Проведена спектроскопия квантовых уровней нейтронов в гравитационном поле Земли

Рис. 1. Графики квадратов модулей волновых функций нейтрона, находящегося в гравитационном поле Земли (вектор g указывает направление силовых линий этого поля) над гладким, горизонтальным, упруго отражающим частицы зеркалом. Эти функции соответствуют вероятности обнаружить нейтрон на определенной высоте z над зеркалом. Рисунок из статьи V. Nesvizhevsky et al. Quantum states of neutrons in the Earth\&\#39\;s gravitational field
Рис. 1. Графики квадратов модулей волновых функций нейтрона, находящегося в гравитационном поле Земли (вектор g указывает направление силовых линий этого поля) над гладким, горизонтальным, упруго отражающим частицы зеркалом. Эти функции соответствуют вероятности обнаружить нейтрон на определенной высоте z над зеркалом. По оси абсцисс (пунктирные линии) отложена вероятность нахождения частицы на данной высоте. Боковые пики на графиках означают наиболее вероятное положение нейтрона на оси z (рассматривается одномерная геометрия), они же определяют высоту расположения уровней энергии. Каждому уровню энергии соответствует свой вид волновой функции (или квадрат ее модуля, как здесь показано). Например, 4-й (n = 4) энергетический уровень нейтрона находится на высоте 37 мкм над зеркалом, при этом его энергия в этом квантовом состоянии составляет 4,1 пэВ (пикоэлектрон-вольт, 10–12 эВ). Аналогичная картина имеет место для других уровней. Рисунок из статьи V. Nesvizhevsky et al. Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field

Характерным отличием квантовой частицы от ее классического аналога является то, что, находясь в зоне действия какого-либо поля, она может принимать дискретный (а не непрерывный) набор значений энергии. Этот эффект называется квантованием уровней энергии. Наиболее известное его проявление — состояния электронов в атоме, возникающие в электромагнитном поле ядра. Квантовые уровни энергии частицы могут образовываться и в гравитационном поле, однако из-за его чрезвычайной слабости экспериментально доказать их существование получилось лишь в 2001 году. Теперь команде ученых из Австрии, Франции и Германии удалось провести еще и спектроскопию квантовых уровней энергии частицы в гравитационном поле — они индуцировали и детектировали переходы ультрахолодных нейтронов с одного уровня на другой.

Движение какой-либо частицы (объекта, тела) в макроскопическом, привычном для нас, мире описывается уравнениями классической физики, которые следуют из второго закона Ньютона. Решения этих уравнений задают местоположение частицы и энергию, которой она обладает в определенной точке пространства. Сама же траектория движения определяется характеристиками частицы (масса, заряд и т. п. — в зависимости от того, в каком поле частица движется) и потенциалом поля, в котором она находится. Потенциал поля — это энергетическая характеристика, показывающая степень его воздействия на частицу, находящуюся в области влияния этого поля. Источником поля может быть другая частица (или группа частиц, объектов, тел), воздействующая на данную частицу посредством одного или нескольких из четырех известных видов фундаментальных взаимодействий — гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.

Решения уравнений показывают, что в процессе движения частицы ее энергия меняется непрерывным образом, то есть для частицы не существует каких-либо запрещенных значений. Энергия зависит лишь от конкретных характеристик частицы и от того, насколько близко она располагается к источнику поля.

Поясним вышесказанное на примере планет Солнечной системы. Их движение управляется гравитационным полем Солнца (если не принимать во внимание возмущающее воздействие других планет). Солнце — это источник поля. Чем ближе планета расположена к Солнцу, тем меньшее значение энергии она имеет. Если начать гипотетически сдвигать планеты с орбит, удаляя их от Солнца или, наоборот, приближая, то энергия небесного тела будет меняться непрерывным, континуальным образом.

Совсем по-другому дела обстоят в микроскопическом мире, где большинство законов классической физики уже не действует, а в игру вступают уравнения квантовой механики. Здесь аналогом второго закона Ньютона будет уравнение Шрёдингера. Если характеристики движения макроскопической частицы рассчитываются через их координату, то для микроскопических (квантовых) объектов главным параметром является так называемая комплексная величина — волновая функция. Ее физический смысл отражает различия между классической и квантовой физикой. Если в первом случае координата частицы строго определена, то в микроскопическом мире квадрат модуля волновой функции показывает лишь вероятность ее нахождения в пространстве с некой заранее предопределенной координатой. Решение уравнение Шрёдингера для заданного потенциала поля позволяет найти волновую функцию частицы и рассчитать энергию, которую она будет иметь в данной точке пространства.

И вот здесь возникает еще одно различие между макроскопическим и микроскопическим мирами. Энергия частицы при перемещении в пространстве меняется не непрерывным образом, а носит дискретный характер. Иными словами, частица может принимать лишь строго определенный набор значений энергии, или, что то же самое, находиться на строго определенных энергетических уровнях — то есть наблюдается квантование уровней энергии частицы. Каждый уровень имеет свой порядковый номер, свое значение энергии и свою волновую функцию, причем максимум квадрата модуля этой функции (наибольшая вероятность) задает положение энергетического уровня в пространстве. Зависимость энергии уровня от его номера определяется характеристиками частицы (масса, заряд и т. п.) и потенциалом поля, влияющим на нее.

Возьмем для примера микроскопический объект — атом. В школьном курсе физики говорится о том, что электроны в атоме могут находиться лишь на определенных орбитах или уровнях, энергия которых обратно пропорциональна квадрату их номера. Такую зависимость можно получить как раз из уравнения Шрёдингера, если предварительно вспомнить, что отрицательно заряженные электроны в атоме удерживаются благодаря электростатическому взаимодействию между ними и положительно заряженным ядром, то есть движение электронов в атоме управляется потенциалом электростатического поля. Берем теперь потенциал этого поля, подставляем в уравнение Шрёдингера, решаем его и находим распределение энергий по уровням вместе с волновыми функциями, квадрат модуля которых будет давать информацию о местоположении этих самых уровней.

Чтобы найти, как будут квантоваться уровни энергии электрона в однородном магнитном поле, надо тоже взять его потенциал и решить уравнение Шрёдингера. Таким образом получаются хорошо известные в физике твердого тела уровни Ландау. Аналогичным образом можно объяснить, почему отдельные ядра атомов, в состав которых входит «магическое число» нейтронов или протонов (это числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), являются наиболее стабильными. Для этого необходимо подставить в уравнение Шрёдингера так называемый потенциал Вудса—Саксона.

Квантование уровней энергии в вышеперечисленных системах представляет собой давно доказанный многочисленными экспериментами факт. Например, наличие энергетических уровней в атоме подтверждается спектральными линиями, отражающими факт перехода электронов с нижележащего уровня (уровня с меньшим номером) на вышележащий (с большим номером), если он поглотит извне необходимую для этого прыжка энергию либо, наоборот, совершит обратное движение, избавляясь от избытка энергии в виде фотона. Область физики, которая детектирует эти переходы в различных системах с дискретным набором энергетических уровней, называют спектроскопией.

Итак для любого потенциала квантовая частица может иметь дискретный набор уровней и эта дискретность может быть проверена на практике. Правда, поскольку гравитационное взаимодействие намного слабее сильного и тем более электромагнитного взаимодействия, энергия этих уровней очень мала (равно как и расстояние между ними). Поэтому длительное время наличие уровней у частицы в гравитационном поле декларировалось лишь на бумаге.

Отсутствие экспериментальной верификации объясняется также сложностью выбора объекта для наблюдения квантования энергии в гравитационном поле. Прежде всего, этот объект должен быть незаряженным, чтобы не подвергаться влиянию электрического или магнитного полей и не получать от них «паразитное» квантование уровней энергии. Наконец, чтобы энергетические уровни имели место, необходимо ограничить движение объекта снизу, поскольку гравитация неизбежно будет тянуть его вниз и не позволять энергии квантоваться.

Как оказалось, для данной цели лучше всего подходят нейтроны с очень малым значением кинетической энергии (так называемые ультрахолодные нейтроны). Сверхнизкая температура частиц позволяет им успеть во время движения «прочувствовать» дискретность уровней энергии, а экспериментаторам — наблюдать явление квантования, не отвлекаясь на эффекты, связанные с тепловыми флуктуациями.

На рис. 1 показан квадрат модуля волновой функции (вероятность нахождения) нейтрона в гравитационном поле Земли над упруго отражающим зеркалом в случае, когда частица имеет один уровень, два уровня и т. п. Можно сказать, что график функций задает пространственное распределение горизонтального нейтронного потока с большим количеством частиц.

Первый эксперимент, в котором удалось обнаружить квантовые состояния нейтронов в гравитационном поле, был проведен в 2002 году в Институте Лауэ–Ланжевена (Гренобль, Франция). На рис. 2 приведена схема установки, благодаря которой это стало возможным. Эксперимент заключался в следующем: пучок ультрахолодных нейтронов, летящих со скоростью приблизительно 10 м/с, пропускался через коллиматор, цель которого была выпрямить поток частиц, заставив их двигаться только в горизонтальном направлении. Далее нейтроны попадали в узкий зазор между гладким зеркалом снизу и шероховатой поверхностью рассеивателя сверху. Поскольку гравитация заставляет горизонтальный пучок падать, то для ограничения движения было использовано гладкое зеркало, упруго отражающее нейтроны обратно в зазор и тем самым приводя к появлению дискретного набора уровней энергии, то есть их квантования.

Рис. 2. Схематический рисунок экспериментальной установки по обнаружению квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле. Из статьи V. Nesvizhevsky et al. Quantum states of neutrons in the Earth\&\#39\;s gravitational field
Рис. 2. Схематический рисунок экспериментальной установки по обнаружению квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле. Поток ультрахолодных нейтронов, проходя через коллиматор (collimator), двигается в строго горизонтальном направлении. Воздействие гравитации превращает горизонтальные траектории частиц в параболические (они показаны сплошными линиями). Благодаря узкому зазору между гладким зеркалом (bottom mirrors) и шершавым рассеивателем (absorber), движение нейтронов помимо классических траекторий приобретает и квантовую составляющую (пунктирные траектории). В зависимости от величины зазора, размер которого регулируется, распределение нейтронов по вертикали описывается функциями, графики которых показаны на рис. 1. Детектор регистрирует это распределение. Это доказывает факт наличия квантовых состояний нейтрона. Рисунок из статьи V. Nesvizhevsky et al. Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field

Так как число уровней растет с увеличением высоты при одновременном их сближении, то движение нейтронов также нуждается и в ограничении сверху. С этой целью в эксперименте над зеркалом устанавливается еще и рассеиватель — тело с шершавой поверхностью, которое будет поглощать стремящиеся вверх нейтроны. На выходе из системы детектор измеряет пространственное распределение нейтронов. Если теоретические предсказания верны, то детектор должен «увидеть» распределение частиц согласно графику на рис. 1. Вид самого распределения определяется высотой расположения рассеивателя. Факт наблюдения этого распределения и его совпадение с теоретическими предсказаниями и доказал, что у нейтронов есть квантовые состояния (более точное описание этого эксперимента и его методологию можно почитать в статье В. Несвижевского «Исследование квантовых состояний нейтронов в гравитационном поле Земли над зеркалом» в журнале УФН).

Теперь группа ученых из Австрии, Франции и Германии осуществила всё в том же Институте Лауэ–Ланжевена серию экспериментов, в которых наблюдала и детектировала переходы между энергетическими уровнями нейтронов в гравитационном поле. Результаты их наблюдений изложены в статье Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique, недавно опубликованной в журнале Nature Physics. Фактически, они провели спектроскопию квантовых состояний ультрахолодных нейтронов. Принципиальная схема эксперимента не отличалась от первого исследования по наблюдению самих состояний (рис. 3).

Изначально высота рассеивателя над зеркалом составляла приблизительно 25 мкм. До начала колебаний детектор зафиксировал, что 57% от общего числа ультрахолодных нейтронов (горизонтальная составляющая их скорости ограничена диапазоном от 5,7 м/с до 7 м/с) находились на первом уровне, 37% — на втором и 6% — на более высоких уровнях. Главное новшество исследования заключалось в том, что зеркало теперь могло совершать вертикальное колебательное движение. Размах осцилляций подбирался такой, что наиболее вероятным состоянием нейтронов всё равно оставался первый уровень.

Чтобы индуцировать переход, частота колебаний зеркала должна быть пропорциональна разности энергий третьего и первого уровней. В этом случае будет наблюдаться резонанс — перемещение нейтронов с первого уровня на третий. Детектор, находящийся на выходе из экспериментальной установки, чтобы регистрировать нейтроны на наиболее вероятной высоте первого уровня, естественно, обнаружит уменьшение их количества. Соответственно, коэффициент прохождения нейтронов для него уменьшится (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость коэффициента прохождения ультрахолодных нейтронов через экспериментальную установку (см. рис. 2) от частоты колебаний гладкого зеркала. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Physics
Рис. 3. Зависимость коэффициента прохождения ультрахолодных нейтронов через экспериментальную установку (см. рис. 2) от частоты колебаний гладкого зеркала. Для частоты приблизительно 705±6 Гц наблюдается резонанс, означающий, что большинство нейтронов перебралось с первого квантового уровня на третий, в связи с чем детектор фиксирует уменьшившееся количество нейтронов (резкое падение коэффициента прохождения нейтронов через установку). Вертикальные линии с чертой посередине означают статистический разброс данных по измеренному в эксперименте коэффициенту прохождения. Сплошные линии — это зависимость коэффициента прохождения нейтронов от частоты колеблющегося зеркала согласно теоретическим расчетам. Синяя и красная кривая и линии отвечают умеренным (ускорение а, с которым колеблется зеркало меняется в пределах 1,5 < a < 4,0 м/с2) и сильным (4,9 < a < 7,7 м/с2) осцилляциям. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Physics

Иными словами, поскольку резонансная частота колебаний зеркала стимулирует нейтроны перебираться на верхний третий уровень, то для детектора эти частицы будут «невидимыми».

Таким образом, данная работа представляет собой первый эксперимент, в ходе которого была проведена спектроскопия квантовых состояний частицы в гравитационном поле. Примечательным фактом здесь еще является и то, что, в отличие от других квантовых систем (например, того же атома), переходы между уровнями индуцируются простыми механическими колебаниями и никак не электромагнитным (поглощением фотонов как в атоме).

В заключении важно отметить еще одну фундаментальную значимость исследований подобного рода. Дело в том, что существуют теории, согласно которым предполагается наличие дополнительного слагаемого в законе всемирного тяготения, учитывающего появление «новой физики» в гравитационном взаимодействия на коротких (1 нм — 10 мкм) расстояниях (см. заметку в блоге Игоря Иванова). Если такая короткодействующая поправка реально существует, то уровни энергии нейтрона должны быть сдвинуты, а соответствующие им волновые функции искажены. Поэтому очень точные эксперименты по наблюдению квантования уровней энергий наряду с повышением точности описанного спектроскопического метода могли бы проверить справедливость данной гипотезы.

Источник: Tobias Jenke, Peter Geltenbort, Hartmut Lemmel, Hartmut Abele. Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique // Nature Physics (2011). V. 7. P. 468–472.


28
Показать комментарии (28)
Свернуть комментарии (28)

  • PavelS  | 03.07.2011 | 13:39 Ответить
    Интереснейшая заметка.

    Можно ли это всё описать в терминах частиц-гравитонов? Тут как-то подразумевается, что нейтрон - волна, а гравитационное поле - это однородное поле.
    Ответить
    • Vortex > PavelS | 04.07.2011 | 13:48 Ответить
      В эксперименте наблюдается квантование лишь в классическом поле, т.е. не демонстрируется и не учитывается квантовая природа самого гравитационного поля. А не учитывается потому, что вероятность излучения гравитона при переходе нейтрона с одного уровня на другой ничтожно мала (расчёт этой вероятности можно посмотреть в этой статье http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0702/0702256v1.pdf ).
      Ответить
      • Mad_Max > Vortex | 10.07.2011 | 19:57 Ответить
        Что-то я этого совсем не понимаю. Может о каких то "экзотических" вариантах гравитонов речь идет? Я всегда считал, что под гравитоном подразумевается гипотетическая (не отрытая пока экспериментально) частица-бозон, переносчик гравитационного взаимодействия. И исходя из известных макроскопических свойств гравитации("дальнодействия" и слабости), он должен быть по свойствам ближе всего к фотону, т.е. скорее всего безмассовый и двигаться со скоростью света. И любое грав. взаимодействие происходит через обмен гравитонами, так что пространство должно просто "кишить" этими самыми гравитонами от любых объектов обладающих массой и взаимодействующих друг с другом гравитационно. А не обнаружены они экспериментально только по причине их сверхмалых энергий (что следует из слабости гравитационного взаимодействия по сравнению с другими 3 фундаментальными силами) недоступных современным технологиям.
        В т.ч. и любое перемещение нейтрона в грав. поле Земли (вдоль силовых линий) должно сопровождаться излучением/поглощением гравитона - иначе и самого взаимодействия не будет и нейтрон не будет "падать" на Землю(ну при условии, что предположение о том, что гравитация вообще имеет квантовую природу в принципе, верно)
        Ответить
  • dims  | 03.07.2011 | 15:22 Ответить
    Интересно, является ли этот эксперимент первым или одним из первых по проверки действия гравитационного поля на микрочастицы? Или это действие уже давно проверено экспериментально?

    Можно ли таким способом сравнить гравитационное действие на нейтрон и антинейтрон?
    Ответить
    • Vortex > dims | 04.07.2011 | 13:53 Ответить
      Первый эксперимент был проведен в 2001 году (в новости приводится ссылка на эту статью). Правда тогда наблюдали факт существования этих уровней. Нейтрон и антинейтрон различаются лишь знаком магнитного момента (т.е. это электромагнитная характеристика), что никак не отразится на квантовании уровней в гравитационном поле.
      Ответить
      • dims > Vortex | 04.07.2011 | 15:48 Ответить
        Это в теории. Интересна экспериментальная проверка этого факта.
        Ответить
  • Скеп-тик  | 03.07.2011 | 20:17 Ответить
    Думаю, опыт настолько тонок, что невоиспроизводим. Симон Шноль за два десятилетия наблюдений установил влияние взаиморасположения Солнца, Луны, Земли (в том числе и географической широты и времени суток) на радиоктивный распад. Так что неизвестно, что получат исследователи, даже просто повернув стол на 90 - 180 градусов. Эффект, естественно, останется, а цифры?
    Ответить
    • Aab > Скеп-тик | 03.07.2011 | 23:05 Ответить
      Интересно, удалось ли Симону Эльевичу поставить свои эксперименты с радиоактивным распадом поставить в космосе, как он хотел?..
      Ответить
      • Скеп-тик > Aab | 04.07.2011 | 14:31 Ответить
        "Плутониевый чемоданчик Шноля" - звучит слишком сташно, чтобы допускать такое в космос. А вот старый коленвал от "ИЖ-Планеты" с привязаным медной проволочкой электромоторчиком и обещанием за неделю долететь до Марса - просто и понятно, для этого 4 млрд.руб. не жалко.
        Если набрать в Гугле "С. Э. Шноль",можно прочитать многие его статьи (с соавторами) и научно-художественную публицистику.
        Ответить
  • vipdeco  | 04.07.2011 | 11:36 Ответить
    спасибо.
    очень интересная новость!
    Ответить
  • Mad_Max  | 06.07.2011 | 06:55 Ответить
    Почему по всей статье с энергиями путаница идет? Что в примере с Солнце-планеты, что ядро атома-электроны, чем ближе объект к центру(источнику поля) тем энергия ниже, а не выше!
    Понятно, что в формуле расчета энергии n^2 стоит в знаменателе, поэтому формально можно сказать что энергия электрона обратнопропорциональна n^2, но в той же формуле перед всем выражением еще и минус: E = - (m*e^4)/(n^2*h^2)
    Это просто ученые для удобства каких-то расчетов решили считать, что энергия объекта в поле при максимальном удалении(стремлении его к бесконечности) от его источника равна нулю(хотя при этом она максимальна), а во всех других положениях соответственно будет отрицательной. Так что в физическом(а не формально-математическом) выражение про обратнопропорциональность неверно.
    Так что чем больше n (выше орбиталь электрона в атоме) тем энергия его больше, а не меньше. Соответственно и пример с испусканием/поглощением фототов при переходах с уровня на уровень вывернут на изнанку - поглощается фотон при переходе с более низких уровней на более высокие(увеличении n), испускается - при переходе на более низкие (в статье все наоборот).
    Ну и про Солнце-планеты аналогично - чем ближе к Солнцу тем энергия меньше.
    Ответить
    • Vortex > Mad_Max | 06.07.2011 | 10:39 Ответить
      Потому что по модулю бралась энергия :). Конечно, вы правы, спасибо. Я напутал. Сейчас попробуем поправить.
      Ответить
  • Mad_Max  | 06.07.2011 | 07:01 Ответить
    Про сам опыт с нейтронами пока ничего писать не буду, отдельная большая тема. У нас с Игорем Ивановым на его блоге по этому поводу длинное обсуждение завязалось - что же собственно "увидели" в этом эксперименте. Позже наверно подробно напишу, когда изучу доп. статьи ссылки на которые тут были приведены. Но если кратко мое мнение, что никакого квантования энергии связанного с гравитационным полем Земли (как это преподносится в оригинальной статье и соответственно транслируется в эту) тут вообще нет. А есть только квантовое взаимодействие УХ нейтронов с веществом "зеркала", при котором им передаются фиксированные порции энергии, что и вызывает квантование уровней нейтронов по "высоте"(относительно Земли) после этого взаимодействия. А сама гравитация тут непричем (хотя она использовалась в опыте как очень чувствительный "прибор", позволяющий измерять дельту энергий порядка долей пикоЭв, но к самой природе наблюдаемого квантования отношения не имеет).
    Ответить
    • Vortex > Mad_Max | 06.07.2011 | 10:40 Ответить
      Это какое же "квантовое взаимодействие" (помимо известных четырёх) дпёт нейтронам такую маленькую энергию?
      Ответить
      • Скеп-тик > Vortex | 06.07.2011 | 14:20 Ответить
        Квантовое дрожжание вакуума. Хи-хи...
        Как только прочел про абсолютно упругое зеркало для нейтронов, сразу сочинился анекдот:
        На конференции по самодифракции электрона был задан вопрос: "Из чего сделаны щели, через которые проходит электрон?" Ответы:
        Из эбонита - 36 (рядовые сотрудники лабораторий)
        Из золота(платины) - 8 ответов (руководители лаб.)
        Коммерческая (военная) тайна - 6 ( менеджеры)
        Я здесь случайно -1 (неизвестный в гардеробе)
        Ответы "Да пш-ол ты..." из обзора исключены.
        Ответить
      • Mad_Max > Vortex | 08.07.2011 | 16:36 Ответить
        А почему именно "помимо"? 4х известных вполне достаточно - в данном случае это проявление сильного взаимодействия (нейтрона с ядрами атомов из которых состоит поверхность зеркала), которое в таком виде проявляется только на ультрахолодных нейтронах. (одно из замечательных свойств УХН, что в отличии нейтронов высоких энергий и относительно низких - "тепловых" они отражаются обычным веществом через групповое взаимодействие с ядрами его атомов).
        И возможно (это уже лишь мое предположение) еще и электромагнитное (за счет имеющегося у нейтрона магнитного момента и возможно не абсолютно нулевого заряда)
        Ответить
        • Vortex > Mad_Max | 08.07.2011 | 16:43 Ответить
          Я предполагал, что этим комментарием хотят придумать ещё один вид. На счёт сильного взаимодействия, то ниже я уже откомментировал ситуацию со взаимодействием УХН с зеркалом.
          Ответить
  • PavelS  | 07.07.2011 | 03:40 Ответить
    Кстати, да, на самом деле. А относительно чего меряется энергия? Относительно свободного нейтрона в космосе, где по логике вещей есть 0 энергии? Нет. Она меряется относительно нейтрона, лежащего на зеркале, т.е. на дне ямы. И каким способом взаимодействует нейтрон с зеркалом? Гравитационно? Нет, ни разу не так. И уровни по высоте меряются относительно зеркала. А не относительно земли. Сдвигаем зеркало на метр выше - сдвигаются уровни в миллион раз. Это ИМХО принципиально, тут же проводится параллель с атомами, где как раз есть лишь притяжение ядра и электрона и никаких побочных сил, никаких сдвигов нуля и т.п.

    Как-то есть некоторая неудовлетворённость. Вроде уровни есть, а существуют ли они без зеркала (без вовлечения других взаимодействий) - не обосновано.
    Ответить
    • Vortex > PavelS | 07.07.2011 | 23:43 Ответить
      Рассеяния нейтрона на гладком зеркале - это, конечно, справедливый вопрос и здесь действительно не всё просто. Если кратко, то выглядит всё это следующим образом: поскольку нейтрон является ультрахолодным (УХН) (энергия меньше 100 нэВ), то де-бройлевская длина волны будет как минимум больше 90 нм. Взаимодействие нейтрона с зеркалом - сильное и короткодействующее с радиусом порядка 1 фм (фемтометр). Это означает, что рассеяние нейтронов будет s-волновым и, говоря иначе, не будет иметь угловую составляющую. Как этот потенциал рассения учесть, и как он будет влиять на форму волновых функций и соответственно распределение энергетических уровней? Применять теорию возмущений здесь нельзя, поскольку потенциал сильного взаимодействия намного больше типичных энергий УХН.
      Так вот эту задачу в 1936 году решил Ферми. Он предложил описывать этот потенциал рассеяния нейтронов в виде дельта-функций с множителем, обратно пропорциональным массе нейтрона и прямо пропорциональным т.н. длине рассеяния. Этот потенциал получил название ферми-потенциала. С помощью ферми-потенциала можно рассчитать усреднённый ферми-потенциал всего зеркала. Он зависит от типа материала, но он оказывается много больше энергии УХН. Иными словами поверхностный барьер зеркала является непроницаемым для УХН.
      Согласно обзору Несвижевского в журнале УФН (ссылка на него приведена в тексте новости) ферми-потенциал зеркала составляет 0,1 мкэВ, т.е. на 5 порядков больше энергетических уровней нейтронов в гравитационном полем. Вывод: зеркало не влияет на квантовые состояния нейтронов :)
      Ответить
      • Mad_Max > Vortex | 08.07.2011 | 18:10 Ответить
        А почему такой вывод-то? Да барьер для УХН непроницаем из-за разницы энергий. Но почему не влияет? По пунктам:
        нейтрон в описываемом опыте "отскакивает" от этого барьера? - да
        раз отскакивает, значит есть передача энергии и импульса? - да (иначе продолжил двигаться дальше по своей траектории и прошел сквозь зеркало)
        какова природа этого взаимодействия? - сильное взаимодействие
        сильное взаимодействие квантуется? - да
        значит кол-во энергии которое получает нейтрон в момент "отскока" от зеркала тоже будет квантоваться? - да
        а раз квантуется кол-во получаемой энергии, значит будет квантоваться и "высота отскока" (насколько нейтрон может переместиться в гравитационном поле Земли, благодаря полученной энергии), что собственно и было показано в опыте.
        Так откуда появился вывод, что квантование уровней нейтронов в грав. поле Земли вызваны свойствами этого поля, а не свойствами сильного взаимодействия через которое нейтрон получает энергию для перемещения в этом поле?
        Формально это(квантование уровней) может быть вызвано как тем, так и другим, но авторы почему-то склоняются к грав. полю (при этом природа взаимодействия с зеркалом в статье вообще никак не рассматривается - просто опустили этот момент). Хотя по-моему неизмеримо вероятнее, что причина в сильном взаимодействии, а грав. поле тут не причем.
        Аналогия с электронами в атоме тут действительно не очень уместна - там и поле и взаимодействие при поглощении/испускании энергии одно - электромагнитное. А в этом опыте поле одной природы (гравитационное Земли), а взаимодействие другой - сильное от атомов зеркала.

        Кстати проверить отдельно свойства грав. поля изолировав его от других взаимодействий вроде же совсем просто (с использованием такого же же оборудования и технологий). Сейчас кратко опишу схему эксперимента, если что пусть специалисты подправят, что в нем может быть не так (я все-таки совсем не физик, а "любитель")
        База эксперимента точно такая же, тоже берем пучок УХН направленный и "сфокусированный" горизонтально (паралельно поверхности земли).
        Тоже пропускаем его через узкую щель между друх пластин.
        Только в этом варианте обе пластины будут изготовлены из "поглотителя" (как в описываемом опыте была верхняя), в результате все нейтроны коснувшиеся любой из пластин поглощаются, до детектора долетают только те, что пролетели всю траекторию(по параболе) ни с чем не взаимодействуя(кроме гравитационного поля Земли).
        Далее начинаем постепенно поднимать нижнюю пластинку (с максимально доступной точностью и малым шагом) и смотрим как меняется кол-во и распределение по высоте нейтронов долетевших до детектора.
        Скорее всего ничего интересного не будет и распределение получится непрерывным, без квантовых уровней и соотвествующим ньютоновской физике (из-за ограниченных возможностей по точности механического перемещения пластины), но хотя бы можно было установить ограничение свеху на квантовые эффекты гравитации. Т.е. на каких маштабах энергий и расстояний они точно НЕ проявляются. (и они были бы минимум на порядок меньше описываемых в опыте)
        Ответить
  • bopa  | 07.07.2011 | 08:37 Ответить
    Очень уж хочется увязать все взаимодействия: электрослабые и гравитационные. Надо быть аккуратным у повторении условий эксперимента и, естественно, выводах. Работы на Тэватрон и БАК -образец !
    Ответить
  • lesnik  | 10.07.2011 | 12:50 Ответить
    Интересно, каким образом удалось обойти влияние вазимодействия магнитного момента нейтрона с каким-нибудь магнитным полем? Неравномерное внешнее магнитное поле вполне возможно также приводит к квантованию уровней энергии нейтрона?
    Ответить
    • Mad_Max > lesnik | 10.07.2011 | 18:47 Ответить
      А никак. Авторы работы этим даже "не заморачивались"! (или посчитали не нужным писать об этом, если что-то в этом направлении все же делалось) Там сама оригинальная публикация на удивление проста и даже "наивна" для настоящей научной работы. Заявляется что раз у нейтрона нет эл. заряда, значит в электромагнитном взаимодействии он не участвуют, а поэтому припишем ка мы все наблюдаемые эффекты гравитации.
      То что у нейтрона имеется магнитный момент и через него он все-таки может участвовать в электромагнитных взаимодействиях, а так же то, что взаимодействие с зеркалом (от которого он получает энергию для перехода между уровнями) имеет природу сильного взаимодействия - и именно эти 2 взаимодействия и приводят скорее всего к квантованию уровней энергии вообще никак не рассматривается.
      Еще более забавны в работе упоминания и намеки что эта работа полезна для изучения теории струн и темной материи, которые присутствуют не только в пресс-релизах(где на это сделан больший упор), но и непосредственно в самой публикации, правда кратко: "The experiments are linked to current ideas in string theories with large volume compactifications and/or cosmology and can rule out or substantiate forces that are possible via Abelian gauge fields in the bulk, or via a pseudo-scalar coupling of axions, which are serious dark matter candidates in the previously experimentally inaccessible astrophysical axion window". Хотя сама теория струн основана на идее дополнительных измерений пространства(например 10, вместо классических 3), которые если и существуют/проявляются, то только опять-таки на масштабах менее уже изученных экспериментально в других опытах ФЭЧ, а никак не масштабах порядка микрон, которые исследовались в этой работе.
      Впрочем в самой публикации формулировки более обтекаемые, чем в пресс-релизах. Даже четко и однозначно не сказано, чем же вообще наблюдаемое квантование с их точки зрения объясняется. Описан проведенный эксперимент, показаны полученные цифры. А каких-либо выводов/заключений на их основе в работе не делается. Причем сам этот эксперимент и методология практически полностью повторяет аналогичные опыты 2002 года.
      В общем работа "ни о чем", зря только 18$ на такую ерунду потратил (чтобы оригинал публикации изучить - в свободном доступ ее не выложили), а фонды - грант выделенный на исследование.
      Ответить
    • Vortex > lesnik | 11.07.2011 | 13:16 Ответить
      Они заэкранировались от магнитного поля (по-моему там мю-металл использовался). Здесь http://www.ati.ac.at/index.php?id=214&L=1 можно посмотреть картинку экспериментальной установки.
      Ответить
      • lesnik > Vortex | 11.07.2011 | 16:02 Ответить
        Под изображением по ссылке http://en.wikipedia.org/wiki/Mu_metal указано, что пять слоёв мю-металла ослабляют магнитное поле Земли в 1500 раз, что казалось бы не так уж и много?

        Может быть использовали какую-нибудь другую технику, например http://www.femto.com.ua/articles/part_1/2064.html ?
        Ответить
      • lesnik > Vortex | 11.07.2011 | 16:12 Ответить
        А нет, энергия магнитного момента нейтрона в магнитном поле в 10^-7 тесла составляет уже порядка 10^-14 эВ, что на два порядка меньше расщепления в поле тяжести (как говорится в статье). Поэтому магнитное поле можно было заэкранировать в достаточной степени и не принимать во внимание.
        Ответить
        • Vortex > lesnik | 11.07.2011 | 16:27 Ответить
          Только хотел вам написать об этом :)
          Ответить
      • Mad_Max > Vortex | 11.07.2011 | 21:28 Ответить
        1. Там описана установка из какого-то другого (хотя и похожего и вероятно проводимого той же группой) эксперимента.
        2. В обсуждаемом эксперименте(описываемом в статье http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n6/full/nphys1970.html) кроме внешних магнитных полей, от которых экранировались(хотя эффективность этой экранировки тоже не описывалась), были еще и собственные - "привод" зеркала, сообщающий ему колебания был электрическим (если правильно помню - на пьезоэлементах) + лазерные дальномеры (для точного измерения параметров смещений зеркала). А где электрический привод и электроника - там и электромагнитные поля, прямо ВНУТРИ установки. Их возможное влияние тоже никак не учтено. (или если и учтено, но в статье не описано)
        Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»