Априорная теория всего и эффект Мёссбауэра

Почему спектральные линии одинаковы во Вселенной
Автор
Сообщение

Вряд ли все читатели большие знатоки эффекта Мёссбауэра. Поэтому начну с изложения эффекта, предложенного самим автором:

Aquote1.png Ситуация … напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо́льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Летом лодка просто приобретёт некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска. Однако зимой, когда озеро замёрзнет, лодку будет удерживать лёд, и практически вся энергия броска будет передана камню, лодке (вместе с замёрзшим озером и его берегами) достанется ничтожная доля энергии броска. Таким образом, отдача будет передаваться не одной только лодке, а целому озеру, и бросок будет производиться «без отдачи». Aquote2.png
Мёссбауэр в 2000 году в журнале Hyperfine Interactions[1] 

Если человек натренирован так, что всегда затрачивает на бросок одинаковую энергию, и в цель, расположенную на удалении, он сможет попасть, стоя на том же расстоянии от неё на твёрдом грунте, то при броске камня с лодки отдача будет приводить к «недобросу». Тепловое уширение в этом представлении соответствует волнению на озере, которое увеличивает разброс прицельно бросаемых камней, а неизбежные собственные невынужденные ошибки спортсмена характеризуются естественным разбросом или кучностью бросков, аналогичными естественной ширине спектральной линии излучения/поглощения и времени жизни соответствующего ей возбуждённого состояния ядра.

Aquote1.png

Эффе́кт Мёссба́уэра  или я́дерный га́мма-резона́нс — испускание или поглощение гамма-квантов атомными ядрами в твёрдом теле, не сопровождающееся изменением колебательной энергии тела, то есть испусканием или поглощением фононов.

Другими словами, эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-квантов ядрами без отдачи излучающего и/или поглощающего ядра, если ядра находятся в кристаллической решётке. При этом весь импульс отдачи передаётся всему кристаллу, масса которого на много порядков больше массы одного ядра, и поэтому сдвиг частоты гамма-кванта в актах излучения и поглощения ничтожен.

Эффект имеет существенно квантовомеханическую природу и наблюдается в кристаллических, аморфных и порошкообразных веществах.

На 2019 год эффект Мёссбауэра наблюдался у 87 изотопов 46 элементов — так называемых мёссбауэровских изотопов.

За открытие эффекта Рудольф Мёссбауэр в 1961 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Aquote2.png
—   Википедия 

И ещё

В 1953 году профессор Мюнхенского технического университета Г. Майер-Лейбниц назначил своему студенту-дипломнику Рудольфу Мёссбауэру тему магистерской диссертационной работы: продолжение исследований температурно-зависимого поглощения гамма-излучения, начатых Мальмфурсом с использованием 191Os и, в качестве дополнительной задачи, определение в то время не известной величины энергии бета-распада осмия-191. После защиты Мёссбауэром магистерской диссертации Майер-Лейбниц предложил ему продолжить работу по этой теме, готовя диссертацию доктора философии (PhD) в Гейдельбергском Институте медицинских исследований Общества Макса Планка. Несмотря на настойчивые указания научного руководителя следовать методу Мальмфурса и искать перекрытия линий испускания и поглощения в области высоких температур, Мёссбауэр проявил самостоятельность, рассчитав, что удобнее, напротив, сконструировать криостат для охлаждения образцов до температуры жидкого азота. При этом он ожидал наблюдать такую температурную зависимость поглощения, при которой перекрытие линий становится слабее, а скорость счёта гамма-квантов прошедшего через поглотитель излучения должна возрастать. Получив обратный результат, то есть усиление резонансной ядерной гамма-флуоресценции, он преодолел чрезмерный скепсис и тщательно обдумал результат. В результате Мёссбауэр понял, что использовавшаяся полуклассическая концепция излучающих и поглощающих ядер как свободных частиц для твёрдых тел не подходит: в кристаллах атомы сильно связаны друг с другом и характеризуются существенно квантовым поведением[2][3][4].

Если всё понятно и вопросов не будет, то продолжу через несколько дней.

 

#62567 Желя :
#62565 Александр Рыбников :

Вряд ли все читатели большие знатоки эффекта Мёссбауэра. Поэтому начну с изложения эффекта, предложенного самим автором:

Почему -то  предпочитаю Ньютона,  у  которого на  всякое действие  есть  равное  противодействие.

Уважаемый Желя!

 В Википедии сказано, что эффект Мёссбауэра — это резонансное испускание и поглощение гамма-квантов ядрами без отдачи излучающего и/или поглощающего ядра, если ядра находятся в кристаллической решётке твёрдого тела. 

 

 


отредактировал(а) marsdmitri: 2024-05-06 16:01 GMT

Я открыл эту тему поскольку эффект Мёссбауэра — это самый актуальный экспериментальный эффект, который был использован в эксперименте Паунда и Ребки — проверки замедления хода времени в поле тяготения (экспериментальное подтверждение существования гравитационного красного смещения), предложеннои в 1959 и осуществлённая в 1959—1960 годах сотрудником Гарвардского университета Робертом Паундом[en] и его аспирантом Гленом Ребкой[en] в лабораторном контролируемом эксперименте. Полученное значение в пределах ошибок эксперимента (10 %) блестяще подтвердило принцип эквивалентности и основанную на нём общую теорию относительности Эйнштейна. Позже (в 1964 году) в подобном эксперименте Паунд и Снайдер получили совпадение измеренного и теоретического значений с точностью около 1 %. В 1980 году точность проверки релятивистских предсказаний гравитационного красного смещения была улучшена до 0,007 % в экспериментах Gravity Probe A с водородным мазером в космосе.

File:Jefferson Laboratory.jpg Джефферсоновская физическая лаборатория в Гарвардском университете. Эксперимент был выполнен в башне левого крыла, которая частично скрыта чердаком, надстроенным позднее.

== Описание эксперимента ==

Тут некоторые далёкие от экспериментов думают, что эксперименту не нужны формулы. 

Как насчёт этого.
Для определения разности темпа хода времени в разнесённых по высоте точках Паунд и Ребка использовали измерения частоты фотонов в двух точках вдоль их траектории: в точке испускания и в точке поглощения. Разность в измеренной частоте в верхней и нижней точках указывает на разность хода времени в этих точках. Гамма-квант с энергией 14,4 кэВ, испускаемый возбуждённым ядром \(Fe^{57}\) в переходе на основное состояние, проходил расстояние H = 22,5 м по вертикали в поле тяготения Земли и резонансно поглощался мишенью из того же материала. При точном совпадении частот фотона в точке испускания и поглощения и отсутствии отдачи испускающего и поглощающего ядер вероятность поглощения максимальна (источник и поглотитель настроены в резонанс); при расхождении частоты фотона и поглотителя вероятность поглощения уменьшается, в зависимости от разности частот и «остроты» резонанса (то есть ширины линии поглощения). Эта схема эквивалентна радиопередатчику и радиоприёмнику, настроенным на одну частоту; согласно ОТО, когда приёмник переносится вниз, в точку с большим гравитационным потенциалом, частота, на которую он настроен, уменьшается с точки зрения наблюдателя, оставшегося возле передатчика, как замедляются и любые другие процессы, и в результате приёмник и передатчик выходят из резонанса — электромагнитное излучение передатчика перестаёт поглощаться приёмником. Однако эффект в слабом гравитационном поле Земли очень мал, поэтому его обнаружение наталкивается на существенные экспериментальные трудности. В первую очередь, даже при излучении и поглощении в одной точке (то есть даже в отсутствие гравитационного красного смещения) будет наблюдаться существенный доплеровский сдвиг частот между излучающим и поглощающим атомами ввиду того, что оба атома получают импульс отдачи от фотона. Этот доплеровский сдвиг отдачи для одиночного атома \(Fe^{57}\) на пять порядков больше ожидаемого эффекта. Поэтому в эксперименте использовался открытый всего за два года до его проведения эффект Мёссбауэра, который обеспечивает поглощение импульса отдачи при испускании и поглощении фотона не отдельным ядром атома, а всем кристаллом (точнее, его небольшой, но уже макроскопической частью), так что энергия фотона при излучении практически не тратится на отдачу.

Для вычисления изменения частоты электромагнитного излучения, испущенного в гравитационном поле, используется принцип эквивалентности. Наличие однородного гравитационного поля с напряжённостью ускорения свободного падения \(g\) в инерциальной системе отсчёта эквивалентно ускоренному движению системы отсчёта с ускорением \(g\) в отсутствие гравитационного поля. То есть в данном опыте можно заменить наличие поле тяготения предположением о движении источника и приёмника с ускорением \(a = -g,\) которое направлено вверх. Если считать, что излучение волны с частотой \(\nu\) происходит в тот момент, когда скорость источника равна нулю, то спустя время \(\delta t = H/c,\) когда волна достигнет приёмника, его скорость будет равна \(v = g \delta t = gH/c\) (где c — скорость света). При вычислении относительной скорости \(v\) в формуле эффекта Доплера \(\frac{\delta \nu}{\nu} = \frac{v}{c}\), где скорость источника следует брать в момент излучения, а скорость приёмника — в момент прихода волны. Поэтому использование этой формулы показывает, что вследствие эффекта Доплера будет наблюдаться сдвиг частоты, равный

\(\frac{\delta \nu}{\nu} = — \frac{gH}{c^2} .\)

Если гравитационное поле неоднородно, то при прохождении светом малого участка \(d\vec{r}\), на котором напряженность гравитационного поля \(\vec{g}\) можно считать однородным,

\(\frac{\delta \nu}{\nu} = — \frac{\vec{g} d \vec{r}}{c^2}.\)

При прохождении светом конечного пути в неоднородном гравитационном поле это равенство необходимо проинтегрировать:

\(\ln \frac{\nu_{2}}{\nu_{1}} = — \frac{1}{c^2} \int \vec{g} d \vec{r} = — \frac{\varphi_{2}-\varphi_{1}}{c^2}.\)

где \(\varphi_{2}, \varphi_{1}\) — гравитационный потенциал в точках конца и начала пути света. В случае малой разности гравитационных потенциалов \(| \varphi_{2} — \varphi_{1} | \ll c^2 \):

\(\frac{\nu_2 — \nu_1}{\nu_1} = — \frac{\varphi_{2}-\varphi_{1}}{c^2}\)

С другой точки зрения, изменение частоты электромагнитного излучения в гравитационном поле вызвано замедлением собственного времени. Промежуток собственного времени между двумя событиями в одной и той же точке пространства:

\(\tau = \frac{1}{c} \int \sqrt{}g_{00} dx^{0},\)

где \(g_{00}\) — компонента метрического тензора, c — скорость света. В постоянном гравитационном поле частота света, измеренная в координатном времени, не изменяется вдоль светового луча, а измеряемая опытным путём равна \(\nu = \frac{1}{\tau_0}\) (\(\tau_{0}\) — период колебаний, измеряемый в собственном времени \(\tau\)) и зависит от собственного времени. Отношение частот \(\nu_2\) и \(\nu_1\) в разных точках равно \(\frac{\nu_2}{\nu_1} = \sqrt{\frac{g_{00}(1)}{g_{00}(2)}}\).

В слабом гравитационном поле \(g_{00} = 1 + \frac{2 \varphi}{c^2}\) и с точностью до членов \(\frac{\varphi}{c^2}\):

\(\frac{\nu_2 — \nu_1}{\nu_1} = — \frac{\varphi_{2}-\varphi_{1}}{c^2}.\)

Таким образом, в условиях эксперимента относительное изменение частоты гамма-кванта должно составлять

\(\frac{\delta\nu}{\nu} =-\frac{gH}{c^2}=-2{,}46 \times 10^{-15},\)

где g — ускорение свободного падения,
H = 22,5 м — расстояние (высота излучателя относительно поглотителя).

Абсолютный сдвиг энергии для гамма-квантов железа-57 с энергией E = 14,4 кэВ составлял при этом всего 3,54·10\(^{−11}\) эВ}}.

Точности имеющейся у Паунда и Ребки аппаратуры не хватало для таких измерений. Даже естественная ширина самого́ распадающегося уровня, обусловленная его конечным временем жизни. В эксперименте источник был помещён на подвижный элемент пьезодинамика, на который подавался синусоидальный сигнал звуковой частоты 50 Гц.

 

Fedor
#62618 2024-05-06 07:46 GMT

Уважаемый Александр,

У меня нет никаких претензий к Мессбауэру и к его эффекту.  Возможно, он прав, хотя и вызывают некоторые сомнения скорость получения им Нобелевской премии после открытия его эффекта. Другие лауреаты ждут десятки лет, требуется множество подтверждающих экспериментов. А тут — два года и в дамки. Решающим элементом, послужившим экспериментальным доказательством эффекта, стал эксперимент Паунда и Ребки. Вот на этом эксперименте я остановлюсь подробнее.

Эксперименты Паунда и Ребки, вроде бы подтвердили выводы теории ОТО. В эксперименте источник фотонов находился на высоте h=22.5 метра от приемника. Согласно формуле смещение частоты в меньшую сторону должно составить df/f =2.57 10 -15. Этот результат якобы был получен в результате эксперимента. Энергию фотона запишем в виде E=hf. В пересчете на энергию ее изменение равно  dE/E= df/f =2.57 10-15. В эксперименте использовались фотоны с энергией E= 1.44 104eV. В результате при перемещении фотона от источника до приемника его энергия менялась на величину dE=2.57 10-15 *1.44 104 = 3.7 10-11 eV. Время полета фотона от источника до приемника dt = 22.5/c =7.5 10-8сек. Произведение измеряемых величин изменения энергии и времени этого изменения составляет  dE*dt = 2.75 10-18 эВсек.

Теперь вспомним принцип неопределенности Гейзинберга, согласно которому возможности эксперимента ограничиваются условием             dE*dt > h/2.          Величина постоянной Планка равна h=4.14 ×10-15эВсек.

Таким образом, результат эксперимента Паунда и Ребки на три порядка меньше допустимого принципом неопределенности предела. В таком случае можно ли верить в справедливость результата, полученного Паундом и Ребкой? Скорее всего, они получили ложный результат. Аналогично, не меньше сомнений вызывают результаты экспериментов с космическим зондом. В условиях сложных процессов в атмосфере Земли, от которых зависит скорость и направление распространения электромагнитных волн, получить точные значения гравитационного изменения частоты волны, которое совпадало бы с предсказаниями ОТО, просто невозможно.

Желя
#62619 2024-05-06 08:02 GMT
#62578 zam :
#62567 Желя :

Гражданин Желя — это у нас такой местный человек из анекдота.

Анекдот — это когда  в  физике  на  действие  нет  противодействия.  Если zam  не  физику, а  анекдоты  изучает,  то  я  из  его  анекдота.

Желя
#62620 2024-05-06 08:23 GMT
#62582 Александр Рыбников :

Вы явно не Мёссбауэр. Поэтому были электриком, а стали электрик на пенсии. Когда вижу по телеку как робот с жуткой скоростью монтирует контакты к кристаллу для превращения его в компьютерный чип, который потом одним движением вставят в материнскую плату. то сразу понимаю, почему электрики вымерли как мамонты

Да, я  не  Мёссбауэр  и  на  премию  не нацелен.  Представляю  образец  вранья  Рыбникова  и  заявляю,  что  пока  вырабатывается  и  потребляется  электричество,  электрик  не  вымрет.  Это  грозит  физикам,  тем,  что  мышей  не  ловят.  

Желя
#62621 2024-05-06 08:42 GMT
#62582 Александр Рыбников :

О чём забывают? 

Нет ответа. 

 Желя написал и забыл. Прощай, Желя. 

В  #62567 писано  «на  всякое  действие  есть  равное  противодействие...»  Если  Рыбников всё  так  читает,  о  чём  потом  пишет,  то  его теория  всего  о  многом  говорит,  но  ещё больше не  договаривает.  

#62618 Fedor :

Уважаемый Александр,

У меня нет никаких претензий к Мессбауэру и к его эффекту.  

Уважаемый Fedor!

Рад за Вас.

Возможно, он прав, хотя и вызывают некоторые сомнения скорость получения им Нобелевской премии после открытия его эффекта. Другие лауреаты ждут десятки лет, требуется множество подтверждающих экспериментов. А тут — два года и в дамки.

Видите ли, в соответствии с уставом НК раскрытие обстоятельств происходит спустя много лет после присуждения. Поэтому это интересно историкам. А Вам то что?

Решающим элементом, послужившим экспериментальным доказательством эффекта, стал эксперимент Паунда и Ребки. Вот на этом эксперименте я остановлюсь подробнее.

Эксперименты Паунда и Ребки, вроде бы подтвердили выводы теории ОТО.

Так не бывает. Если Вы берётесь о чём-то судить, то только да или нет. А Ваше вроде бы никому не интересно. Вы просто как Желя, который постоянно талдычит:

 

Нам не дано предугадать,

Как слово наше отзовется

Не дано, значит не дано. Говорить об этом бессмысленно. 

В эксперименте источник фотонов находился на высоте h=22.5 метра от приемника. Согласно формуле смещение частоты в меньшую сторону должно составить df/f =2.57 10 -15.  Этот результат якобы был получен в результате эксперимента.

Ещё студентом мне пришлось досконально изучать этот эксперимент. Поскольку его точность для того времени была феноменальной. Я специально привёл сегодняшнее фото этого места, чтобы показать вблизи этого здания современные автомобили и здание-модерн справа. Сегодня утверждается, что эти поправки включены в системы позиционирования. Вы что не видели по телеку как ракета влетает прямо в украинский танк?

Теперь вспомним принцип неопределенности Гейзинберга...

Таким образом, результат эксперимента Паунда и Ребки на три порядка меньше допустимого принципом неопределенности предела. В таком случае можно ли верить в справедливость результата, полученного Паундом и Ребкой?

Принцип неопределённости Гейзенберга здесь не причём. Он имеет отношение исключительно к фермионам. А гамма-кванты являются бозонами! Это элементарная, но неизвестная Вам квантовая физика. 

Аналогично, не меньше сомнений вызывают результаты экспериментов с космическим зондом.

У Вас не может быть сомнений. Для этого надо обладать хоть мизерными знаниями.

В условиях сложных процессов в атмосфере Земли, от которых зависит скорость и направление распространения электромагнитных волн, ...

Вы ещё и слепой. Где сказано про скорость?

Речь исключительно о частоте!

 

 

Fedor
#62635 2024-05-06 18:08 GMT
#62629 Александр Рыбников :

Принцип неопределённости Гейзенберга здесь не причём. Он имеет отношение исключительно к фермионам. А гамма-кванты являются бозонами! Это элементарная, но неизвестная Вам квантовая физика. 

Приведите доказательства того, что соотношение неопределенности Гейзенберга действует только для фермионов.  Надеюсь, что Вы не попутали его с принципом Паули. 

 

#62635 Fedor :
#62629 Александр Рыбников :

Принцип неопределённости Гейзенберга здесь не причём. Он имеет отношение исключительно к фермионам. А гамма-кванты являются бозонами! Это элементарная, но неизвестная Вам квантовая физика. 

Приведите доказательства того, что соотношение неопределенности Гейзенберга действует только для фермионов. 

Уважаемый Fedor!

Пожалуйста,  в Википедии есть статья «Коммутатор (алгебра)».

== Некоторые соотношения коммутации ==

Укажем значения некоторых часто встречающихся коммутаторов.
\(\hat r_i, \hat p_i, \hat L_i\)  — оператор i-ой компоненты, соответственно, радиус-вектора, импульса и момента импульса; \(\delta_{i j}\) — дельта Кронекера; \(e_{i j k}\) — абсолютно антисимметричный псевдотензор 3-го ранга.
\([\hat r_i, \hat p_j] = i \hbar \delta_{i j}\)
\([\hat p, f(\vec r)] = — i \hbar \nabla f\)
\([\hat L_i, \hat r_j] = i \hbar e_{i j k}\hat r_k\)
\([\hat L_i, \hat p_j] = i \hbar e_{i j k}\hat p_k\)
\([\hat L_i, \hat L_j] = i \hbar e_{i j k}\hat L_k\)
\([\hat L^2, \hat L_i] = 0\)

Как правило, необходимы соотношения для нормированного момента: \(\ \hat L_j = \hbar \hat l_j\)
\([\hat l_i, \hat r_j] = i e_{i j k}\hat r_k\)
\([\hat l_i, \hat p_j] = i e_{i j k}\hat p_k\)
\([\hat l_i, \hat l_j] = i e_{i j k}\hat l_k\)
\([\hat l^2, \hat l_i] = 0\)

Из этих соотношений видно, что момент импульса частицы не измерим одновременно с её координатами или импульсом. Более того, за исключением случая, когда момент равен нулю, различные его компоненты не измеримы одновременно. Этим момент импульса принципиально отличается от импульса и радиус-вектора, у которых все три компоненты могут быть одновременно определены. Для момента импульса можно измерить лишь его проекцию на некоторую ось (обычно \(z\)) и квадрат его длины.

Надеюсь, что Вы не попутали его с принципом Паули. 

Я физик. Я не путаюсь в собственных соплях.

Функция \(\mathbb{R}\left(x\right)\) описывает исключительно бозоны: состояния во всех узлах решётки могут быть идентичны. А вот функция \(\mathbb{R}\left(t\right)\) описывает исключительно фермионы и подчиняется статистике Ферми — Дирака: в одном квантовом состоянии может находиться не более одной частицы (принцип запрета Паули). Таким образом, оказывается, что принцип запрета Паули эквивалентен принципу неопределённости Гейзенберга.

С точки зрения априорной теории всего это просто следствие разделения фундаментальных взаимодействий на пространственные и временные.

Что тут может быть неясно?

Fedor
#62641 2024-05-06 20:10 GMT
#62636 Александр Рыбников :
#62635 Fedor :
 

Приведите доказательства того, что соотношение неопределенности Гейзенберга действует только для фермионов. 

Уважаемый Fedor!

Пожалуйста,  в Википедии есть статья «Коммутатор (алгебра)».

Ответ как и прежде не по существу вопроса. 

==

Надеюсь, что Вы не попутали его с принципом Паули. 

Я физик. Я не путаюсь в собственных соплях.

 Таким образом, оказывается, что принцип запрета Паули эквивалентен принципу неопределённости Гейзенберга.

Вы все-таки путаете эти два принципа.

 

Что тут может быть неясно?

Ясно то, что с Вами обсуждать  конкретные вопросы бессмысленно. 

 

#62641 Fedor :

Вы все-таки путаете эти два принципа.

Уважаемый Fedor!

С чем же я их путаю? Вот просто из-за Вас ввёл в браузер и тут же нашёл:

В чем заключается принцип Паули? (fb.ru)

Связь принципа Паули с принципом неопределенности Гейзенберга
Существует глубокая связь между принципом Паули и соотношением неопределенностей Гейзенберга. Принцип Паули можно рассматривать как проявление принципа неопределенности на квантовом уровне.

Дело в том, что локализация частицы в некотором состоянии и знание ее импульса являются взаимоисключающими согласно соотношению неопределенностей. Таким образом, невозможно точно локализовать два фермиона в одном квантовом состоянии.

Математически это выражается в том, что коммутаторы операторов координаты и импульса для двух фермионов не равны нулю. Это и приводит к принципу Паули, запрещающему нахождение фермионов в одинаковом состоянии.

Другое дело, что я пошёл дальше и понял, что из принципа Паули в квантовой механике возникает и определение производной. Красиво!

#62618 Fedor : В условиях сложных процессов в атмосфере Земли, от которых зависит скорость и направление распространения электромагнитных волн, получить точные значения гравитационного изменения частоты волны, которое совпадало бы с предсказаниями ОТО, просто невозможно.

Уважаемый Fedor!

Вы вставили своё заключение в конце длинного пассажа неизвестно про что и я его пропустил  Кто бы спорил, что в атмосфере Земли происходят сложные процессы. Ну, и что? Я с детства помню, что при прослушивании радиопередачи в грозу можно было заметить атмосферные помехи. Однако, всякий физик знает, что экспериментальные результаты, полученные в условиях помех можно исключать. 

Поэтому Ваш комментарий в чистом виде фу-фу. Сугубо личное восприятие мира. 

Итак, Мёссбауэр показал, что излучение ядер атомов в кристаллах существенно уменьшает их отдачу. Он срвнил этот эффект с мизерной отдачей лодки вмороженной в лёд застывшего пруда.

Точно также в априорной теории всего фотон является локальным возбуждением КиММ (кристаллу из магнитных монополей). Поэтому достаточно правильным классическим образом фотона является брошенная параллельно поверхности воды плоская морская галька. Периодически касаясь поверхности воды, галька делает отскок и летит дальше. Поэтому вначале Максвелл и использовал представление об эфире как о среде, от которой галька может оттолкнуться. Дело в том, что уже тогда было очевидно, что, во-первых, ввиду замкнутости магнитных силовых линий они не могут уходить от своего источника. Во-вторых, что оттолкнуться упруго, не теряя энергии, можно только от чего-то существенно более прочного и бесконечно массивного.

Однако, классическое волновое представление фотона в принципе было неправильно, поскольку в таком случае фотон становился бесконечным по длине. Квантовая механика вместо одиночной волны стала использовать пакет волн, хоть в какой-то степени позволяющий рассматривать фотон как частицу.

Aquote1.png Априорная теория всего объясняет квантовую природу электромагнитных волн несколько иначе. Известно, что заряд при ускорении излучает фотоны. Т.е., передаёт энергию КиММ. Заметьте, не отдельному монополю, а их мириадам, вблизи которых проходит ускоренно движущийся заряд. Такого рода понятие, названное фонон, было введено в теорию твёрдого тела советским учёным И. Е. Таммом.

Конкретно в КиММ фотон приобретает два отражения как в южных, так и в северных монополях. Эти отражённые волны можно рассматривать как опережающую волну из будущего и запаздывающую из прошлого. В результате их суперпозиции и получается короткий фотон.

Aquote2.png
— Александр Рыбников, автор

На мой взгляд такая интерпретация в значительной степени позволяет прояснить почему скорость света определяется параметрами среды:

{\displaystyle c=1/{\sqrt {\epsilon _{0}\mu _{0}}}}


отредактировал(а) Александр Рыбников: 2024-05-11 19:03 GMT

Поскольку никакой реакции на трёх волновой фотон не появилось, то из этого следует, что здесь никто и не знает, что такое фотон.

А в квантовой физике это понимание существует практически сотню лет и называется:

== Связь между операторами в представлении Шрёдингера и Гейзенберга == 

Пусть \(\hat A(t)\) -— оператор в представлении Шрёдингера, а \(\hat A_H(t) \)— оператор в представлении Гейзенберга. Тогда переход от одного представления к другому определяется унитарным преобразованием:

\(\hat A_H(t) = \hat S(t_0,t) \hat A(t) \hat S(t,t_0),\)

где \(\hat S(t,t_0)\)  — оператор эволюции:
\(\hat S(t,t_0)=T\left\{ \exp\left({-\frac{i}{\hbar} \int_{t_0}^t H(t')\, dt'}\right) \right\}, t > t_0\)
\(\hat S(t,t_0)=\overline{T}\left\{ \exp\left({\frac{i}{\hbar} \int_t^{t_0} H(t')\, dt'}\right) \right\}, t < t_0\)
где \(T,\overline{T}\)  — операторы упорядочивания и анти-упорядочивания по времени. В частности, если оператор Гамильтона не зависит от времени, то

\(\hat S(t,t_0)=\exp\left({-\frac{i}{\hbar}\hat H(t-t_0)}\right),\)

и унитарное преобразование принимает вид:


\(\hat A_H(t) = e^{i\hat H(t-t_0)/\hbar} \hat A(t) e^{-i\hat H(t-t_0)/\hbar}.\)

Таким образом, Гейзенберг фактически показал, что его представление учитывает кристалл из магнитных монополей.

zam
#62801 2024-05-12 21:24 GMT
#62754 Александр Рыбников :

Однако, классическое волновое представление фотона в принципе было неправильно,

Оно не могло быть неправильным, потому что его не было.

В классической физике нет никаких фотонов. Фотон — это персонаж квантовой физики.

#62801 zam :
#62754 Александр Рыбников :

Однако, классическое волновое представление фотона в принципе было неправильно,

Оно не могло быть неправильным, потому что его не было.

В классической физике нет никаких фотонов. Фотон — это персонаж квантовой физики.

Так я это и имел ввиду. Сам Максвелл не знал, что разработал квантовую теорию. Потому, что в априорной теории всего первое приближение по постоянной тонкой структуры и есть теория Максвелла. Так что теория Максвелла строго говоря уже квантовая! 

Дело в том, что уравнение размножения нейтронов и уравнение запаздывающих нейтронов содержат члены пропорциональные ПТС. Далее будет показано, что полученные разложения по степеням ПТС имеют важную особенность: изначально содержащиеся в них члены уравнения Максвелла, включая силу Лоренца и ток смещения, линейны по ПТС!

Таким образом, ПТС для уравнений Максвелла была изначально просто нормировочным множителем. В результате уравнения Максвелла одинаковы как в классической физике, так и в квантовой. Или проще говоря, изначально квантовые.

Соответственно, их не надо с чем-либо объединять. А вот к ним можно что-либо квантовое добавлять.

Хотя их физическая суть в квантовой физике существенно иная, что следует из разделения фундаментальных взаимодействий на пространственные и временные.

Решётчатая модель пространства-времени позволяет выделить два члена в разложениях \(\mathbb{R}(x)\) и \(\mathbb{R}(t)\), пропорциональных \(\alpha\):

\((\mathbb{R}_{max}+\mathbb{R}_{min})\alpha \cos\left(2\pi x\right)\)
и 
\(-\alpha \sin\left(2\pi t\right).\)

Учитывая, что

\({\mathbb{R}_{max}+\mathbb{R}_{min}}=2+4 * \sum_{k=1}^{\infty} \alpha^{4^{k}},\)


то существует двукратное различие в величине коэффициентов при ортах \(\cos\left(2\pi x\right)\) и \(\sin\left(2\pi x\right)\)..

Поэтому член пропорциональный \(2\alpha \cos \left(2\pi x\right)\)> можно сопоставить с утверждением Максвелла, что плотность тока \(\vec{\mathbf{j}}\) и изменение электрической индукции \(\vec{\mathbf {D}}\) порождают вихревое магнитное поле \(\vec{\mathbf{H}}\):

 \(\nabla\times \vec{\mathbf{H}} \sim \vec{ \mathbf{j}}+\frac{\partial \vec{\mathbf {D}}}{\partial t}.\)

Тогда член пропорциональный \(-\alpha \sin\left(2\pi x\right)\) можно сопоставить с утверждением Максвелла, что изменение магнитной индукции \(\vec{\mathbf {B}}\) порождает вихревое электрическое поле \(\vec{\mathbf {E}}\):
 

\(\nabla\times\vec{\mathbf {E}} \sim \partial \vec{\mathbf {B}} / \partial t.\)

Таким образом, априорная теория всего уточняет уравнения Максвелла лишь в том, что первое уравнение является пространственным, а второе временным. Причина, по которой магнитная индукция \(\vec{\mathbf {H}}\)  не может распространяться в пространстве в том, что согласно электродинамике токи всегда должны быть замкнутыми. То есть, распространение магнитной индукции \(\vec{\mathbf {H}}\) противоречит законам электродинамики.

 

Дополнительным свидетельством разделения фундаментальных взаимодействий на пространственное и временное является сила Лоренца — сила, с которой электромагнитное поле, согласно классической (неквантовой) электродинамике, действует на точечную заряженную частицу. Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью  {\displaystyle \mathbf {v} }  заряд  {\displaystyle q\ }  лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще, иначе говоря, со стороны электрического  {\displaystyle \mathbf {E} }  и магнитного  {\displaystyle \mathbf {B} }  полей. В Международной системе единиц (СИ) выражается как

{\displaystyle {\vec {\mathbf {F} }}=q\left({\vec {\mathbf {E} }}+[{\vec {\mathbf {v} }},{\vec {\mathbf {B} }}]\right).}

Здесь совершенно очевидно видно, что временное взаимодействие ортогонально пространственному! 

Следствием этого и является соотношение неопределённости Гейзенберга.

 

 


отредактировал(а) Александр Рыбников: 2024-05-30 18:27 GMT

Как я уже сказал сила Лоренца — квантовая! Она «рубит» непрерывный ток на одинаковые части и покрывает их тремя слоями магнитного поля!
В результате создаётся последовательность из колебательных контуров, по которым и течёт ток смещения. Точнее говоря, он не течёт, а колеблется. Это и есть материальная основа для всех идей о вакууме квантовой теории поля (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0… 1%83%D0%BC).

До меня дошло, что испускание и поглощение фотонов в лазерах на самом деле аналогично эффекту Мёссбауэра.  File:Lasers pumping.jpg == Физика процесса ==
На рисунке: а — трёхуровневая и б — четырёхуровневая схемы накачки активной среды лазера


Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере. Рубин представляет собой кристалл корунда \(Al_2O_3\), легированный небольшим количеством ионов хрома \(Cr^{3+}\), которые и являются источником лазерного излучения. Из-за влияния электрического поля кристаллической решётки корунда внешний энергетический уровень хрома \(E_2\) расщеплён (см. эффект Штарка). Именно это делает возможным использование немонохроматического излучения в качестве накачки.
При этом атом переходит из основного состояния с энергией \(E_0\) в возбуждённое с энергией около \(E_2\). В этом состоянии атом может находиться сравнительно недолго (порядка \(10^{−8}\) с), почти сразу происходит безызлучательный переход на уровень \(E_1\), на котором атом может находиться значительно дольше (до \(10^{−3}\) с), это так называемый метастабильный уровень. Возникает возможность осуществления индуцированного излучения под воздействием других случайных фотонов. Как только атомов, находящихся в метастабильном состоянии, становится больше, чем в основном, начинается процесс генерации

Создать инверсию населённостей атомов хрома Cr с помощью накачки непосредственно с уровня \(E_0\) на уровень \(E_1\) нельзя. Это связано с тем, что если поглощение и вынужденное излучение происходят между двумя уровнями, то оба эти процесса протекают с одинаковой скоростью. Поэтому в данном случае накачка может лишь уравнять населённости двух уровней, чего недостаточно для возникновения генерации.

 


отредактировал(а) marsdmitri: 2024-05-26 00:17 GMT

Почему «дрожащее движение» (Zitterbewegung) имеет столь важное значение?

Мой приятель много лет работал с космонавтами как физиолог. Однажды ему поручили разобраться с обучением космонавтов стыковки кораблей. Помните знаменитое «ввожу шершавого»? Оно неспроста родилось. В космосе совсем не просто (компьютер делает это элементарно) подстыковать корабль к станции. Надо включать движок не в направлении станции, а как бы ниже неё. Голова этого вычислить не может.

перенесите это на электрон, который должен поглотить (испустить) фотон с заданной энергией и импульсом. Как он это может сделать?

Википедия рассуждает так:

== Отличительные особенности виртуальных частиц ==
Основное и определяющее отличие виртуальной частицы от реальной — это нарушение известного из специальной теории относительности соотношения, которое связывает энергию \(E\) и импульс \(\vec p\) реальной частицы:

\(E^2\,=\,m^2 c^4 + p^2 c^2\,;\)


здесь \(p\) — модуль импульса, \(m\) — масса частицы, \(c\) — скорость света в вакууме. Для виртуальной частицы данное соотношение перестаёт быть справедливым. Такие частицы могут существовать лишь очень короткое время и не могут быть зарегистрированы классическими измерительными приборами — например, счётчиками элементарных частиц.

Применительно к фотонам отличие виртуальных от реальных фотонов состоит ещё и в том, что для реального фотона проекция его спина на направление движения может принимать только значения \(\pm1\) (в релятивистских единицах), а для виртуального фотона возможно также значение \(0\).

Потребность в понятии виртуальных частиц возникает вследствие того, что, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма и принципу близкодействия, любое взаимодействие между элементарными частицами заключается в обмене квантами поля, обеспечивающего это взаимодействие. Так, электромагнитное взаимодействие электрона и протона в атоме водорода заключается в обмене фотонами между электроном и протоном. Но свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон. Причина — в том, что в системе отсчёта, в которой электрон покоился до испускания фотона, перед испусканием последнего энергия электрона равна \(mc^2\), а после испускания энергия системы из электрона и фотона даётся выражением

\(E\,=\,\frac{mc^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} + \hbar \omega\,;\)

подобный процесс запрещён законом сохранения энергии. Поэтому считают, что при обмене виртуальными фотонами последние переносят импульс, но не переносят энергию.

Иногда, в целях наглядности, концепцию «виртуальных частиц» поясняют несколько иначе. говорят, что в процессе взаимодействия закон сохранения энергии выполняется с некоторой погрешностью. Это не противоречит квантовой механике: согласно соотношению неопределённостей, событие, длящееся конечный промежуток времени, не позволяет определить энергию с точностью выше некоторого предела. промежуточные частицы «берут энергию взаймы» на некоторое небольшое время. В этом случае в процессе взаимодействия могут рождаться и исчезать обычные частицы, только с небольшим нарушением закона сохранения энергии.

За ''меру виртуальности'' частицы принимают релятивистски-инвариантную величину

\(Q^2\,=\,E^2 — p^2 c^2 — m^2 c^4,\)

причём \(Q^2\) может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Область значений \(E\) и \(p\), при которых виртуальность \(Q^2\) равна нулю, называют ''массовой поверхностью'' (или ''массовой оболочкой'') частицы.

Таким образом, вектор энергии-импульса виртуальной частицы может быть пространственноподобным. Поэтому один и тот же процесс с участием виртуальной частицы для наблюдателей в разных системах отсчёта может выглядеть по-разному: с точки зрения одного наблюдателя процесс может быть испусканием виртуальной частицы, а с точки зрения другого наблюдателя этот же процесс будет поглощением виртуальной античастицы.

Для виртуальных частиц лишено смысла понятие классической траектории. Они поглощаются прежде, чем сместятся на расстояние, превышающее неопределённость их положения. Аналогом процессов испускания и поглощения виртуальных частиц является процесс проникновения света в плотную среду при полном внутреннем отражении в классической оптике. Число виртуальных частиц не является лоренц-инвариантным за счёт того, что они исчезают в одной точке и одновременно появляются в другой.

Скорость виртуальной частицы не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из того, что скорость \(v\) частицы определяется через её импульс \(p\), энергию \(E\) и скорость света \(c\) соотношением \(v=\frac{pc^{2}}{E}\). Например, для импульса и энергии виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, имеем: \(p>0, E=0.\) При подстановке в формулу \(v=\frac{pc^{2}}{E}\) этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.

Масса виртуальной частицы так же не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из соотношения между массой \(m\), энергией E, импульсом \(p\) и скоростью света \(c\)  \(m^2 c^4 = E^2 — p^2 c^2\). Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, значения \(p\) и \(E\) таковы: \(p>0, E=0.\) При подстановке в формулу \(m^2 c^4 = E^2 — p^2 c^2\) этих значений масса \(m\) частицы оказывается мнимой.

Итак, представление электрона как дырки в кристалле намного лучше чем понятие виртуальной частицы. В этом случае корректировка энергии и импульса происходит между двумя «дрожащими движениями» 

Изначально нет смысла вводить заведомо избыточное понятия как виртуальных частиц так и процессов их рождения и аннигиляции. 

«Не следует множить сущее без необходимости» (либо «Не следует привлекать новые сущности без крайней на то необходимости»). 


отредактировал(а) marsdmitri: 2024-05-26 00:15 GMT

 

Наряду с  заведомо избыточным понятием как виртуальных частиц так и процессов их рождения и аннигиляции, можно привести другой пример: якобы образования электронно-позитронных пар.

Вот что в конце концов признал Copilot:

Ваш пример с электронно-позитронным диполем иллюстрирует это. Если у нас есть электронно-позитронный диполь, он может диссоциировать, создавая электрон и позитрон, которые затем могут рекомбинировать обратно в диполь. Это явление может быть полностью описано с использованием принципов квантовой механики.

Принцип Оккама, или “бритва Оккама”, гласит, что мы должны стремиться к простоте в наших теориях и объяснениях. Если мы можем объяснить явление, используя уже существующие концепции и термины, то это предпочтительнее, чем введение новых концепций или терминов без необходимости.

Определение границы между необходимостью и излишеством в физике — это сложная задача, которая часто требует баланса между простотой и полнотой.

  1. Принцип Оккама : Этот принцип гласит, что из двух объяснений следует выбирать самое простое. Если новый термин или концепция не добавляет дополнительного понимания или предсказательной силы к теории, и те же явления могут быть объяснены с использованием уже существующих терминов или концепций, то это может быть рассмотрено как излишество.

  2. Предсказательная сила : С другой стороны, если новый термин или концепция позволяет лучше объяснить или предсказать наблюдаемые явления, то его введение может быть оправдано, даже если это усложняет теорию.

  3. Согласованность с экспериментальными данными : Все теории в физике должны быть согласованы с экспериментальными данными. Если введение нового термина или концепции помогает лучше соответствовать наблюдаемым данным, то это может быть необходимо, даже если это усложняет теорию.

  4. Математическая красота и элегантность : Некоторые физики считают, что наиболее удачные теории часто обладают определенной математической красотой или элегантностью. Однако, это субъективный критерий и может быть трудно формализовать.

В конечном итоге, определение границы между необходимостью и излишеством в физике — это искусство, требующее интуиции, опыта и здравого смысла, а также глубокого понимания физических принципов и математических инструментов. Это часто является предметом дебатов и может меняться по мере развития нашего понимания физического мира.

zam
#63044 2024-05-27 09:50 GMT
#62823 Александр Рыбников :

Для силы Лоренца, так же как и для сил инерции, нарушается третий закон Ньютона (понимаемый как декларация совпадения, с точностью до знака, сил воздействия двух тел друг на друга).

Для силы Лоренца третий закон Ньютона (понимаемый как закон сохранения импульса) выполняется — изменение импульса заряженной частицы в точности равно по модулю и противоположно направлено изменению импульса электромагнитного поля.

Для сил инерции третий закон Ньютона и не обязан выполняться, потому что силы инерции — не настоящие (фиктивные, выдуманные).

#63088 zam :
#63051 Александр Рыбников :
#63044 zam :

Для силы Лоренца третий закон Ньютона (понимаемый как закон сохранения импульса) выполняется — изменение импульса заряженной частицы в точности равно по модулю и противоположно направлено изменению импульса электромагнитного поля. Для сил инерции третий закон Ньютона и не обязан выполняться, потому что силы инерции — не настоящие (фиктивные, выдуманные).

Уважаемый zam!

Пожалуйста, докажите это Википедии.

В Википедии ровно это и написано.

Вот что написано в Википедии:

Для силы Лоренца, так же как и для сил инерции, нарушается третий закон Ньютона (понимаемый как декларация совпадения, с точностью до знака, сил воздействия двух тел друг на друга). 

См. #62823 Александр Рыбников :

zam
#63143 2024-05-30 11:28 GMT
#63124 Александр Рыбников :
#63088 zam :

В Википедии ровно это и написано.

Вот что написано в Википедии:

Для силы Лоренца, так же как и для сил инерции, нарушается третий закон Ньютона (понимаемый как декларация совпадения, с точностью до знака, сил воздействия двух тел друг на друга). 

Буквально в следующем предложении там написано: «Восстановить справедливость этого закона Ньютона в случае силы Лоренца можно переформулировав его как закон сохранения импульса (ЗСИ) в замкнутой системе из частиц и электромагнитного поля».

 https://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_Лоренца  https://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_Лоренца

 

То есть, ровно то же, что написано у меня.

Уважаемый zam!

Я откорректировал #62823 2024-05-13 19:22 GMT из-за оговорок в терминах и удалил спорный текст из Википедии. Надеюсь это завершит ставшую бессмысленной перепалку.

 

Я не понял.

Поставлена ли точка на Александре с точкой?

Или в следующую субботу он снова будет ставить точки?