30 юни 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Загадките на вакуума

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 17 май 2022 в 00:01 135510
Квантови флуктуации във вакуума. Кредит: Wikimedia Commons

„Природата не търпи вакуум“ - вероятно сте чували тази фраза в една или друга версия. Това е вярно до известна степен, особено в границите на нашата планета и за това, което може да видим в ежедневието си.

Вакуумът, който имате предвид, е празнота - пълно отсъствие на материя, това е класическото определение за вакуум. Но това, което обикновено наричаме „вакуум“, не е точно празно.

Полета

Първото нещо, през което трябва да се изясни, е концепцията за поле. Най-познатото вероятно са гравитационното поле, това, което ни кара да останем на Земята, и електрическото поле, което помага енергията да достигне нашия дом.

В квантовата механика полетата са много сложни. Квантовите физици не разглеждат света като съставен от частици, а виждат всичко като полета, чиито взаимодействия се комбинират, за да произведат това, което наричаме частица. Нещата стават още по-трудни, когато разберем, че вакуумът дори и да е „нищо“, полето осцилира в квантови мащаби

Квантовата теория на полетоИздутината в зеленото поле е възбудената частица каон, а двете издатини в синьото поле са възбудените пиони. Веднага след прехода каон > два пиона, двата пиона са на едно и също място по едно и също време, но те бързо се разделят, защото един квант каон има повече маса и енергия, отколкото два кванта пиони, така че движението на пионите допълна разликата. Кредит: coffeeshop physics, преведе и преработи: bgchaos

Според квантовата механика вакуумът не е просто празно пространство, а по-скоро място с възможно най-ниска енергия, където все пак се появяват и изезват мимолетни електромагнитни вълни. Тези флуктуации могат да станат достатъчно високо енергийни, за да се появи частица.

Квантовата теория на полето Анимация на математически модел на флуктуации на енергийната плътност на глуонен вакуум.

Centre for the Subatomic Structure of Matter (CSSM) and Department of Physics, University of Adelaide, 5005 Australia

Copyright © 2003, 2004

Тази анимация е включена в лекцията на проф. Франк Вилчек по случай връчването му на Нобеловата награда през 2004 г.

Нулева енергия

Ключова концепция в квантовата механика е принципът на неопределеността на Хайзенберг, който гласи, че не може абсолютно точно да се предскажат всички физически параметри на една частица. Самият Хайзенберг го описа така:

„Никога не може да се знае с перфектна точност и двата важни фактора, които определят движението на една от най-малките частици – нейното положение и нейната скорост. Невъзможно е да се определи точно както позицията, така и посоката и скоростта на частица в един и същи момент."

Според принципа на неопределеността една система не може да бъде абсолютно неподвижна, защото тогава ще се знае нейната скорост и тъй като тя не се движи, ще се знае и нейната позиция. Така че частиците винаги трябва да се колебаят - дори при абсолютно нулева енергия. Винаги има някаква енергия, тя всъщност никога не е нула.  

За микроскопичните явления (в случая става дума само за микроскопични) има специфични енергийни нива, които могат да се случат - частицата е или на едно енергийно ниво, или на следващото, не може да е между тях. Може да си представим енергийните нива като стълба: може да сте стъпили на едно стъпало или друго, а не между тях. Има и най-ниско ниво на енергия за квантовия хармоничен осцилатор - което никога не е нула.

Едно твърдо тяло може да се представи като мрежа от частици, свързани с въображаеми пружини като система от свързани осцилатори. Кредит: University of British Columbia

Ефект на Казимир

Начинът, по който можем да измерим най-ниската възможна енергия в макроскопичния свят, е чрез силите на Казимир. Хендрик Казимир предсказва  привличането между две метални неутрални плочи във вакуума. Това е контраинтуитивно, знаем, че противоположните заряди се привличат и подобните се отблъскват, как това може да доведе до привличане?

Преди тази идея физиците са знаели за взаимодействието между две неутрални структури (атоми или молекули), наречени сила на Ван дер Ваалс. Това е възможно, стига зарядите в структурата да могат да бъдат подредени така, че да образуват полярност, както при нашите батерии, които имат положителен и отрицателен полюс. Тази връзка не е твърда, а е много еластична, когато един атом се избута надолу, друг се изтегля нагоре. Тези трептения създават поле, коетп може да накара неутралните атоми да се привличат един друг.

Две успоредни плочи взаимно се привличат една към друга от силата на Казимир. Кредит: Wikimedia Commons.

През 1958 г. Маркъс Спарнай публикува резултатите от експеримент за измерване на силата на Казимир. Той използва две огледала, идеално успоредни едно на друго, разделени от 0,000001 метра, защото силата на Казимир е твърде малка, за да бъде открита на по-големи разстояния. За да направят огледалата неутрални, те трябваше да се докосват. 

По-сложен експеримент е проектиран през 1997 г. от Стив Ламоро, който използва сфера и плоча, които са много по-лесни за подравняване, вместо да се опитват да направят две огледала идеално подравнени. Сферата е леща с диаметър 4 см, изработена от кварц, боядисан с метален материал, и плочата е от същите материали. Експериментът демонстрира, че силата на Казимир кара сферата и плочата да се привличат, а измерването показва, че теорията е вярна.

Космология

Странността на вакуума има отражение и върху най-гигантските космически мащаби. Счита се, че енергията на вакуум в космологичен планпредставлява космологичната константа, въведена от Айнщайн. Той е вярвал, че Вселената е статична, така че трябва да има някаква константа, добавена към уравненията на полето на Айнщайн, за да остане Вселената статична. Само че Вселената не е статична - тя се разширява и то с ускорени темпове.

С тъмната енергия - нещо, което има "отрицателно налягане", напълно контраинтуитивен процес тук на Земята, би могло да се обясни защо Вселената продължава да се разширява все по-бързо, въпреки гравитационното привличане на обектите.

Един от начините за измерване на скоростта на разширяване на Вселената днес, чиято мярка е константата на Хъбъл (обозначавана като Ho), е да се разгледат близките пулсиращи звезди, наречени цефеиди, при които има ясна връзка между периода на пулсация и светимостта. Благодарение на това свойство учените могат да определят разстоянието до подобни звезди и да изчислят колко бързо се отдалечават от нас. Последно въз основа на последните наблюдения на 70 цефеиди в Големия Магеланов облак екип от астрономи успя да установи, че константата на Хъбъл е Ho = 74,03 km/s/Mpc (километра в секунда на мегапарсек (единица дължина в астрономията). Това означава, че за всеки 3,3 милиона светлинни години, отдалечавайки се във Вселената, една галактика се отдалечава от нас по-бързо с малко над 74 км/сек.

Тази илюстрация показва трите стъпки на астрономите при измерването на скоростта на разширяване на Вселената с безпрецедентна точност. Източник: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU) Кликнете за по-голямо изображение

Стойността на константата на Хъбъл в ранната Вселена, преди около 13 милиарда години, от друга страна, се измерва по различен начин, а именно с помощта на европейската космическа обсерватория "Планк", която измерва космическото микровълново фоново излъчване, наричано и реликтово лъчение, CMB, остатък от Големия взрив. И тя бе определена преди няколко години на стойност Ho = 67.4 km/s/Mpc, което е с 9% по-бавно от сегашното разширение.

Концепцията за вакуумна енергия от физиката на елементарните частици, когато се прилага към физиката, която описва космологичните скали, която е Общата теория на относителността, има по-голяма стойност от наблюдаваната от космическото микровълново фоново излъчване - така че има още много да се прецизира тази теория, защото разликатата е реална и не е статистически шум.. 

В крайна сметка големият въпрос е как да свържем квантовата скала с макроскопичната. Изглежда странно, но за да разберем най-големите неща във Вселената, трябва да разберем и най-малките неща във Вселената. Или, казано по друг начин, за да разберем нищо, трябва да разберем всичко.

Източник: Nothing to talk about: the many mysteries of vacuums, ZMEScience


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.