Atlikta spektroskopija kvantinių neutronų lygių gravitaciniame Žemės lauke. • Jurijus Erinas. • Mokslo naujienos apie "Elementus". • Fizika.

Kvantinių neutronų lygių spektroskopija gravitaciniame Žemės lauke

Pav. 1. Grafikai, skirti modulių kvadratui bangos funkcijų neutrono, esančio gravitaciniame lauke Žemės (vektoriusg rodo šio lauko jėgos linijų kryptį) virš sklandaus, horizontalaus, elastingai atspindinčio dalelių veidrodžio. Šios funkcijos atitinka tikimybę aptikti neutroną tam tikru aukštyje.z virš veidrodžio. Abscisos ašis (punktyrinės linijos) atidėjo tikimybę rasti daiktą tam tikrame aukštyje. Šoninės smailės grafikai rodo labiausiai tikėtiną neutrono padėtį ant ašiesz (laikoma vienmačio geometrija), jie taip pat nustato energijos lygių išdėstymo aukštį. Kiekvienas energijos lygis atitinka savo rūšies bangų funkciją (arba jos modulio kvadratą, kaip parodyta čia). Pavyzdžiui, 4-asis (n = 4) neutronų energijos lygis yra 37 m aukštyje virš veidrodžio, o jo energija šioje kvantinėje būsenoje yra 4,1 peV (pico elektronas-voltas, 10-12 eV). Panašus vaizdas vyksta ir kitais lygmenimis. Paveikslas iš V. V. Nesviževskio ir kt. Kvantinės būklės neutronų Žemės gravitaciniame lauke

Būdingas kvantinės dalelės skirtumas iš jo klasikinio analogo yra tas, kad lauko veikimo zonoje jis gali priimti atskirą (ir nepertraukiamą) energijos verčių rinkinį.Šis efektas vadinamas energijos lygių kvantavimu. Jo garsiausia manifestacija yra elektronų būsenos atomyje, kurie kyla branduolio elektromagnetiniame lauke. Kvantinės energijos lygis dalelėje taip pat gali būti formuojamas gravitaciniame lauke, tačiau dėl savo ypatingo silpnumo eksperimentiniais būdais buvo įmanoma įrodyti jų egzistavimą tik 2001 m. Dabar mokslininkų komanda iš Austrijos, Prancūzijos ir Vokietijos pavyko atlikti spektroskopiją kvadrato energijos lygių dalelių gravitaciniame lauke – jie sukėlė ir aptiko ultragarsinių neutronų perėjimus iš vieno lygio į kitą.

Bet kokios mąstomosios dalelės (objekto, kūno) judėjimas makroskopiniame pasaulyje aprašomas klasikinės fizikos lygtyse, išplaukiančių iš antrojo Niutono įstatymo. Šių lygčių sprendimai nustato dalelių vietą ir energiją, kurią ji turi tam tikrame kosmoso taške. Pačiam judėjimo takui priklauso dalelių savybės (masė, krūvis ir tt, priklausomai nuo to, kur juda dalelė) ir lauko, kuriame jis yra, potencialas. Lauko potencialas yra energijos charakteristika, rodanti jo poveikio dalelę, kuri yra šio lauko įtakos srityje.Lauko šaltinis gali būti kita dalelė (arba dalelių, objektų, kūnų grupė), veikianti tam tikroje dalelėje per vieną ar daugiau iš keturių žinomų tipų pagrindinių sąveikų – gravitacinių, elektromagnetinių, stiprių ir silpnų.

Iš lygčių sprendimų matyti, kad dalelių proceso metu energija pasikeičia nepertraukiamai, ty nėra dalelių uždraustų reikšmių. Energetika priklauso tik nuo konkrečių dalelių savybių ir nuo to, kaip arti jos lauko šaltinis.

Leiskite paaiškinti aukščiau Saulės sistemos planetų pavyzdžiu. Jų judesį valdo saulės gravitacinis laukas (jei neatsižvelgiama į kitų planetų trukdančius padarinius). Saulė yra lauko šaltinis. Kuo planeta yra artimesnė saulei, tuo mažiau energijos ji turi. Jei pradėsime hipotetinį planetų judėjimą iš orbitų, pašalinsime juos iš Saulės ar, atvirkščiai, priartinsime juos, tada dangaus kūno energija nuolat keičiasi.

Visai kitaip, situacija yra mikroskopiniame pasaulyje, kur dauguma klasikinės fizikos įstatymų nebegalioja, o kvantavimo mechanikos lygtys atsiranda. Čia antrojo Niutono įstatymo analogas yra lygtis Šriodingeris.Jei makroskopinės dalelės judėjimo charakteristikos apskaičiuojamos jų koordinatėmis, tada mikroskopiniams (kvantiniams) objektams pagrindinis parametras yra vadinamasis sudėtingas kiekis – bangos funkcija. Jo fizinė prasmė atspindi skirtumus tarp klasikinės ir kvantinės fizikos. Jei pirmuoju atveju dalelės koordinatė yra griežtai apibrėžta, tuomet mikroskopiniame pasaulyje bangos funkcijos modulio kvadratas parodo tik tikimybę, kad jis yra erdvėje su tam tikra iš anksto nustatyta koordinate. Sprendžiant Schrödingerio lygtį tam tikram lauko potencialui, mes galime rasti dalelių bangų funkciją ir apskaičiuoti energiją, kurią ji turės tam tikrame taške erdvėje.

Ir čia yra kitas skirtumas tarp makroskopinių ir mikroskopinių pasaulių. Kosmoso judėjimo dalelių energija nuolat nesikeičia, bet yra diskretaus pobūdžio. Kitaip tariant, dalelė gali priimti tik griežtai apibrėžtą energijos vertybių rinkinį arba, lygiaverčiai, būti griežtai apibrėžtose energijos lygiuose, ty stebima dalelių energijos lygmens kvantavimas.Kiekvienas lygis turi savo sekos numerį, savo energetinę vertę ir bangos funkciją, o maksimalus šios funkcijos modulio kvadratas (didžiausia tikimybė) lemia energijos lygį erdvėje. Lygio energijos priklausomybė nuo jo skaičiaus nustatoma dalelių (masės, krūvio ir kt.) Charakteristikomis ir jame veikiančiu lauko potencialu.

Paimkite, pavyzdžiui, mikroskopinį objektą – atomą. Mokyklos fizikos kursas sako, kad atomo elektronai gali būti tik tam tikruose orbituose ar lygiuose, kurių energija yra atvirkščiai proporcinga jų skaičiaus kvadratui. Toks santykis gali būti gaunamas tik iš lygtys Schrödingerio, jei mes pirmiausia prisimename, kad neigiamos įtampos elektronai esant atomai yra laikomi dėl elektrostatinės sąveikos tarp jų ir teigiamai įkrauto branduolio, ty elektronų judėjimas atomai yra kontroliuojamas elektrostatinio lauko potencialu. Dabar mes panaudojame šio lauko potencialą, pakeiskime jį į lygtys Schrödingerio, ją išspręskime ir surasime energijos paskirstymą lygiuose kartu su bangų funkcijomis, kurių modulio kvadratas bus informacijos apie šių lygių vietą.

Norint sužinoti, kaip elektronų energetiniai lygiai bus kvantifikuojami vienodame magnetiniame lauke, turime pasinaudoti savo potencialu ir išspręsti lygtys Шредингера. Taigi gaunami Landau lygiai, gerai žinomi kietojo kūno fizikoje. Panašiai galima paaiškinti, kodėl atskiri branduoliai, turintys neutronų ar protonų magišką skaičių (tai yra 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), yra stabiliausi. Tam reikia pakeisti vadinamąjį Woods-Saxon potencialą į lygtys Шредингера.

Energetinių lygių kvantavimas aukščiau paminėtose sistemose yra tas faktas, kurį jau seniai įrodė daugybė eksperimentų. Pavyzdžiui, energijos lygis ato- moje yra patvirtintas spektro linijomis, atspindinčiu elektronų perėjimą iš žemesnio lygio (lygis su mažesniu skaičiumi) į viršutinį (su didesniu skaičiumi), jei jis sugeria energiją, reikalingą šokui iš išorės, arba, atvirkščiai, daro atvirkštinį judėjimą, atsikratyti iš perteklinės energijos fotono forma. Fizikos laukas, kuris aptinka šiuos perėjimus įvairiose sistemose su atskiru energijos lygiu, yra vadinamas spektroskopija.

Taigi bet kokiam potencialui, kvantinė dalelė gali turėti atskirą lygių rinkinį, ir šią diskretiškumą galima išbandyti praktikoje. Tiesa, nes gravitacinė sąveika yra daug silpnesnė nei stipraus ir labiau elektromagnetinio sąveikos, šių lygių energija yra labai maža (taip pat ir atstumas tarp jų). Todėl ilgą laiką dalelių lygis gravitaciniame lauke buvo deklaruotas tik ant popieriaus.

Eksperimentinio patikrinimo nebuvimas taip pat paaiškinamas tuo, kad sunku pasirinkti objektą, skirtą stebėti energijos kvantavimą gravitaciniame lauke. Visų pirma, šis objektas turi būti įkrautas, kad jo neturėtų įtakoti elektriniai ar magnetiniai laukai, o ne "parazitinis" energijos lygmens kvantavimas iš jų. Galiausiai, norint, kad energijos lygis vyktų, būtina apriboti objekto judėjimą iš apačios, nes gravitacija neišvengiamai ją ištrauks ir neleis kvantuoti energijos.

Kaip paaiškėjo, labiausiai tinka šiam tikslui pritaikyti neutronai su labai maža kinetine energine verte (vadinamieji ultrakoldieji neutronai).Ypač žema dalelių temperatūra leidžia jiems "judėti" į "atskirti" energijos lygį, o eksperimentuotojai – stebėti kvantavimo fenomeną, neatsižvelgiant į poveikį, susijusį su šilumos svyravimais.

Pav. 1 pavaizduotas bangos funkcijos (tikimybės būti) neutrono modulio kvadratas Žemės gravitaciniame lauke virš elastingą atspindintį veidrodį tuo atveju, kai dalelė turi vieną lygį, du lygius ir tt Galima sakyti, kad funkcinė grafika apibrėžia horizontalaus neutronų srauto erdvinį pasiskirstymą su daugybe dalelės.

Pirmasis eksperimentas, kurio metu buvo galima aptikti kvantines neutronų būkles gravitaciniame lauke, 2002 m. Buvo atliktas Laue-Langevin institutu (Grenoblis, Prancūzija). Pav. 2 parodyta montavimo schema, dėl kurios tapo įmanoma. Eksperimentas buvo toks: ultramodulinių neutronų spindulys, plaukiantis maždaug 10 m / s greičiu, praėjo per kolimatorių, kurio paskirtis – išlyginti dalelių srautą, verčia juos judėti tik horizontalioje kryptimi. Tada neutronai nukrito į siaurą atotrūkį tarp lygiagrečio veidrodžio iš apačios ir grubus sklaidytuvo paviršiaus iš viršaus.Kadangi dėl gravitacijos horizontalioji spindulys nukrenta, buvo naudojamas lygus veidrodis judesiui apriboti, elastingai atspindėdamas neutronus atgal į tarpą ir tokiu būdu sukeldamas atskirą energijos lygį, ty kiekybinį jų kiekį.

Pav. 2 Eksperimento nustatymo schemos brėžinys nustatant kvantines neutronų būkles gravitaciniame lauke. Ultrakartinių neutronų srautas, einantis per kolimatorių (kolimatorių), juda griežtai horizontalia kryptimi. Gravito poveikis pavers horizontalias daleles trajektorijas paraboliniais (jie parodyta kietos linijos) Dėl siauros atotrūkio tarp tolygų veidrodėlių (apatiniai veidrodžiai) ir grubiosios sklaidytuvo (absorberio) neutronų judėjimas, be klasikinių trajektorijų, taip pat įgauna kvantinį komponentą (punktyrinės trajektorijos) Priklausomai nuo to dydžio, kurio dydis yra reguliuojamas, vertikalus neutronų pasiskirstymas aprašomas funkcijomis, kurių diagramos parodytos fig. 1. Detektorius registruoja šį platinimą. Tai įrodo tai, kad yra neutronų kvantinės būsenos. Paveikslas iš V. V. Nesviževskio ir kt. Kvantinės būklės neutronų Žemės gravitaciniame lauke

Kadangi lygių skaičius didėja didėjant aukščiui, tuo pat metu artėja prie jų, neutronų judėjimas taip pat turi būti ribojamas aukščiau. Šiuo tikslu, eksperimento virš veidrodžio, taip pat yra įrengtas sklaidytuvas – korpusas su grubiu paviršiumi, kuris absorbuoja neutronus, kylančius aukštyn. Sistemos išėjime detektorius matuoja erdvinį neutronų pasiskirstymą. Jei teorinės prognozės yra teisingos, detektorius turėtų "matyti" dalelių pasiskirstymą pagal grafiką, pav. 1. Paprastai paskirstymo tipas nustatomas pagal sklaidytuvo aukštį. Faktas, kad stebimas šis pasiskirstymas ir jo sutapimas su teorinėmis prognozėmis, taip pat įrodė, kad neutronai turi kvantines būsenas (tikslesnį šio eksperimento aprašymą ir jo metodiką galima perskaityti V. Nesviževskio straipsnyje "Kvantinių neutronų būsenos tyrimas Žemės gravitaciniame lauke virš veidrodžio" )

Dabar mokslininkų grupė iš Austrijos, Prancūzijos ir Vokietijos atliko tą patį Laue-Langevin instituto eksperimentų seriją, kurioje stebėjo ir nustatė perėjimus tarp neutronų energijos lygių gravitaciniame lauke.Savo pastabų rezultatai pateikti straipsnyje "Gravitacijos rezonanso spektroskopijos metodo realizacija", neseniai paskelbta žurnale Gamtos fizika. Iš tiesų jie atliko spektroskopiją kvantinių būsenų ultrakoldių neutronų. Eksperimento schematikos schema nesiskyrė nuo pirmojo pačių valstybių stebėjimo tyrimo (3 pav.).

Iš pradžių difuzoriaus aukštis virš veidrodžio buvo apie 25 mikronai. Prieš pradėdamas svyravimus detektorius užregistravo, kad 57% bendro ultrakoldų neutronų skaičiaus (jų horizontaliojo greičio komponentas yra ribojamas nuo 5,7 m / s iki 7 m / s), pirmame lygyje buvo 37%, antrame – 6% ir daugiau aukštas lygis. Pagrindinis tyrimo naujovė buvo ta, kad veidrodis dabar galėjo padaryti vertikalią judesį. Vibracijos diapazonas buvo pasirinktas taip, kad pirmasis lygis vis dar buvo labiausiai tikėtinas neutronų būvis.

Norėdami paskatinti perėjimą, veidrodžio virpesių dažnis turi būti proporcingas trečiųjų ir pirmųjų lygių energijos skirtumui. Tokiu atveju bus stebimas rezonansas – neutronų judėjimas nuo pirmojo lygio iki trečiojo. Detektorius, esantis eksperimentinės įrangos išėjimo vietoje,norint įregistruoti neutronus labiausiai tikėtino pirmojo lygio aukštyje, savaime suprantama, jis sumažins jų skaičių. Atitinkamai, neutronų perdavimo koeficientas jam sumažės (3 pav.).

Pav. 3 Ultrakartinių neutronų perdavimo koeficiento priklausomybė nuo eksperimentinio įrengimo (žr. 2 pav.) Nuo lygaus veidrodžio virpesių dažnio. Kai dažnis siekia maždaug 705 ± 6 Hz, pastebimas rezonansas, o tai reiškia, kad dauguma neutronų perėjo iš pirmojo kvantumo lygio į trečią, todėl detektorius aptinka sumažėjusį neutronų skaičių (staigiai sumažėjęs neutronų perdavimo koeficientas per įrenginį). Vertikalios linijos su brūkšniu viduryje tai eksperimento metu išmatuoto perdavimo koeficiento duomenų statistinis keitimas. Kietosios linijos – pagal teorinius skaičiavimus yra neutronų perdavimo koeficiento priklausomybė nuo svyruojančio veidrodžio dažnio. Mėlyna ir raudona kreivė ir linijos reaguoti vidutiniškai (pagreitisasu kuriuo veidrodis svyruoja 1,5 <a <4,0 m / s2) ir stiprus (4.9 <a <7,7 m / s2a) svyravimai. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Gamtos fizika

Kitaip tariant, kadangi rezonansinis veidrodžio virpesių dažnis stimuliuoja neutronus pereiti prie viršutinio trečiojo lygio, tada detektoriui šios dalelės bus "nematomos".

Taigi šis darbas yra pirmasis eksperimentas, kurio metu buvo atlikta spektroskopija kvadratinių dalelių būklių gravitaciniame lauke. Kitas svarbus faktas yra tas, kad, skirtingai nuo kitų kvantinių sistemų (pavyzdžiui, to paties atomo), perėjimai tarp lygių yra sukelti paprastomis mechaninėmis vibracijomis, o ne elektromagnetinėmis (fotonų sugertimi kaip atomais).

Apibendrinant, svarbu pažymėti dar vieną pagrindinę tokio pobūdžio tyrimo reikšmę. Faktas yra tas, kad egzistuoja teorijos, pagal kurias prielaida, kad visuotinio suvokimo įstatyme yra papildomas terminas, atsižvelgiant į "naujosios fizikos" atsiradimą gravitacinėje sąveikoje trumpuoju (1 nm – 10 μm) atstumu (žr. Pastabą Igor Ivanovo tinklaraštyje). Jei tokia trumpojo nuotolio korekcija tikrai egzistuoja, tada neutronų energijos lygis turi būti perkeltas ir atitinkamos bangos funkcijos iškraipomos.Todėl labai tikslūs eksperimentai, skirti stebėti energijos lygmenų kvantavimą kartu su apibūdinto spektroskopinio metodo tikslumo padidinimu, galėtų patikrinti šios hipotezės pagrįstumą.

Šaltinis: Tobias Jenke, Peter Geltenbort, Hartmut Lemmel, Hartmut Abele. Gravitacinio rezonanso spektroskopijos metodo realizavimas // Gamtos fizika (2011). V. 7. P. 468-472.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: