#простыевопросы: почему ветер кажется нам холодным?

Температура ветрового потока, вообще говоря, равна температуре окружающего воздуха. Тем не менее, когда дует ветер, мы ощущаем, что нам заметно прохладнее, чем когда ветра нет. Почему так происходит?

Всё дело в том, что наше тело, как правило, теплее окружающей среды. В безветренную погоду оно несколько прогревает прилегающий к нему слой воздуха, который в дальнейшем выступает своего рода теплоизолятором (воздух проводит тепло довольно плохо) и несколько защищает нас от дальнейшего охлаждения как эдакий невидимый плащ.

Но ветер сдувает этот воздушный плащ, и мы оказываемся наедине с воздухом обычной температуры.

Стоит добавить, что пот с нашей кожи также испаряется именно в прилегающий к телу воздушный слой, который таким образом оказывается насыщен влагой сильнее, чем воздух вообще. Это затрудняет испарение с тела новых порций пота и, соответственно, усложняет охлаждение организма таким образом. Ветер, сдувающий "пропотевший" слой воздуха, восстанавливает нормальное испарение и способствует охлаждению.

По этой причине "ветровое замерзание" - особенность лишь теплокровных организмов. Существа, имеющие ту же температуру, что и окружающая среда (насекомые, земноводные и пресмыкающиеся, моллюски) ощущают ту же температуру и в жару, и в холод.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Физика загара: как влияют на процесс Солнце, воздух и вода?

Давайте разберёмся, почему мы вообще загораем? Причина в том, что наш организм не очень любит ультрафиолетовые лучи: они способны вызывать разные нехорошие изменения в биохимии, в частности, в верхних слоях кожи. Сталкиваясь с ультрафиолетом, организм начинает вырабатывать меланин, который обладает свойством поглощать ультрафиолет, защищая таким образом организм от его воздействия.

По сути загар - это процесс выработки "естественного" антидота к солнечному ультрафиолету. Мы как бы приучаем организм к воздействию этого разрушающего фактора, и он начинает бороться с ним, выделяя меланин, и наша кожа темнеет.

То есть, загар вызывается ультрафиолетом. Чем больше ультрафиолета - тем сильнее мы "нагружаем" нашу кожу, тем активнее она борется и тем темнее становится.

Можно, правда, перегрузить: кожа не успеет выработать достаточно меланина, чтобы защититься, и мы получим солнечный ожог. Нет, к загару он отношения не имеет, хотя кожа тоже меняет цвет. Но если тёмная загорелая кожа - признак защищённости от ультрафиолета, то красная обгорелая - признак того, что кожа повреждена.

Вывод №1: интенсивность загара зависит только от количества получаемых солнечных лучей, содержащих ультрафиолет (ну и от индивидуальных особенностей организма вырабатывать меланин).

По этой причине загорать через стекло бессмысленно - оно почти не пропускает ультрафиолет. Жарко вам будет, а вот меланин вы не получите

Ветер, к примеру, на процесс формирования загара непосредственно не влияет вообще: он не оказывает воздействия на солнечные лучи, также он не помогает и не мешает нашей коже реагировать на них, "меланизируясь". И тем не менее, обгореть при ветренной (и вообще прохладной) погоде действительно проще, но сам ветер тут не причём. Причины тут скорее психологические, нежели физические.

Дело в том, что ультрафиолет составляет лишь небольшую часть солнечного излучения: основная энергия этого излучения заключена в видимом и невидимом инфракрасном свете. Последний мы ощущаем как тепло: нам становится жарко, и мы пытаемся спрятаться в тень. Но в тени мы защищены не только от инфракрасных, но и от ультрафиолетовых лучей. Получается, что мы "дозируем" ультрафиолет, ориентируясь на инфракрасное излучение, которое мы ощущаем как тепло (непосредственно ультрафиолет мы не чувствуем, по крайней мере сразу).

Ветер сбивает этот естественный ориентир: он охлаждает нас, и нам кажется, что не так уж много солнечных лучей мы получили. Природная сигнализация не срабатывает, и мы можем обгореть.

То же самое - вода: известно, что в воде загореть и обгореть легче. Дело в том, что вода плохо поглощает ультрафиолет, но зато отлично отводит тепло. Солнечного жара мы не ощущаем, спрятаться в тень нам не хочется, а ультрафиолет тем временем делает своё чёрное дело.

Ну и да, вода действительно способна усилить загар (и "обгар"), если мы говорим об объектах, находящихся над её поверхностью. Дело в том, что поверхность воды отражает от 5 до 15 % падающих на неё солнечных лучей. Отражённое излучение Солнца освещает надводные объекты, работая как "добавка" к прямому облучению. Соответственно, человек, плавающий на поверхности воды на надувном матрасе или чём-то подобном действительно получает больше солнечных (прямых и отражённых) лучей - как и, к примеру, голова плывущего человека.

Кстати, по той же причине можно отлично загореть (и обгореть) зимой в горах: снег хорошо отражает солнечный свет, а холодный воздух не даёт сработать "термической сигнализации".

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Туманность Бумеранг, она же PGC 3074547 - самый холодный известный нам объект во Вселенной: температура газа, из которого сформирована данная туманность, составляет лишь -272 градуса Цельсия, или +1 градус Кельвина - то есть, Бумеранг лишь на 1 градус теплее абсолютного нуля.

PGC 3074547 представляет собой сброшенную "кожу" звезды - её внешнюю оболочку: такое случается при эволюции звёзд, исчерпании ими одних видов термоядерного топлива (например, водорода) и переходе на другой (например, гелий).

Но что сделало это газовое облако таким холодным? В общих чертах, ответ понятен: Туманность Бумеранг, как и все другие планетарные туманности, расширяется, а при расширении все газы охлаждаются. Однако пока неясно, почему именно PGC 3074547 остыла настолько сильно.

Поддержать проект и его автора можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Первые звёзды Вселенной были голубыми

Мы не знаем точно, когда именно зажглись первые звёзды: до недавнего времени общепринятой оценкой было 13,2-13,3 миллиарда лет тому назад (спустя 500-600 миллионов лет после Большого взрыва), сейчас есть свидетельства существования звёзд уже спустя 150-350 миллионов лет, а некоторые говорят о появлении звёзд уже спустя менее 100 миллионов лет.

Одно мы знаем точно: первые звёзды были массивны. Образовываться им приходилось в весьма отличных от сегодняшних условий: без наличия галактик в привычном понимании этого слова из вещества, состоящего практически полностью из водорода и гелия (без более сложных элементов). Успешно эволюционировать удавалось лишь наиболее массивным кандидатам в светила. Учёные полагают, что самые крохотные из звёзд первого поколения (т.н. звёздного населения III) были примерно в 30 раз массивнее Солнца, а преобладали гиганты массой порядка нескольких сотен солнечных.

Чем массивнее звезда, тем она горячее, а чем она горячее, тем более коротковолновое излучение она производит. Излучение первых звёзд по большей части состояло из невидимых для глаза ультрафиолета и рентгеновского излучения. А видимый свет первых звёзд был фиолетово-голубым.

Подобные гиганты обладают ничтожно малым сроком жизни: миллионы лет (против примерно 10 миллиардов для звёзд типа нашего Солнца). В конце своей жизни они взрывались вспышками сверхновых, рассеивая по юной Вселенной созданные в их недрах более тяжёлые элементы. Кроме того, ударные волны от этих космических взрывов создавали области повышенной концентрации межзвёздного газа, создавая более благоприятные условия для формирования следующих поколений звёзд.

Начали появляться менее массивные светила, и Вселенная постепенно начала походить на ту, которую мы видим сегодня.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Гигантские звёзды с массами в сотни масс Солнца, подобные первым звёздам нашей Вселенной, иногда рождаются и сегодня.

Так, самой массивной известной нам звездой является R136a1 в соседней с нами галактике Большое Магелланово Облако: её масса составляет 315 солнечных!

По подсчётам учёных, R136a1 возникла "всего" 300 тысяч лет тому назад, а срок её жизни составит около 2 миллионов лет.

Как и другие массивные звёзды, гипергиганты типа R136a1 заканчивают свою жизнь грандиозным взрывом. Однако механизм этого взрыва существенно отличается от тех, которыми завершается жизнь просто больных звёзд с массой в несколько десятков солнечных. О том, как это происходит, мы поговорим в одной из следующих публикаций. Пока скажем лишь, что такие гипергиганты не оставляют после себя ни нейтронной звезды, ни чёрной дыры, а без остатка рассеиваются по окружающему космосу.

На картинке - сравнительные размеры R136a1 и Солнца.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Термоядерная бомба с массой в сотни Солнц: как умирают космические сверхгиганты

Сверхмассивные звёзды, имеющие массу свыше 130 солнечных (вроде R136a1, весящей как 315 Солнц), довольно необычны по многим причинам. Но самым удивительным является то, как умирают эти гиганты.

О том, чем заканчивается эволюция звёзд, мы с вами уже говорили: менее массивные звёзды превращаются в медленно остывающие крохотные, горячие и сверхплотные белые карлики. Более массивные взрываются во вспышке сверхновой, оставляя после себя нейтронную звезду. Наконец, наиболее массивные звёзды также становятся сверхновыми, а в итоге от них остаётся чёрная дыра.

Сверхгиганты тоже заканчивают свою жизнь впечатляющим взрывом, но происходит он по совершенно другим механизмам, да и итог у него другой: от такой звезды не остаётся никаких «останков» - она просто рассеивается по окружающему космосу! И происходит это из-за процесса, известного как рождение пар.

Рождение пар «частица-античастица» - процесс, обратный аннигиляции. Когда частица и её античастица сталкиваются, то они взаимно уничтожаются, а их масса превращается в энергию по эйнштейновской формуле Е=мс2. При рождении пар всё происходит наоборот: в полях высоких энергий происходит рождение частиц и соответствующих античастиц, причём энергия поля в процессе, наоборот, уменьшается.
Так вот: внутри наиболее массивных звёзд на определённом этапе развития по расчётам возникают условия, в которых рождение пар должно идти с достаточно большой скорости, отбирая у звезды достаточно много энергии. Происходит это благодаря тому, что основная часть энергии в таких звёздах выделяется в виде мощных гамма-квантов, имеющих достаточную энергию для запуска рождения пар электрон-позитрон.

Казалось бы, в результате этого процесса звезда должна остыть, а то и вовсе погаснуть. Но на самом деле всё происходит наоборот.

Вступает в силу такое любопытное свойство звёзд, как отрицательная теплоёмкость: если у звезды каким-то образом отобрать часть энергии, то она… сделается горячее. Происходит так потому, что стабильность звёзд обеспечивается балансом двух сил: гравитации, стремящейся сжать звезду, и внутреннего давления, препятствующего этому процессу. При этом давление определяется внутренней энергией звезды: чем та больше, тем сильнее звезда давит сама на себя изнутри.

Поэтому если внутреннюю энергию звезды уменьшить, уменьшится и давление, гравитация возобладает и начнёт сжимать звезду. А при сжатии газы нагреваются – все газы, включая ионизированную плазму с плотностью выше, чем у любого металла, из которой состоит ядро звезды.

Так что когда в ядрах сверхмассивных звёзд начинается процесс рождения пар, эффективно отнимающий у звезды энергию, та начинает сжиматься и нагреваться. Чем сильнее она нагревается, тем быстрее идут термоядерные реакции, и более того: тем в большей части звезды создаются условия для их протекания. И если в обычных звёздах эти реакции идут лишь в сравнительно небольшом по объёме ядре, то в парно-нестабильных звёздах ими быстро оказывается охвачен почти весь её объём. По сути, звезда взрывается, как гигантская термоядерная бомба!

Внешне это похоже на взрыв «обычной» сверхновой, однако выделяющаяся энергия может быть в десятки и сотни раз больше. Чтобы отделить такие взрывы от обычных сверхновых, придумали даже специальный термин – гиперновая.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Вещества до сверхнизких температур охлаждают с помощью лазеров

Охладить вещество до температур, близких к абсолютному нулю, непросто. Для того, чтобы добиться этого, исследователям приходится идти на немалые ухищрения и применять зачастую парадоксальные методы, одним из которых является так называемое лазерное охлаждение.

Метод использует свойства атомов и молекул вещества поглощать электромагнитное излучение (кванты света, т.е. фотоны) определённых энергий (т.е. длин волн), переходя в возбуждённое состояние. Длина волны света, который поглощается, для каждого вещества своя собственная.

Поглотив фотон и перейдя в возбуждённое состояние, атом через некоторое время излучает его обратно, возвращаясь в базовое состояние.

Обычно энергия поглощённого и излучённого фотона равны. Но физики придумали способы делать так, чтобы энергия излучённого атома была больше энергии поглощённого. Недостающую энергию атому попросту неоткуда брать, кроме энергии его теплового движения. То есть, процесс ведёт к уменьшению тепловой энергии облучаемого вещества.

Главная сложность – придумать, как сделать так, чтобы излучаемая энергия была больше поглощаемой. Для этого используется несколько способов.

Один из них – так называемое доплеровское охлаждение. Как и следует из названия, используется в этом методе т.н. эффект Доплера – свойство, при котором длина волны, набегающей на объект, меняется в зависимости от скорости объекта относительно источника этой самой волны. Вспомните, как меняется звук проезжающего мимо нас автомобиля: когда машина едет в нашу сторону, он кажется выше, а когда он минует нас и начинает удаляться, становится ниже? Точно так же это работает с любой волной, в том числе и со световой: если источник света приближается к нам, то свет кажется нам более коротковолновым, т.е. голубым, а если удаляется – то более длинноволновым, т.е. красным.

И вот как это используют: берут лазер, длина волны которого чуть больше той, которая нужна для перевода данного вида атомов в возбуждённое состояние, после чего направляют на этот лазер поток атомов (молекул) охлаждаемого вещества. С точки зрения атома благодаря эффекту Доплера длина волны лазерного луча уменьшается, т.е. энергия возрастает – и возрастает ровно настолько (так подбираются параметры системы), чтобы она стала равной длине волны на которой атом поглощает фотоны. Что, соответственно, и происходит.
Но при этом реальная энергия фотонов меньше той, которая нужна для перевода атома в возбуждённое состояние. И когда атому приходит время совершать обратный переход, излучая фотон, оказывается, что на это ему нужно потратить больше энергии, чем он поглотил из лазерного луча.

«Обманутому» атому приходится «расплачиваться» энергией собственного теплового движения – чего, собственно, и добивались.
Благодаря доплеровскому охлаждению вещество (предварительно охлаждённное с помощью иных методов) удаётся довести до температур порядка 0,5 кельвина – всего на полградуса выше абсолютного нуля. Другие методы лазерного охлаждения способны давать ещё более низкие температуры – о них мы обязательно поговорим в другой раз.

Разумеется, речь идёт об охлаждении совершенно микроскопических порций вещества, к тому же предварительно охлаждённого иными методами. И применяется это исключительно в научных целях – для исследований в области химии и физики сверхнизких температур. Дело в том, что при таких температурах свойства вещества, атомы и молекулы которого почти не обладают энергией теплового движения, обретают новые и весьма неожиданные свойства, про которые мы тоже обязательно поговорим.

На картинке – «простенькая» установка для лазерного охлаждения вещества.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Прежде чем продолжить разговор о том, как охлаждают вещества до сверхнизких температур, скажем о том, зачем это вообще нужно.

В школе нам рассказывали про принцип корпускулярно-волнового дуализма, т.е. про то, что "свет — это волна и частица одновременно". На самом деле эта трактовка не вполне корректна. Во-первых, корпускулярно-волновой дуализм - свойство не только света, но и всех квантовых (микроскопических) объектов, будь то электрон, протон или другие элементарные частицы. Во-вторых (и в-главных), они не являются "волной и частицей одновременно". На самом деле квантовые объекты - не волны и не частицы, а нечто третье, что в одних экспериментах ведёт себя как волна, а в других - как частица.

Но чем же это третье является на самом деле? Мы этого не знаем - такие объекты слишком малы для непосредственного наблюдения. Однако благодаря изучению свойств вещества, охлаждённого до сверхнизких (сотые, тысячные и миллионные доли градуса) температур мы, возможно, всё-таки сможем преодолеть это затруднение.

Любое вещество состоит из атомов и/или молекул, и все они по отдельности являются квантовыми объектами. Но даже крошечная капелька вещества состоит из неимоверного количества таких объектов: в капле дождя, к примеру, содержится 4 на 10 в 23, или сто тысяч миллиардов миллиардов молекул. Каждая из них движется сама по себе с собственной скоростью, время от времени сталкиваясь с другими молекулами. В результате в капле мы наблюдаем лишь усреднённый результат существования этой колоссальной молекулярной (атомной) популяции. Именно это усреднение при переходе с микроскопического на макроскопический уровень «скрывает» от непосредственного наблюдения «собственные» свойства квантовых объектов.

Но что будет, если мы каким-то образом охладим эту каплю до абсолютного нуля? По определению, при этой температуре энергия теплового движения молекул станет равной нулю. Подчеркнём: энергия теплового движения всех молекул капли станет равной нулю, т.е. станет одинаковой для всех этих молекул. То есть, все молекулы в капле окажутся в одном и том же состоянии. Вся капля в целом превратится в один макроскопический квантовый объект – то самое загадочное третье, которое не волна и не частица. Но только теперь на это третье можно будет непосредственно посмотреть, потрогать его и изучить его свойства!

Вещество, в котором все составляющие его атомы или молекулы находятся в одном и том же энергетическом состоянии, называют конденсатом Бозе-Эйнштейна. И оказывается, что для его получения не обязательно охлаждать вещество строго до абсолютного нуля (что невозможно даже теоретически) – можно ограничиться температурами порядка тысячных (скорее, впрочем, миллионных) долей градуса. А это уже пусть и неимоверно сложная, но в целом решаемая задача: физики уже неоднократно получали конденсат Бозе-Эйнштейна в лабораториях. Правда, речь пока идёт о количествах вещества в миллиарды раз меньших, чем самая крошечная дождевая капля.

Проще говоря, охлаждая вещество до состояния конденсата Бозе-Эйнштейна, мы можем создать макроскопический объект, проявляющий квантово-механические свойства, в иных условиях характерные лишь для объектов микроскопических. Изучая сверхохлаждённые среды, мы можем больше узнать о том, по каким законам на самом деле живёт микромир. Одним из важных вопросов является изучение гравитационных свойств квантовых объектов: гравитация слишком слаба, чтобы реально проявляться в микромире. А вот капельки конденсата Бозе-Эйнштейна её уже «чувствуют»!
Если же говорить о практическом применении, то конденсат Бозе-Эйнштейна в будущем сможет применяться в сверхчутких детекторах различных полей, но что ещё более важно – на его основе можно будет построить квантовые компьютеры, обладающие производительностью в миллиарды раз превосходящей таковую у современных процессоров.

На анимации - примерная иллюстрация возникновения конденсата Бозе-Эйнштейна от канала La Physique Autrement

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Штурм абсолютного нуля: суперохлаждение и оптические пинцеты

Итак, когда мы более ли менее разобрались, зачем нужно охлаждать вещество до температур, близких к абсолютному нулю, продолжим говорить о том, как это делают.

Об одном из способов охлаждения с помощью лазеров, т.н. доплеровском охлаждении, мы уже говорили. Однако на практике он позволяет охладить вещество лишь до десятых долей кельвина, а физикам нужно гораздо ниже. Поэтому доплеровское охлаждение используют лишь как предварительный метод охлаждения образцов, после чего переходят к ещё более сильному колдунству.

Температура – макроскопическое проявление микроскопического процесса движения атомов и молекул, из которых состоит вещество. Собственно, вещество-то и охлаждают для того, чтобы замедлить движение атомов и молекул внутри него. Но теоретически можно пойти и другим путём, уменьшая скорость движения атомов и молекул непосредственно.

Представим себе, что вы можете каким-то образом
«схватить» атом или молекулу и заставить её застыть на месте. Собственно, если вы сделаете это, то вы достигнете своей цели – охладите её до абсолютного нуля. Но как это сделать, ведь атомы и молекулы слишком малы для того, чтобы их можно было схватить?
Оказывается, это возможно, если «хватать» частицы с помощью света.

Известно, что свет оказывает пусть и небольшое, но всё-таки вполне измеримое давление на все объекты, на которые он падает. Мы не ощущаем световое давление солнечных лучей или освещающей нас электрической лампы, хотя и испытываем его. А вот на маленький объект вроде крохотной порции газа достаточно сильное световое излучение может оказать реальный эффект.
Охлаждаемый образец, состоящий из нескольких десятков или сотен тысяч атомов (это ничтожное количество, много меньше миллиардной доли грамма) помещают в фокусе нескольких лазеров, настроенных так, чтобы их совокупное световое давление было направлено в сторону центра образца. Световой поток фиксирует образец – ловит его в своеобразную световую ловушку, которую ещё называют оптическим пинцетом. Таким пинцетом действительно можно «схватить» крошечную порцию вещества настолько крепко, чтобы серьёзно ограничить тепловое движение составляющих его молекул и атомов – а значит, серьёзно уменьшить его температуру.

«Серьёзно» - это до сотых и тысячных долей градуса, однако для нужд физиков этого тоже недостаточно. Поэтому с веществом, охлаждённым с помощью оптического пинцета, нужно поработать ещё немного. Как именно – расскажем в следующем материале.
Кстати, оптический пинцет в основном используют не в физике, а в микробиологии: с его помощью можно оперировать такими мелкими объектами, как отдельные клетки, вирусы или даже молекулы, в первую очередь, молекулы ДНК.
На видео – иллюстрация охлаждения с помощью оптического пинцета от Youtube-канала NASA Jet Propulsion Laboratory

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Штурм абсолютного нуля: магнитное испарение

Мы продолжаем наш рассказ о том, как физики охлаждают вещество до температур, близких к абсолютному нулю, в попытках разгадать тайны квантовой физики. В прошлых материалах говорили о методах, позволяющих охладить вещество до десятых и даже тысячных долей градуса, однако даже столь низкая температура всё ещё недостаточно низка для того, чтобы получить заветный конденсат Бозе-Эйнштейна – квантовую систему макроскопических размеров. Физикам нужно нечто ещё более мощное, и они это нечто придумали.

Решение оказалось неожиданно простым в своём принципе, хотя и довольно громоздким в реализации.

Почему чашка с горячим чаем остывает со временем? Температура – макроскопическое проявление микроскопического процесса теплового движения составляющих вещество молекул: чем быстрее они движутся, тем выше температура. Однако здесь есть важная оговорка: речь идёт о средней скорости движения молекул. На самом деле в любом веществе в любой момент времени есть как более быстрые, так и более медленные молекулы, а также молекулы с самыми разными промежуточными скоростями. Все эти молекулы постоянно соударяются друг с другом, обмениваясь энергией и импульсом, в результате чего скорость одной и той же молекулы со временем может меняться самым разным способом – как увеличиваться, так и уменьшаться.

Так вот: чашка с чаем остывает потому, что у наиболее быстрых молекул оказывается достаточно энергии для того, чтобы преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия и покинуть жидкость, улетев в окружающее пространство. Этот процесс называется испарением. В ходе него жидкость лишается наиболее шустрых молекул, и средняя скорость оставшихся, а значит, и температура вещества в целом, уменьшается.

Для окончательного охлаждения вещества до сверхнизких температур используется тот же принцип. Образец помещают в специальную магнитную ловушку. Сила Лоренца, действующая на помещённый в магнитное поле объект, пропорциональна скорости движения этого объекта. Благодаря этому магнитное поле может «сепарировать» атомы образца, отбирая более быстрые и выбрасывая их за пределы ловушки, в результате чего происходит охлаждение.

Данный метод так и называют – метод испарительного охлаждения, и с его помощью можно охладить вещество уже до миллионных долей градуса.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Эта парадоксальная #квантоваяфизика: кванты, сверхпроводимость и сверхтекучесть

Ключевым отличием квантовой физики от классической является представление о том, что некоторые физические величины могут принимать не какие угодно, а лишь определённые, дискретные значения. К примеру, вы не можете увеличить энергию, потока электромагнитного излучения, на какую угодно величину, а лишь на величину, кратную произведению h, т.е. постоянной Планка, на ν, т.е. частоту этого самого излучения.

То есть, электромагнитное излучение представляет собой не сплошной поток, а набор из определённого количества элементарных «порций» этого самого излучения. Такую «порцию» называют квантом. Квант электромагнитного излучения имеет собственное название – фотон.

Ключевым моментом является то, что система не может излучить или поглотить «полкванта» или «треть кванта» энергии. Изменить её энергию можно лишь на целое число величин его энергии. И это меняет очень многое. Например, приводит к возникновению таких явлений, как сверхтекучесть и сверхпроводимость.

Явление сверхтекучести было открыто в 30-х годах XX века: охлаждённые до сверхнизких температур жидкости теряли вязкость и теплопроводность.

Оба эти свойства жидкостей обусловлены взаимодействием составляющих её атомов и молекул, которые пребывают в состоянии непрекращающегося и хаотического теплового движения. В ходе этого движения они сталкиваются между собой, обмениваясь энергией и импульсом.

Если мы увеличим или уменьшим скорость движения части этих молекул (приведя некий объём жидкости в движение чисто механически, либо нагрев или охладив его), то со временем в ходе обмена энергией с другими молекулами эта энергия из-за соударений между молекулами перераспределится между всеми ними, и жидкость снова станет однородной.

Ну и вот: при температурах в несколько градусов выше абсолютного нуля этот процесс прекращается. Так, как будто молекулы перестали сталкиваться друг с другом, обмениваясь энергией.

Это было бы ещё более ли менее объяснимо при температурах абсолютного нуля. Но почему это происходит ненулевых температурах? Физики терялись в догадках.

Ответ заключается именно в квантовой природе микромира и, в частности, межмолекулярного взаимодействия. Жидкость становится сверхтекучей тогда, когда энергия теплового движения молекул оказывается меньше минимальной энергии квантов межмолекулярного взаимодействия.

Энергия теплового движения молекул оказывается ниже минимальной «порции» энергии, которой могут обменяться частицы при столкновении. А значит, обмен энергией не может происходить и полностью прекращается. Вязкость и теплопроводность исчезают.

Весьма родственную природу имеет ещё одно, куда более известное явление – сверхпроводимость. Но о нём мы подробнее поговорим в следующий раз. Да и сверхтекучесть и парадоксальные свойства сверхтекучих жидкостей заслуживают более подробного рассказа! Например, сверхтекучие жидкости начинают таинственным образом вытекать из сосудов, просачиваясь через мельчайшие поры в их стенках, как это показано в прикреплённом к посту видео.

Сейчас же отметим главное: и сверхпроводимость, и сверхтекучесть – прямые следствия квантовой природы нашего мира и лучшие примеры того, как эта квантовая природа проявляется на макроуровне, доступном непосредственному наблюдению.

Просим поддержать наш канал - разовым пожертвованием или постоянной подпиской на закрытый платный канал "Физика для друзей".

Ядерная магия и радиоактивные долгожители

Доводилось ли вам слышать о химическом элементе под названием унбигексий? Если нет, ничего страшного, этого элемента пока никто не видел. Но очень многие хотят на него посмотреть, ведь он может обладать уникальными свойствами.

Начать придётся немного издалека. Атомные ядра делятся на стабильные и не очень. Нестабильные ядра ещё называют радиоактивными: через какое-то время они меняют свой протонно-нейтронный состав, превращаясь в ядра других элементов.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Количество протонов определяет химические свойства атомов. Собственно, номер элемента в таблице Менделеева – это количество атомов в его ядре: 1 – у водорода, 2 – у гелия, 3 – у лития, 4 у бериллия и т.п.

Кроме того, ядра с равным числом протонов могут иметь разное количество нейтронов. Атомы с равным числом протонов, но разным числом нейтронов называют изотопами этого элемента. Химические свойства у изотопов одинаковы, а вот физические - отличаются.

Некоторые изотопы атома могут быть стабильными в то время, как другие – радиоактивны. Например, атом обычного водорода, не имеющий нейтронов в своём составе, стабилен. Стабилен и его «старший брат» - дейтерий, ядро которого имеет 1 протон и 1 нейтрон. А вот тритий с одним протоном и двумя нейтронами, уже радиоактивен: в среднем через 17 лет один из его нейтронов превращается в протон, а сам тритий – в гелий-3 с двумя протонами и одним нейтроном.

По мере роста числа протонов в атоме, его устойчивость падает. Так, элементы с числом протонов до 82 (свинец) имеют стабильные изотопы. Начиная с 83 номера в таблице Менделеева (висмут) все изотопы являются радиоактивными.

Причём чем больше атомный номер – тем меньше времени живёт самый стабильный изотоп. Так, наиболее стабильный изотоп висмута, висмут-209 с 83 протонами и 126 нейтронами, имеет среднее время жизни порядка 10 в 19 степени лет. У урана (92 протона) наиболее стабильным является изотоп уран-239, среднее время жизни которого составляет 6 миллиардов лет. У дубния со 105 протонами наиболее стабильный изотоп живёт в среднем среднем 44 часа, а у коперниция со 112 изотопами - лишь 30 секунд.

Однако некоторые изотопы тяжёлых атомов живут куда дольше своих более лёгких соседей. Например, у радия (88 протонов) есть изотоп со временем жизни в 2300 лет, тогда как у предшествующих ему франция (87 протонов), радона (86 протонов) и астата (85 протонов) самые долгоживущие изотопы распадаются в среднем за 31 минуту, 5 дней и 12 часов, соответственно.

Дело в том, что определённые комбинации протонов и нейтронов оказываются более стабильными, чем другие. Наиболее стабильными являются атомы, содержащие 2, 8, 20, 28, 50 или 82 протона и/или нейтрона. Эти числа называют магическими. Атомы, в которых число как протонов, так и нейтронов описывается магическим числом, называют дважды магическими, и такие атомы – чемпионы по прочности. В качестве примеров можно привести гелий-4 (2 протона, 2 нейтрона) и кислород-16 (8 протонов и 8 нейтронов).

Существуют и другие магические числа. Например, магическим, вероятно является, вероятно, число 126, а также (для нейтронов) число 184. Дважды магический атом, имеющий такое количество протонов (126) и нейтронов (184), может оказаться чемпионом по стабильности среди сверхтяжёлых элементов: по оценкам, его срок жизни может достигать сотен тысяч лет!

На сегодняшний день самым тяжёлым синтезированным элементом является оганессон со 118 протонами. Пока дважды магический тяжеловес не синтезирован, в научной литературе он фигурирует под «описательным» названием унбигексий – («Один-два-шестой»). И многие учёные по всему миру с нетерпением ждут, когда этот сверхтяжёлый атом всё-таки синтезируют: если прогнозы по его сверхдолговечности подтвердятся, то мы убедимся в правильности ещё одного кусочка наших знаний об окружающем мире.

#переднийкрайнауки

Просим поддержать наш канал - разовым пожертвованием или постоянной подпиской на закрытый платный канал "Физика для друзей".

Эта парадоксальная #квантоваяфизика: принцип неопределённости

Принцип неопределённости Гейзенберга – один из фундаментальных законов квантовой физики, делающих её такой странной и иногда парадоксальной с «бытовой» точки зрения.

Наиболее популярное его определение гласит, что невозможно одновременно точно измерить координату частицы и её скорость.

Вообще говоря, такое определение не совсем верно и даже совсем неверно. Во-первых, речь там идёт не о скорости, а об импульсе, который в квантовой механике определяется несколько иначе, чем это происходит в классической физике. Во-вторых, принцип неопределённости касается не только координаты и импульса, но и вообще двух любых пар величин, описываемых т.н. некоммутирующими операторами: например, невозможно также одновременно точно измерить ток и напряжение, энергию системы и время, которое она пребывает в состоянии с данной энергией, и так далее.

Но вернёмся к самому известному случаю: координате и импульсу (скорости).

Оказывается, что если мы определим их с точностью до некоторых интервалов Δх и Δp, то произведение Δх и Δp не может быть меньше, чем половина постоянной Дирака. Проще говоря, если мы определили координату объекта с точностью до Δх, то импульс (скорость) мы не можем определить точнее, нежели ħ/2 Δх, где ħ – та самая постоянная Дирака, и наоборот.

Постоянная Дирака – весьма небольшая величина, равная 6,6 на 10 в -16 степени. Проще говоря, если мы определили скорость частицы с точностью до одной тысячной метра в секунду (вполне приемлемая точность для макроскопического мира), то её координату оказывается возможно определить с точностью до 10 в -13 степени метра, то есть до десятимиллионной доли микрона. В реальной жизни с подобной точностью измерений мы не сталкиваемся, обычно оперируя в лучшем случае долями миллиметра и сотыми долями метра в секунду, и потому принцип неопределённости в привычных нам условиях себя не проявляет. Но когда мы имеем дело с атомными масштабами, учитывать его уже надо.

Что это меняет? Очень многое. Вспомните классическую школьную задачу про велосипедиста, который в некий момент времени выезжает из точки А в точку В, двигаясь со скоростью V. В квантовой механике поставить задачу таким образом в принципе невозможно. Определив, что в указанный момент времени велосипедист находится точно в точке А, мы задали его координату с абсолютной точностью, а значит, мы лишились возможности хоть что-либо сказать о его скорости!

Поэтому в квантовой механике задачи подобным образом не формулируются. Вместо «объект находится в точке А», в квантовой механике обычно говорят о «вероятности обнаружить объект в точке А», а вопрос задачи «через какое время t велосипедист прибудет в точку В?» на языке квантовой механики будет звучать «с какой вероятностью мы обнаружим велосипедиста в точке В спустя время t?».

Здесь нужно сделать важную оговорку. Погрешности при определении величин свойственны не только квантовой физике – вспомните хотя бы школьные лабораторные работы, где тоже обязательно считают погрешность измерения. Но там погрешность связана с несовершенством используемых измерительных приборов. Погрешность же, задаваемая соотношением неопределённостей, носит принципиально иной характер: её нельзя устранить, использовав более чуткие методы измерения.

Иными словами, дело не в том, что мы по каким-то причинам теряем возможность более точно измерить скорость объекта по мере того, как увеличиваем точность измерения координаты. Дело в том, что эта скорость сама по себе становится менее определённой, способной изменяться в более широких пределах в зависимости от того, насколько чётко фиксируется условиями наблюдения координата.

Всё это звучит довольно странно и непривычно. Тем не менее, принцип неопределённости работает: его прямыми следствиями являются некоторые реально наблюдаемые даже на макроскопическом уровне эффекты, причём без некоторых из них само возникновение жизни на Земле было бы невозможным. Но об этом – в следующих публикациях.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

​​Наше Солнце светит потому, что #квантоваяфизика такая странная

Недавно мы с вами говорили о таком фундаментальном законе природы, как принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает точно определить координату и скорость объекта. Из этого принципа имеются несколько важных следствий, некоторые из которых жизненно важны для нас с вами в прямом, буквальном смысле слова.

Например, важнейшим следствием принципа неопределённостей является т.н. туннельный эффект.

Представим себе ситуацию: человек бросает камень, пытаясь перебросить его через стену известной высоты. Если скорость, с которой он бросает камень, будет достаточно велика, камень перелетит стену и упадёт с другой стороны. Если нет – камень ударится об стену и останется с той же стороны, что и бросающий человек.

Результат броска точно зависит от скорости броска и однозначно определяется ею: камень или перелетит стену, или нет. Физики говорят, что данная механическая система детерминирована.

В квантовой механике из-за принципа неопределённости всё происходит немножко иначе.

Действительно, коль скоро мы с некоей точностью задали положение бросающего камень человека (по крайней мере, мы знаем, с какой стороны стены он находится) мы одновременно сделали отчасти неопределённой скорость, с которой он бросает камни. То есть, скорость камня при каждом конкретном броске может быть как больше, так и меньше некоей усреднённой скорости, определяемой силой мышц бросающего. А значит, как это и происходит обычно в квантовой механике, решение задачи перестаёт быть детерминированным и становится вероятностным.

Некорректно говорить о том, перелетит ли камень стену или нет, но можно говорить о вероятности того, окажется ли он по ту сторону её или останется на этой.

И вот тут возникает очень важный момент: даже если средняя скорость, с которой человек бросает камни, недостаточна для того, чтобы те перелетели через стену, иногда получается так, что некоторые из них всё-таки перелетают через неё! Это происходит из-за той самой случайной «прибавки» с скорости, которую камни получают из-за принципа неопределённости.

Явление, в результате которого частицы оказываются способны проникнуть за преграду, которую они, вообще говоря, преодолеть неспособны, называют туннельным эффектом.

Туннельный эффект широко используется в современной электронике (применяется, например, в транзисторах и разновидностях диодов, которые так и называются - туннельными). Однако, пожалуй, самым главным следствием туннельного эффекта является сама возможность протекания термоядерных реакций внутри нашего Солнца.

Как известно, источником энергии Солнца является энергия, выделяющаяся в результате слияния ядер атомов водорода, из которого Солнце по большей части состоит. Но чтобы слиться, ядрам атомов нужно преодолеть электрическое отталкивание, вызванное тем, что состоящие из протонов ядра имеют одинаковый (положительный) заряд. В наших терминах, ядрам нужно «перелететь через стену», только в данном случае «стена» имеет электрическую природу и называется кулоновским барьером.

Так вот: оказывается, что температуры в ядре Солнца таковы, что скорости теплового движения атомов оказывается недостаточно для того, чтобы преодолеть кулоновский барьер. И термоядерные реакции внутри нашего светила должны были бы быть невозможны. И лишь благодаря туннельному эффекту атомным ядрам время от времени удаётся перебраться через барьер и вступить в термоядерную реакцию. То есть, наше Солнце светит благодаря тому самому принципу неопределённости Гейзенберга!

До открытия туннельного эффекта учёные долгое время не могли определить, почему Солнце светит, ведь с точки зрения классической физики оно делать этого не должно!

Будь физика такой простой, как это казалось Ньютону или Максвеллу, Солнце никогда не зажглось бы, а Земля, даже если бы и сформировалась, была бы всего лишь безжизненной ледышкой.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Вращаются ли электроны вокруг атомного ядра?

Спойлер: нет.

Атом часто изображают картинками вроде той, которая иллюстрирует данный пост: вокруг состоящего из протонов и нейтронов ядра, как планеты вокруг звезды, вращаются электроны. Такие картинки привычны, но не слишком корректны с физической точки зрения.

То, что изображено на картинке, достаточно точно иллюстрирует т.н. планетарную модель атома, предложенную в 1911 году Резерфордом. Однако резерфордовская модель продержалась всего два года, уступив место модели, сформулированной Бором в 1913 году. Причём ключевой проблемой планетарной модели стали именно эти самые электроны.

Из электродинамики мы знаем, что любое заряженное тело, движущееся с ускорением, излучает электромагнитные волны, теряя при этом кинетическую энергию. Если бы электроны действительно вращались вокруг атомного ядра, они должны были бы постоянно излучать энергию, замедляясь при этом, и очень скоро упали бы на поверхность ядра. Проще говоря, атомы в резерфордовской модели могли бы существовать лишь ничтожные доли секунды, чего не наблюдается.

И не наблюдается именно потому, что «вращения» как такового нет. Атом – квантовый объект, подчиняющийся законам квантовой механики. А в квантовой физике мы (хотя бы из соображений принципа непределённости) вообще не очень-то говорим о траекториях и тому подобном.

Вместо понятия орбиты, как в планетарной модели атома Резерфорда, квантовая теория атома оперирует понятием орбитали – некоей области пространства вокруг атомного ядра, в которой вероятность обнаружить электрон существенно выше, чем вне её – в строгом соответствии с представлениями квантовой механики, которая вообще избегает фраз типа «это находится здесь», предпочитая формулировки вроде «вероятность найти это в данной области пространства равна тому-то».

А раз мы не можем говорить о траекториях, то и о вращении тоже говорить не приходится, да и не нужно.

#квантоваяфизика

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

#простыевопросы: почему влажные дрова не горят?

Для правильного ответа на этот вопрос важно понимать: горит, строго говоря, не древесина, горят газообразные вещества, выделяющиеся из древесины при её нагревании. То есть, для того, чтобы дрова разгорелись, их сначала надо нагреть до определённой температуры.

А нагреть до нужных температур влажные дрова из-за наличия в них воды куда сложнее. Дело в том, что теплоёмкость воды примерно в 10 раз больше теплоёмкости древесины. Пропитавшая дерево вода эффективно поглощает тепло, которое мы подводим к материалу, мешая тому достигнуть нужной температуры. Кроме того, нагреваясь, вода начинает испаряться, на что расходуется тепловая энергия. Это тоже отбирает подводимое к разжигаемому материалу тепло и мешает огню разгораться.

Если тепла достаточно (например, в уже разгоревшемся костре), то и сырые дрова прекрасно разгорятся. Однако разжечь костёр, имея на руках только сырые дрова - целое дело.

Кстати, по той же причине даже сухое толстое бревно нельзя разжечь от одной спички: тепло, которое даёт спичка, просто "рассеется" в материале бревна, не нагрев его до нужной температуры. Поэтому при разведении костра используют тонкие щепочки, обладающие меньшей массой.

Кстати, дерево обладает достаточно низкой теплопроводностью, из-за чего тонкие щепки загораются довольно легко, даже если имеют существенную совокупную массу: тепло не успевает распространиться по материалу достаточно быстро, и в точке подвода тепла удаётся успешно достичь нужной температуры даже при невысокой мощности нагрева. Это явление используется, например, в спичках: когда головка спички горит, ножка её остаётся достаточно холодной для того, чтобы её можно было держать в руках.

Поддержать проект можно здесь. Кроме того, вы можете подписаться на платный канал "Физика для друзей".

Кстати, поддержать наш канал можно в том числе и перечислив донаты на криптовалютные кошельки:

usdt: 0x0c6bcf756e07c7445b2d7b31d883f3b60e9b44a4 usdt

Биткоин: 32rbuCocDcoTjAeDfNPojvh6VToNGizfB7

Эфир: 0xdb67b745df350c38e0212cd59ff6076d8081cf34

На картинке - эмиссионная туманность NGC 2З59, она же Шлем Тора. Туманность представляет расширяющиеся внешние оболочки очень большой и горячей звезды в её центре, освещённые светом этой же звезды.

Кстати, некоторые предпочитают называть её туманностью Утки, что, конечно, куда менее пафосно.