Фотонды фотонды қию • Игорь Иванов • «Элементтер» бойынша ғылыми-танымал мәселелер • Физика

Фотонды соқтығысу

Сурет. 1. Қазіргі заманғы телескоптар бізден миллиондаған жарық жылдары болатын астрономиялық объектілерді көруге мүмкіндік береді. Бұл суреттің ортасында екі тік сызықтың арасында орналасқан айтарлықтай айқын айырмашылық бар (суретті толық ажыратымдылықпен ашыңыз!). Бұл 12,7 миллиард жарық жылының қашықтықта орналасқан квадрат, бұл космологическая қызыл ығысу z = 6. Осындай алыстағы объектілердің жарықшылығының бізге жетуі фотонды шашырау үшін көлденең қиманы анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Apod.nasa.gov сайтынан сурет

Қазіргі заманғы физика бойынша танымал ғылыми кітаптарда кішкене кішкентай және өте үлкен объектілердің бір-бірімен тығыз байланысты екенін, яғни ең кіші қарапайым бөлшектердің қасиеттері мен бүкіл Әлемнің эволюциясы қалай анықталғанын жиі атап өтеді. Осы себепті астрономиялық бақылаулар мен коллайдерлердегі эксперименттер бірін-бірі толықтырып, біздің әлемнің суретін бірлесіп қалпына келтіруге көмектеседі. Бұл тапсырмада қарапайым бөлшектердің қасиеттері мен Әлемнің қасиеттері арасындағы ең үлкен масштабтағы осындай байланыс орнатуға ұсынылады.

Қазіргі заманғы телескоптар бізден миллиардтаған жарық-жыл болатын объектілерді қарастыруға мүмкіндік береді (сур.1). Осы бақылаулардың арқасында біз ғаламның жасы оның қазіргі жасының тек бірнеше пайызы болған уақытты қарастыра аламыз. Мұндай қашықтағы объектілерді ықшам дақтар ретінде көретініміз, миллиардтаған жылдар бойы жарты ғасырдан астам уақыт бойы ұшып келе жатқан жарықтың бізді жарыққа шығармай-ақ жететінін білдірді. Басқаша айтқанда, бұл квазарларды байқау фактісі бұл дегеніміз Әлемнің оптикалық фотонды үшін мөлдірлігі жеткілікті..

Дегенмен, бізге бұл жолда бұл фотондар толығымен бос орын арқылы қозғалмайды. Газ және шаң бұлттары болмаған кезде, кеңістік электромагниттік сәулеленумен толтырылады. Бұл жұлдыздардың жарығы, сондай-ақ ыстық газдың термалды сәулеленуі және Үлкен жарылыс дәуірінен қалған микротолқынды фондық сәулелену. Бұл радиация барлық жерде бар, және фотондар осы радиация арқылы он миллиард жыл бойы жүреді (Cурет 2).

Сурет. 2 Қашықтық квазермен шығарылған фотонды радиациямен толтырылған Ғаламдан ұшып, осы фотондарда соқтығысу мен шашыраудың көптеген әрекеттеріне ұшырайды.

Радиация, кванттық механика тілінде – фотонды жиынтығы.Әрине, бізді алыстағы квазарлардан келген әрбір оптикалық фотон фотонды табиғи соқтығысқан микро эксперимент болып табылады. Квазардан шығарылған әрбір оптикалық фотонды Әлемді толтырған фотонды біреуімен соқтығысуға көп «тырысқан». Осындай бір әрекеттің нақты соқтығысуына және фотонды шашыратуға әкелетін ықтималдығы өте аз. Кванттық әсерлерге байланысты ол нөлге тең емес, бірақ өте аз. Фотоның бізге түсіп келе жатқаны фактісі осы көптеген әрекеттердің ешқайсысы табысқа жете алмады дегенді білдіреді. Бұл дегеніміз, біз екі фотонды бір-бірімен соқтығысу ықтималдығын шектей аламыз.

Физикада бұл ықтималдық шашыраудың көлденең қимасы түрінде көрсетіледі. Классикалық механикада шашырау көлденең қимасы шашыраудың пайда болуына жету үшін қажет көлденең платформа болып табылады. Мысалы, екі шарды бірдей диаметрмен соқтығысқан кезде d шашырау қимасы бар πd2.

Шашырау қимасының ұғымы элементар бөлшектердің соқтығысуларына берілуі мүмкін. Тек осында ғана бір-біріне арналған бөлшектердің «мөлдір» екенін ескеру керек, сондықтан шашырауға арналған көлденең қима әрдайым бөлшектердің геометриялық бөлігімен байланысты емес.Мысалы, екі жоғары энергиялық протон бір-бірімен соқтығысқан кезде, шашыраудың көлденең қимасы бұл классикалық формулаға сәйкес келеді:

Алайда, егер 1 МэВ энергиясы бар нейтрино протонға әсер етсе, онда соқтығысу қимасы әлдеқайда аз:

Сондықтан нейтрино Жер арқылы оңай өтіп кетуі мүмкін: олар үшін ашық болып табылады.

Қашықтық квазарлардан келетін оптикалық фотонды бізді проблемасыз жетілдіреді, бұл екі фотонды шашыраудың көлденең қимасы σγγ өте аз. Біз бұл астрономиялық бақылаулардан дәл құнды ала алмаймыз, бірақ біз осы көлденең қиманың мәніне жоғарыдан жоғары лимит орнатуға мүмкіндігіміз болады (яғни белгілі бір құннан артық емес).

Тапсырма

Орнату екі оптикалық фотонды соқтығысу үшін көлденең қиманың үстіңгі шегі, қашықтағы квазарларды көретінімізге негізделген. Интернеттегі өзіңіздің Әлеміңізді толтыратын радиацияның қасиеттерін табуға тырысыңыз.


1-кеңес

Әдеттегі өлшемі фотонға қолданылмайды және ол көмектеспейді, өйткені фотондар бір-біріне ашық болады. Сондықтан, екінші жағынан, мәселенің бос жолдың ұзындығын пайдаланып, біз жақындауға тиіспіз.Қашықтық фотонды көргеніміз, сәуле толтырылған Әлемнің еркін жолының кем дегенде 10 миллиард жарық жыл екенін білдіреді.


2-кеңес

Қайтадан суретке қараңыз. 2. Формондардың орнына молекулалардың сиректенген газы туралы айтадық. Молекулалардың шоғырлануы және олардың соқтығысуының қимасы бір-бірімен белгілі болсын. Бір молекуланың қозғалыстағы «сезінетін» кеңістік аймағын құрастырыңыз және бұл молекуланың басқа молекуламен қақтығысуға дейін қаншалықты еркін ұшуға болатындығын анықтаңыз.

Шоғырлану, шашырау қимасы және еркін жол ұзындығы арасындағы өзара байланыс қазіргі кезде фотонды қолдануға болады.


Шешім

Біз алдымен жоғарыда сипатталған байланысты аламыз. Егер молекула түзу сызықта болса Lсодан кейін жол бойындағы кеңістіктің цилиндрлік бөлігін «сезінді». σL. Егер молекулалардың концентрациясы болса n, содан кейін ортада бұл цилиндр құлдырайды nσL молекулалар. Бұл сан шамамен бірдей болатын ұзындық орташа бос жол ұзындығы болып табылады. Осылайша, концентрация мен жол ұзындығы белгілі болса, көлденең қиманы арқылы табуға болады

Біздің міндетімізде орташа бос жол кем дегенде 10 миллиард жарық жылы (10 жыл)26 м). Енді галактикадағы емес, межгалактикалық кеңістікте Ғаламдағы фотондардың (оптикалық диапазондағы) концентрациясын бағалау қажет, себебі оның квазарлардан келетін жарық оның жолының негізгі бөлігін өтеді. Ең қатал жақындаған кезде бұл келесі түрде жасалуы мүмкін: Әлемнің өмір сүру кезеңінде жұлдыздардың қанша фотонды шығарғанын санап көрейік және бұл санның Әлемнің көрінетін бөлігінің көлемі бойынша бөлуге болады.

Әлемнің көрінетін бөлігінде – миллиардтаған галактикалар. Әрбір галактикада ондаған миллиардтаған жұлдыздар бар. Әдеттегі жұлдыз Күннен әлдеқайда нұрға бөленген. Күн шамамен 4-10 ° шығарады26 Ватт, сондықтан әдеттегі жұлдыз үшін біз бірнеше есе аз мән аламыз. Көрсетілгендей, барлық жұлдыздардың радиациялық қуаты Әлемнің көрінетін бөлігінде шамамен 10 шамасында46 W.

Оптикалық фотонды қуаты шамамен 1 эВ, яғни 10-19 J. Сондықтан барлық жұлдыздар шамамен 10 құрайды65 фотондар секундына. Бірнеше миллиард жыл ішінде 10-ға жуық өнім шығарылды.82 фотонды. Егер біз осы фотонды Әлемнің барлық көрінетін бөлігіне тарататын болсақ, онда біз оптикалық фотонды орташа концентрациясын аламыз. nγ ≈ 104 бөліктер / м3. Оптикалық фотондардың шашырау қимасының жоғарғы шегі бар:

Әрине, біз бағалау үшін өте қатал жақындаулар қолдандық және олар, әрине, тазартылуы мүмкін, сондықтан жауап бір-екі рет өзгеруі мүмкін.


Кейінгі сөз

Жоғарыда келтірілген бақылаулар жақсы, бірақ кванттық электродинамика бұл жерде не айтады? Оның шеңберінде екі фотонды шашыраудың көлденең қимасы өте жоғары дәлдікпен есептелуі мүмкін. Қиылыс фотонды энергиясына байланысты, ал оптикалық фотондар үшін 10-68 м2, яғни біз белгілеген жоғарғы шегінен шамалы қырық шамға аз. Біз өте пайдалы баға ала алмадық, бірақ бұл шектеуді алу мүмкін болатын факт ретінде маңызды болды.

Фотонды энергияның өсуімен не болатынын қадағалау қызықты. Кванттық электродинамикада есептелген фотонды шашырау қимасы күрт артады. Мысалы, қарапайым жарық туралы емес, микротолқынды фон радиациясының фотондыларымен соқтығысқан жүздеген ГэВ энергиясымен фотонды туралы айтпасақ, қимасы 10-ға жетеді-34 м2. Әлемдегі микротолқынды фотонды концентрациясы жақсы өлшенеді: бұл текше метрге 410 миллион бірлік.Егер біз жоғары энергияның фотонды үшін еркін жолдың ұзындығын санасақ, онда ол Әлемнің өлшемінен бірнеше есе аз болады. Мұнда мұндай фотондар үшін Әлем әлдеқашан мөлдір болады!

Бұл қорытынды жоғары энергетикалық астрофизика байқауына тікелей әсер етеді. Тым алыс квазарлардан немесе гамма пештерінен ультра қуаттың фотондарын ұстауға тырысқаны анық. Мұндай фотонды, тіпті олар шығарылатын болса да, бізге ешқашан жете алмайды. 100 ГэВ пен одан жоғары қуатқа ие фотонды фотонды үшін болжалды мөлдірлік шегі, күріш. 3

Сурет. 3 100 ГэВ және одан жоғары энергиялар бар фотонды фотонды үшін нөлден 0,7-ге дейінгі қызыл ығысу кезінде Әлемнің ашықтығы шегі. Көлеңкелі аймақ бұл энергия мен қашықтықтарға сәйкес келеді, онда фотонды бізге жете алмайды. Түрлі қисықтар түрлі топтардың есептеулеріне жауап беріңіз ұпайлар – Бірнеше квазарлардан ультра жоғары энергияның гамма-сәулелерін сәтті табудың нәтижелері. Сурет: pisgm.ucolick.org

Сол нәтижені басқа, оң көзқараспен қарауға болады. Мұндай жоғары энергиялармен фотонды интергалактикалық ортаны зерттеу құралы ретінде пайдалануға болады.Белгілі қашықтықта орналасқан астрофизикалық көздерден біз қанша фотонды түсетінін өлшеп, интеркалалактикалық кеңістікте радиацияның шоғырлануын «дәлелдеу» мүмкін! Бұл мәнді зерттеу (EBL, экстрагальактикалық фондық жарық) соңғы жылдары көптеген мақалаларды дайындады.


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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