно частице, имеющей массу и заряд. Но и его модель атома страдала той же проблемой – почему отрицательный электрон просто не «падает» на положительное ядро? В рамках классического механики, подобное движение по «орбите» непременно должно было заставить электроны отдать всю свою энергию и упасть.


Ответ стал очевидным в 1926 году для австрийца Эрвина Шрёдингера – наверное, этого не происходит потому, что никаких «орбит» не существует, а электроны не вращаются! Если электроны – это волны, причём такие, которые могут «квантоваться», то есть существовать лишь определёнными «порциями», то почему бы нам не воспринимать вообще ВСЕ известные частицы как волны?


Раз так, нам понадобится какое-то новое уравнение вместо уравнений Ньютона, которое смогло бы помочь предсказать их поведение. Что-то вроде уравнений Максвелла, только для всех частиц!

Мы назовём нашу волновую функцию ψ Мы возьмём полную энергию частицы H, которую назовём Гамильтониан (Hamiltonian) и посмотрим, как она изменяется за время t:

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост

Это уравнение будет содержать все волновые формы частицы. Собственно, это и есть знаменитое уравнение Шрёдингера в его наиболее общей форме.


Внимание, ОБМАН! Картинка с волнистыми траекториями не отражает действительное положение вещей и всё сильно упрощает. Никаких волнистых траекторий электрон на самом деле не описывает. А что же тогда «волнуется», что это за волны такие?


На что немец Макс Борн в том же 1926 году со всей ответственностью заявил: это волны вероятности! Вероятность нахождения электрона в том или ином месте. Здесь необходимо вспомнить отца квантовой механики Вернера Гейзенберга и его принцип неопределённости (ссылка на пост про него) – если вы знаете импульс частицы (куда она летит), вы не знаете, где она находится, если же вы знаете её месторасположение, вы не знаете её импульса. Все промежуточные состояния можно оценить только с определённой ВЕРОЯТНОСТЬЮ.


В конечном счёте мы приходим к неутешительному выводу, атом может выглядеть практически как угодно. На рисунке ниже показаны все возможные конфигурации нахождения электрона в простейшем атоме водорода. Более ярким цветом выделены области, где вы с наибольшей вероятностью сможете найти электрон, однако это не значит, что он там есть.

Как выглядит атом? Наука, Квантовая физика, Атом, История науки, Научпоп, Длиннопост
Показать полностью 12

100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток!

promo спoнсорский пост

Смешные скриншоты переписок или тредов комментариев – классика жанра не только на Пикабу, но во всех интернетах. Коллекционируете забавные, абсурдные или даже немного безумные переписки из чатов? Тогда есть шанс немного подзаработать и поучаствовать в создании нового сериала от кинокомпании Базелевс!


Мамба проводит конкурс: с вас – скриншоты чатов, с Мамбы – призы.


1) 100 000 рублей – за 1 место;

2) 50 000 рублей – за 2 место;

3) 10 годовых vip-подписок на Мамбу – за 3 место.


Но это не главное: по мотивам самых смешных и удивительных скриншотов снимут сериал, посвященный онлайн-общению и знакомствам. Да, чаты в главной роли! Например, такие:

100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост

Как участвовать


Просто сделайте скриншоты незабываемой переписки на Мамбе (только там), предварительно «замазав» фамилию собеседника, если ее видно, и запостите их в эту группу. Ваш пост будет доступен для голосования сразу после модерации. Поспешите: конкурс закончится 29 мая. Подробные правила тут.


Ну а если по какой-то причине вы еще не зарегистрированы на Мамбе, сделайте это по ссылке — и получите три монеты на счет в подарок. Монеты — местная валюта: на эти «деньги» можно три раза поднять свою анкету в поиске, купить 50 показов в разделе «Знакомства», трижды отправить свое фото в «Фотолинейку» или подарить кому-нибудь подарок.


И напоследок лучшие, на наш взгляд, скрины:

100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост
100 тысяч рублей за скриншот и возможность попасть в сериал. Без шуток! Длиннопост

Тоже хочу посмеяться и поделиться скриншотом!

Показать полностью 8
Отличная работа, все прочитано!