Na pierwszy rzut oka kwestia wagi cienia wydaje się głupia. Nawet jeśli cień ma jakąkolwiek wagę, musi być tak mały, że można go zmierzyć tylko techniką mikrocząstek. Jest jeszcze jedno pytanie, czy światło ma wagę, skoro w taki czy inny sposób powinno nadawać określoną wagę każdemu przedmiotowi?
Oba te pytania wydają się dziwne, ale wystarczająco interesujące, więc postanowiłem je rozwiązać.
Pamiętajmy najpierw Piotruś Pan, mówią, że miał żywy cień, ale był on tak nieznaczny, że wydawał się ważyć nie więcej niż dym papierosowy. Piotruś Pan był oczywiście postacią fikcyjną, choć na poziomie kwantowym może to nie mieć znaczenia, a jego twórca J. M. Barry, nie miał wystarczającej wiedzy naukowej.
Rzeczywiście, używając jednego z układów odniesienia, możemy wywnioskować, że nasze cienie w rzeczywistości ważą mniej niż nic. Czterysta lat temu astronom Johannes Kepler zauważył, że ogony komet zawsze są odwrócone od Słońca i doszedł do wniosku, że promienie słoneczne wywierają nacisk, który przenosi cząsteczki. Pod koniec XIX wieku fizyk James Clerk Maxwell sformułował równanie do obliczania ciśnienia światła, które zostało eksperymentalnie potwierdzone w 1903 roku.
Mam nadzieję, że rozumiesz, do czego zmierzam. Jeśli stoisz i padają na ciebie promienie słońca, tworzysz strefę obniżonego ciśnienia, przykrytą cieniem. W porównaniu z resztą krajobrazu twój cień (a dokładniej obszar, który obejmuje) waży mniej.
O ile mniej? Niewiele. Ciśnienie promieni słonecznych jest niewiarygodnie małe: mniej niż miliardowa Pa na powierzchni ziemi. Innymi słowy, potrzeba kilku milionów ludzkich cieni, aby wytłumaczyć jeden funt światłości w cieniu. Światło padające na miasto Chicago ma łączną siłę około 1334N.
Jednak bardzo mały nie znaczy nieważny. Aby japońska sonda kosmiczna Hayabusa zbliżyła się do asteroidy Itokawa w 2005 roku, zawisła obok niej, a także nie zdetonowała jej ani nie zderzyła się z nią, wzięto pod uwagę lekkie ciśnienie równe 1% ciągu silnika sondy. Dokonano tego z niesamowitą precyzją, dzięki czemu sonda była w stanie wylądować na asteroidzie, zebrać próbki pyłu i powrócić na Ziemię w czerwcu 2010 roku.
Film promocyjny:
Innym równie ciekawym obiektem jest japońska słoneczna żaglówka IKAROS, marzenie pisarzy science fiction od co najmniej 50 lat, została ostatecznie zwodowana w 2017 roku. Pomysł polegał na tym, że żagiel słoneczny wykorzystywał ciśnienie światła, wiatr słoneczny (słaby strumień naładowanych cząstek emanujących z korony słonecznej) i ładunek użytkowy, aby go przenieść. W czerwcu IKAROS z powodzeniem podniósł swój żagiel, 7,5 mikrona kwadratowego z ultracienkiej folii, wyposażony w panel słoneczny służący jako źródło zasilania. W lipcu japońska agencja kosmiczna poinformowała, że IKAROS jest napędzany przez ciśnienie słoneczne 1,12 mN, które w zasadzie nie jest tak duże. Ale ta moc jest generowana przez promienie słoneczne i jest darmowa! Naukowcy dokonali tego w odległości ponad czterech milionów kilometrów! Zasługuje na szacunek.
W 2010 roku naukowcy z Australian National University wykazali, że światło może być używane do podnoszenia małych cząstek i przemieszczania ich o 12 cali (30 cm) od siebie. Doszli do wniosku, że w końcu będą w stanie zrobić to samo na głębokości 33 stóp (10 metrów), co również nie wydaje się takie wspaniałe. Jeśli jednak maleńka cząsteczka jest śmiertelnym wirusem, żywą komórką lub cząsteczką gazu, której nie można przenieść w żaden inny sposób … wiesz, o co mi chodzi.
Czy więc pytanie o wagę cienia jest głupie? Ogólnie tak. Jednak szukając odpowiedzi na to głupie pytanie, robimy mały, ale bardzo istotny krok, próbując zrozumieć, czym jest stosunkowo niewielka waga? Wcześniej to pytanie zadawali Kepler, Maxwell, a teraz jesteśmy.
Pamiętam to doświadczenie ze szkolnych lekcji fizyki. Wiązka światła skierowana została na wirnik, którego płatki pomalowano na przemian na biało i czarno. Pod wpływem światła turbina zaczęła się obracać, co jednoznacznie dowiodło, że światło ma impuls. Oznacza to, że strumień świetlny to nie tylko fale, ale także cząsteczki-ciałka (mają podwójną lub podwójną naturę). Jeśli chodzi o wagę cienia, wartość ta ma wartość ujemną, ponieważ najmniejszy nacisk promieni światła przejmuje ciało zasłaniające cień.
Na pytaniu toczy się cała dyskusja na temat cienia:
- Ciężar (w fizyce) to siła, z jaką ciało naciska na podporę. Zwykle jest mylony z masą, ponieważ w polu grawitacyjnym Ziemi ciężar jest proporcjonalny do masy, a współczynnik proporcjonalności (przyspieszenie swobodnego spadania) praktycznie się nie zmienia. Również w obracającym się systemie nieinercjalnym (na przykład w obrotowej stacji kosmicznej) siła odśrodkowa (a wraz z nią ciężar obiektów) będzie proporcjonalna do ich masy, ale współczynnik proporcjonalności będzie inny. Teraz o cieniu. Oczywiście nie jest to przedmiot. I nie ma masy. Jednak w pewnym sensie cień ma wagę. Tylko on jest negatywny! W końcu cień to brak światła z powodu przeszkody, która stała na jego drodze. Światło to strumień fotonów o masie i prędkości, a wraz z nimi pęd. Gdyby fotony leciały, przekazywałyby swoje impulsy do oświetlonego „wspornika”, wywierając ciągły nacisk. I ciśnieniepowierzchnia pomnożona to siła. Można powiedzieć, że waga światła. Cień to brak zarówno światła, jak i jego „ciężaru”. To znaczy, w porównaniu z oświetleniem, cień wydaje się mieć „ujemną” wagę, mniej więcej jak „dziura” (brak ujemnie naładowanego elektronu w półprzewodniku) „ma” ładunek dodatni.
- Co to jest absurd? Fotony nie mają masy, mają pęd, a jeśli kierujesz się wzorem E = mc ^ 2, to dla fotonu energia będzie równa E = pc, ponieważ fotony nie mają i nie mogą mieć masy spoczynkowej. Teraz o ujemnej masie. Ujemną masę, hipotetycznie, posiadają cząstki egzotycznej materii. A przejawia się to w tym (nie zapominajmy, że masa jest miarą bezwładności), że jeśli „popchniesz” tę cząstkę, to poleci ona w drugą stronę. Nie ma to nic wspólnego z tą kwestią. Jeśli podążasz za swoją uliczną logiką, wszystko, co wydaje się być, można nazwać negatywnym, ale jest na to pewna przeszkoda. Bawiły ich także takie surowe założenia, jak: pęd to masa, masa to siła, siła to ciśnienie, a ciśnienie to waga. Dzięki takiemu podejściu możesz udowodnić wszystko. Jest na to nawet nazwa (nie pamiętam),kiedy za podstawę przyjmuje się fałszywy osąd (prawda) i wyprowadza się z niego potrzebne stwierdzenie. Mógłbyś być dobrym teoretykiem spiskowym.
- Nie ma impulsu bez masy. Energia bez masy też nie istnieje. Ani słowa nie powiedziano o mszy. Waga nie jest masą. Mówiono to od samego początku. „Waga” cienia jest ujemna (w pewnym sensie). Nie było cienia „masy”. Przedstawianie braku czegoś jako obecności czegoś bezpośrednio przeciwnego to wygodna, długoletnia i szeroko stosowana tradycja w fizyce. Nie mam na myśli "dziur" (braku elektronów) w półprzewodnikach. Dogodnie jest je traktować (i są uważane!) Za „nośniki ładunku” o podformalności elektronów, ale przeciwstawnym znaku ładunku. Ponieważ nie pracowałem, aby nauczyć Cię podstaw fizyki.
- Trudno zignorować pytanie, na które u góry wisi fundamentalnie błędna odpowiedź. Waga jest wektorową wielkością fizyczną charakteryzującą siłę działania ciała na podporę. P = m * g. Widać, że ciężar może być ujemny, na przykład, jeśli gęstość ciała jest mniejsza niż gęstość medium (na ciało działa siła wyporu). Ujemna waga nie oznacza jego braku. Teraz trochę o tym, czym jest cień. Cień to zjawisko optyczne, które występuje w różnych warunkach oświetleniowych. A to nie oznacza całkowitego braku światła. Po prostu jedna powierzchnia jest jaśniejsza (więcej fotonów uderza i odbija się od niej), a druga jest ciemniejsza (cień). Wiemy, że fotony nie mają masy (gdyby foton miał masę, to jego ugięcie w polu grawitacyjnym musiałoby zależeć od jego częstotliwości, ale tego nie obserwujemy, według wszystkich obliczeń jest to do tej pory achromatyczne),i dlatego nie mają wagi, ale mają energię i rozmach. Ponieważ fotony mają pęd, światło padające na ciało wywiera na nie nacisk (kwantowa teoria światła wyjaśnia ciśnienie światła w wyniku przeniesienia pędu przez fotony na atomy lub cząsteczki substancji), ale nie można go w żaden sposób utożsamiać z ciężarem. Wszystko to jest komentarzem do odpowiedzi Nekto. W rzeczywistości cień nie ma żadnej wagi, ponieważ jest to tylko zjawisko optyczne, takie jak przelanie się benzyny (interferencja w cienkich warstwach) lub odbicie w wodzie.ale nie można go w żaden sposób utożsamić z wagą. Wszystko to jest komentarzem do odpowiedzi Nekto. W rzeczywistości cień nie ma żadnej wagi, ponieważ jest tylko zjawiskiem optycznym, takim jak przelanie się benzyny (interferencja w cienkich warstwach) lub odbicie w wodzie.ale nie można go w żaden sposób utożsamić z wagą. Wszystko to jest komentarzem do odpowiedzi Nekto. W rzeczywistości cień nie ma żadnej wagi, ponieważ jest tylko zjawiskiem optycznym, takim jak przelanie się benzyny (interferencja w cienkich warstwach) lub odbicie w wodzie.
- Czy niezależność częstotliwości coś dowodzi? W mechanice klasycznej odchylenie kątowe światła jest również niezależne od częstotliwości (deltaV / c) = (2 * G * M) / (R * c2). W SRT będzie to (deltaV / c) = (4 * G * M) / (R * c2), czyli dwa razy więcej, ale żadne zależności nie są dodawane / dodawane. Wątpię, czy jakikolwiek parametr systemu może zniknąć ze zmiany terminologii. Oznacza to, że waga światła nie powinna nigdzie iść. Może trzeba jakoś przedefiniować, ale nie powinno być tak, że w starej wersji było niezerowe, aw nowej było zerowe. Ponadto pojawia się impuls.
ILE JEST LEKKA WAGA? Tak samo jak jego energia
Fotony, cząsteczki światła, nie mają masy spoczynkowej i istnieją tylko w ruchu z prędkością światła. Dlatego nie można zważyć jednego fotonu. Jednak ściany każdego naczynia emitują promieniowanie cieplne, wypełniając wewnętrzną objętość fotonami. Poruszają się losowo we wszystkich kierunkach, a ich średnia prędkość wynosi zero. Tak jak mówią fizycy, gaz fotonowy ma masę odpowiadającą jego energii (E = mc2) i w zasadzie można go zważyć. Na przykład promieniowanie cieplne wewnątrz litrowego pojemnika waży około jednego atomu węgla. Masa promieniowania szybko rośnie wraz z temperaturą, ale dopiero przy miliardach stopni będzie miała gęstość równą gęstości substancji, do której jesteśmy przyzwyczajeni. Co więcej, samo to promieniowanie nie będzie już zwykłym światłem, ale twardymi promieniami rentgenowskimi.
Łatwo się dowiedzieć. Biegniemy do kuchni, bierzemy wagę elektroniczną i około południa ustawiamy ją prostopadle do światła słonecznego. Zakładając, że jesteśmy czyści i całe światło jest całkowicie odbite od błyszczącej powierzchni łusek, bierzemy z tabeli ru.wikipedia.org liczbową wartość ciśnienia Słońca przy pełnym odbiciu (9,08 mikroNewtonów na metr kwadratowy) i mnożymy przez powierzchnię roboczą naszych odważników (~ 0,11 metra kwadratowego). Otrzymujemy ~ 100 nanoNewtonów, siłę nacisku wiatru słonecznego na skalę. Przekładamy to na znane wszystkim jednostki (kilogramy), dzieląc wynik przez przyspieszenie ziemskie (9,8 m / s ^ 2). Czy to wynik, który widzielibyśmy na naszej kuchennej wadze, ważącej światło słoneczne, ~ 10 nanogramów?
Wbrew dość powszechnej opinii, istnieje odpowiednik masy światła i ma on dość fizyczne znaczenie. Przeprowadźmy eksperyment myślowy. Powiedzmy, że masz komorę z lustrzanymi, całkowicie odblaskowymi ścianami wewnętrznymi i dokładnie znaną masą. A teraz pozwól, aby potężny promień lasera wszedł do niego na krótki czas przez otwór, po czym otwór się zamknie. Światło jest w komorze, wędrując od ściany do ściany.
Tak więc, gdyby istniała możliwość ultraprecyzyjnych pomiarów, okazałoby się, że zwiększyłaby się masa komory z uwięzionym w niej światłem. W szczególności stanie się cięższy. A jej bezwładność wzrośnie. I grawitacja (!). Tradycyjnie wszystkie te właściwości przypisuje się konkretnie masie.
Formalny dowód jest przynajmniej taki: niech elektrony i pozytony będą przez jakiś czas w komorze; Oczywiście zwiększają całkowitą masę. Niedługo potem wszystkie one anihilują - i mamy aparat z kwantami gamma. Widać, że masa komory się nie zmieniła!
Ile waży wszechświat?
Ile waży wszechświat, możesz spróbować obliczyć, określając masę kwazarów. Badając sąsiednie galaktyki, naukowcy ustalili, że istnieje korelacja między masą czarnej dziury a galaktyką. Zwykle masa czarnej dziury stanowi niewielki procent masy układu gwiazdowego, wahający się od około 0,14% do 0,5%. Jeśli ta zależność jest prawdziwa we wczesnym Wszechświecie, masa Galaktyki powinna odpowiadać oszałamiającym bilionom mas Słońca w gwiazdach. Nie wspominając o ciemnej materii składowej, która jest zdecydowanie najbardziej masywną częścią każdego systemu gwiezdnego. Nie jest jeszcze możliwe określenie masy innych galaktyk, jeśli istnieją one we współczesnym Wszechświecie. Ale jeśli galaktyki istnieją w przewidywanym zakresie mas, zostanie to po raz pierwszy wykryte w tej erze.
Badanie masywności galaktyki dostarczy informacji o tym, jak rośnie ona we wszechświecie. Jego wzrost wynosi około 2000 km dziennie. Istnieje całkowicie nie do udowodnienia liczba, że masa Galaktyki mieści się gdzieś w pięćdziesiątej potęgi ton. Jasność odległych kwazarów i ciężar wszechświata.
Dlaczego istnieje korelacja między masą czarnej dziury a galaktyką? Jaki jest związek między akrecją czarnej dziury a formowaniem się gwiazd? Naukowcy obliczyli, że jasność kwazarów zależy przy maksymalnej prędkości od granicy Eddingtona. Granica Eddingtona istnieje, ponieważ im szybciej czarna dziura pochłania ciało, tym większe tarcie, a tym samym więcej światła jest wytwarzane w dysku akrecyjnym. Wraz ze wzrostem zużycia energii przez czarną dziurę wzrasta ilość emitowanej energii promieniowania, co z kolei spowalnia tempo zużycia. Osiągnięto limit Eddingtona.
Limit Eddingtona to krytyczna maksymalna wartość mocy promieniowania i jasności. Udowodniony przez angielskiego astrofizyka Arthura Eddingtona jako warunek równowagi ciągu, ciśnienia i promieniowania. Dodatkowe światło jest emitowane na zewnątrz, wywierając nacisk na spadający materiał, spowalniając go. Choć może się to wydawać sprzeczne z intuicją, światło w rzeczywistości wywiera nacisk na obiekty przy dostatecznym oświetleniu i przyrównuje się do znacznej mocy.
Naukowcy tworzą przekonujące modele w takich pytaniach dotyczących roli czarnych dziur, ale nie ma zgody w tej kwestii. Jeśli kwazar jest wyjątkowym laboratorium do badań, to kwazar czarna dziura i galaktyka - rozwijają się razem.
Światło z kwazara można również wykorzystać do poznania wszechświata na inne sposoby. Jasność pozwoli naukowcom zbadać środowisko międzygalaktyczne, jak nigdy dotąd. Ośrodek międzygalaktyczny to dystrybucja gazu i pyłu pomiędzy galaktykami zawierającymi wodór, hel i różne metale (w warunkach astrofizycznych wszystkie powyższe pierwiastki helu są znane jako „metale”). Światło z kwazara musi podróżować wystarczająco długo, zanim dotrze do Ziemi. Kiedy światło przechodzi przez gaz, niektóre długości fal światła wnikają w gaz lepiej niż inne, a niektóre pierwiastki blokują pewne długości fal. Na przykład, badając widmo obiektu i obserwując, że brakuje w nim niektórych długości fal, naukowcy mogą dowiedzieć się o zawartości gazu. Jednak proces ten staje się trudniejszy, zwłaszcza przy tak dużych odległościach. Przy słabszym świetle (zmiana mocy) trudniej jest rozróżnić te przerwy lub linie w widmie.
Jasność kwazara zapewni wyraźniejszy pomiar środowiska międzygalaktycznego. Po określeniu jasności kwazara można odpowiedzieć na pytanie: "Ile waży Wszechświat?" A ponieważ metale w ośrodku międzygalaktycznym zostały wyprodukowane przez połączenie rdzeni gwiazd, pomiary tych pierwiastków mogą pomóc naukowcom poznać procesy powstawania gwiazd we Wszechświecie.