Содержание
Экспериментально доказано, что можно получить материю из энергии
30 июля 2021
17:42
Наталия Теряева
Создание материи из света: два иона золота (Au – красный) движутся навстречу друг другу почти со скоростью света.
Иллюстрация Brookhaven National Laboratory.
Детектор STAR помог обнаружить предсказанное 80 лет назад физическое явление.
Фото Brookhaven National Laboratory.
Ученые из Брукхейвена экспериментально подтвердили возможность рождения светом электрон-позитронных пар – частиц материи и антиматерии.
Исследователи из коллаборации RHIC/STAR Брукхейвенской национальной лаборатории в США предоставили убедительное доказательство физического явления, предсказанного более 80 лет назад: свет может рождать электрон-позитронные пары.
Чтобы доказать этот факт, ученые в подробностях изучили более 6 000 пар электронов и позитронов, которые образовались в столкновении ионов золота на релятивистском ускорителе тяжелых ионов – коллайдере RHIC. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Достижение американских ученых состоит в демонстрации того, что пары электронов и позитронов (то есть частиц вещества и антивещества) могут рождаться в столкновении фотонов высокой энергии (частиц света). Это преобразование света в материю описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc2, которое утверждает, что энергия и материя (масса) эквивалентны.
То, что материя может превращаться в энергию, люди знают давно: Земля получает энергию от ядерных реакций, происходящих на Солнце, а жители планеты пользуются электричеством, генерируемым атомными электростанциями.
Теперь ученые убедились, что реален и обратный процесс – можно прямо получать материю из энергии.
Такой удивительный результат был получен благодаря способности детектора STAR коллайдера RHIC измерять угловое распределение частиц, образующихся в скользящих столкновениях ионов золота.
Ускоритель RHIC разгоняет ионы золота почти до скорости света, они летят навстречу друг другу и сталкиваются не лоб в лоб, а как бы случайно задевая друг друга – скользя мимо друг друга. Отсюда термин скользящие столкновения. Физики же называют такие столкновения периферическими.
Гипотетическую возможность получать пары электронов и позитронов (антиэлектронов) из света впервые описали физики Грегори Брейт и Джон А. Уиллер в 1934 году. Но проверка их гипотезы в те годы была технически неосуществима.
«В своей статье Брейт и Уиллер показали, что это практически невозможно сделать, – рассказывает Чжанбу Сюй (Zhangbu Xu) из коллаборации RHIC/STAR. – Лазеров еще даже не существовало! Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу: ускорение тяжелых ионов.
И их альтернатива – именно то, что мы делаем в RHIC».
И их альтернатива – именно то, что мы делаем в RHIC».Напомним, что ион – это ядро атома, «ободранное» от электронов. Ион золота (ядро из 79 протонов и 118 нейтронов) имеет внушительный положительный заряд. Ещё бы, ведь в нём целых 79 положительно заряженных протонов. Ускорение такого «заряженного» тяжелого иона почти до скорости света создает мощное кольцеобразное магнитное поле. Оно возникает вокруг мчащейся частицы, как вокруг провода, по которому бежит электрический ток.
«Если скорость [частицы] достаточно высока, сила кольцеобразного магнитного поля может быть сопоставима с напряженностью перпендикулярного электрического поля, – поясняет Сюй. – Так что, когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, возникает пучок фотонов, окружающих ядро золота и движущихся вместе с ним, как облако».
Вероятно, Сю имеет в виду, что комбинация магнитного и электрического полей порождает своего рода аналог фотонов, поясняет портал Phys.
org.
В коллайдере RHIC ускоренные до огромной скорости ионы золота (99,995% скорости света) движутся в двух кольцах ускорителя навстречу друг другу. Они проскальзывают мимо друг друга в точке, где стоит детектор STAR. Вместе с пучками ионов встречаются друг с другом и сопровождающие их облака фотонов.
Физики STAR отслеживали взаимодействия двух встречных облаков фотонов и искали предсказанные физической теорией электрон-позитронные пары.
Однако подобные пары частиц могут быть порождены, согласно теории, многими процессами на коллайдере RHIC. В частности, физикам из США требовалось разобраться, порождались ли они реальными или «виртуальными» фотонами.
«Виртуальные» фотоны существуют короткое время – миллионные доли секунды. Они появляются на краткий миг, но тем не менее имеют массу. Реальные же фотоны живут долго и «летают» далеко. В этом мы можем убедиться своими собственными глазами, куда они попадают в виде света на сетчатку нашего зрительного органа.
Чтобы убедиться, что электрон-позитронные пары были порождены от реальных, а не «виртуальных» фотонов, физики из Брукхейвена должны были показать, что вклад «виртуальных» фотонов не влияет на результат эксперимента.
Для этого ученые STAR проанализировали характер углового распределения каждого электрона по отношению к его партнеру-позитрону. Дело в том, что угловое распределение пар, образованных реальными фотонами, отличается от углового распределения пар, рожденных «виртуальными» фотонами. В общем, работы у ученых было много.
«Мы также измерили все энергии, массовые распределения и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами взаимодействия реальных фотонов», – разъясняет Дэниел Бранденбург (Daniel Brandenburg) из Брукхейвенской национальной лаборатории.
Создать электрон-позитронные пары (без успеха, впрочем) пытались и другие ученые в столкновениях сфокусированных лучей мощных лазеров. По мнению Бранденбурга, фотонам лазерных лучей пока не хватает энергии.
«Наши результаты четко свидетельствуют о прямом и непосредственном создании пар материя-антиматерия в столкновениях [квантов] света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер, – подчеркивает Бранденбург.
– Благодаря высокоэнергетическому пучку тяжелых ионов RHIC, высокой чувствительности и точности детектора STAR мы можем анализировать все кинематические распределения с высокой статистической определенностью и установить, что данные эксперимента соответствуют столкновениям именно реальных фотонов».Всего месяц назад о возможности получения электрон-позитронных пар в столкновениях тяжелых ионов в Дубне, на строящемся здесь коллайдере NICA, говорил академик Юрий Оганесян, «отец» химического элемента №118 – оганесона.
Коллайдер NICA Объединенного института ядерных исследований должен начать работу через два года. Он сможет ускорять еще более тяжелые ядра, чем RHIC, – ядра урана с 92 протонами «на борту».
Идея производить на коллайдере NICA электрон-позитронные пары так захватила президента РАН Александра Сергеева, что он предложил сочетать возможности коллайдера с мощными лазерными пучками и построить для этого в Дубне лазерный центр.
Так что, кто знает, может быть, следующая новость о рождении материи из энергии придет из подмосковной Дубны.
Пока же мир досконально изучает достижение американских исследователей.
Ранее мы писали о том, как в столкновениях на БАК была открыта самая долгоживущая экзотическая частица, а также о том, что ускорить частицы до невероятных энергий поможет лазер и пузырьки водорода. Если вы ещё не слишком устали от физических выкладок, то можете также почитать о том, как «гигантские атомы» глотают другие атомы, чтобы сформировать новое состояние вещества.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
наука
свет
лазер
коллайдер
антиматерия
электрон
общество
новости
Измерения охлаждают объект: проверка квантового эффекта
Наука
|
Поделиться
Эксперимент, поставленный американскими учеными, подтвердил принцип неопределенности Гейзенберга и показал, что с помощью измерений можно понизить температуру объекта.
страницы:
1
|
2
| следующая
В микромире, среди бактерий и наночастиц, также действуют законы Ньютона, и их проявления гораздо более явственны, нежели принципы квантовой механики. Однако квантово-механические эффекты тоже можно увидеть, если располагать соответствующим измерительным оборудованием. Это и постарались сделать ученые из Университета Корнелла, США, во главе с Кейтом Швабом, профессором физики.
Теперь же ученые экспериментально показали, что квантовые эффекты присущи макроскопическим объектам. Более того — оказалось, что с помощью измерений можно понизить температуру объекта.
Помогло им новое измерительное устройство, которое они сами сконструировали. Оно представляет собой полоску из алюминия длиной 8.7 микрон и шириной 200 нанометров, расположенную на подложке из нитрида кремния и закрепленную на ней с обоих концов.
Получается, что при такой конструкции середина полосы будет находиться в подвешенном состоянии и может вибрировать, если на нее воздействовать извне.
Рядом с устройством Шваб поместил сверхчувствительный одноэлектронный сверхпроводящий транзистор, регистрирующий любое отклонение полоски на подложке от положения равновесия.
Исходя из принципа неопределенности Гейзенберга, чем точнее мы измеряем скорость частицы, тем неопределеннее становится ее положение, и наоборот – зная точное положение частицы мы не сможем говорить точно о ее скорости. Однако заметно влияние этого принципа только при спускании «вниз» по размерной шкале – от нанометров и ниже.
Бизнес рассказал, как внедрялись российские ИТ-решения с грантовой поддержкой
Поддержка ИТ-отрасли
Шваб и его коллеги с помощью полоски-резонатора и сверхпроводящего транзистора попытались «поймать» эффект как можно ближе «сверху» по размерной шкале – на границе теоретического предела, где можно увидеть действие принципа неопределенности Гейзенберга.
«Измерение положения объекта и сам объект тесно связаны между собой, и мы установили, что при измерении положения полоски, она изменила положение в пространстве, — говорит Шваб. – Это произошло потому, что мы проводили измерения очень близко к границе, где действует принцип неопределенности. Законы квантовой механики гласят, что нельзя не изменить состояние объекта, за которым наблюдаешь. Именно это мы смогли показать опытным путем».
страницы:
1
|
2
| следующая
- В каком ЦОД разместить оборудование Colocation? Найти ответ на ИТ-маркетплейсе Market.CNews
Видео с вопросами: Определение цели научных экспериментов
Стенограмма видео
Какое из следующих утверждений
наиболее правильно описывает цель проведения эксперимента? Теперь нам дали четыре
заявления здесь.
Итак, давайте перейдем к ним один за другим и
посмотрите, какой из них правильный. Номер один, эксперимент
проводится для открытия новых явлений.
Итак, давайте подумаем над этим
один. Цель эксперимента
действительно открывать новые явления? Ну, иногда, когда мы проводим
эксперимент, мы можем открыть новые явления. Что-то неожиданное произойдет, если
скажем, например, ученый, проводящий эксперимент, делает что-то не так, или
если экспериментальная установка не работает должным образом, или просто что-то совпало
происходит не то, что мы ожидаем.
И это может оказаться новым
явление. Однако действительно ли ученый
поставить эксперимент и провести его, чтобы обнаружить это новое явление? Ну нет. Возможно, им повезло и
открыли что-то новое, но не это было целью проведения
эксперимент.
Так что это не ответ на
наш вопрос.
Давайте перейдем к номеру два
затем. Проводится эксперимент, чтобы
генерировать наблюдения об известном явлении. Теперь этот кажется немного
больше похоже на ответ. Это предполагает, что мы
провести эксперимент, чтобы лучше узнать известное явление. Однако это утверждение весьма
нечеткий. Это просто говорит о чем-то
генерация наблюдений.
Так что да, это ближе к
правильный ответ, но, на наш взгляд, он все еще слишком расплывчатый. Так что это не тот ответ, который мы
находясь в поиске. Номер три, эксперимент
выполняется для проверки предсказания. Вот это уже больше похоже. Это очень специфично. Мы проводим эксперимент, чтобы проверить
прогноз. Вся идея в том, что мы подходим
с гипотезой, представлением о том, что может происходить, чтобы описать
известное явление.
Затем мы используем эту гипотезу
с предсказаниями, которые мы можем проверить с помощью эксперимента. И весь смысл в этом
Эксперимент заключается в проверке предсказаний, сделанных гипотезой. А значит, эксперимент
специально разработан для проверки этих предсказаний. И мы можем понять, почему это утверждение
лучше, чем номер два, потому что номер два, как мы уже говорили ранее, слишком
нечеткий. Он просто говорил о создании
наблюдения, которые, как вы понимаете, не для нас.
Нам нужно быть очень, очень
конкретный. Мы разрабатываем этот эксперимент, чтобы
проверить это предсказание, сделанное этой гипотезой. Это позволяет нам быть более
систематически с нашей наукой. Мы не просто хотим быть волнистыми
и генерировать наблюдения. Мы хотим специально протестировать
предсказание, сделанное гипотезой.
Таким образом, мы можем быть систематичными, т.к.
мы сказали, потому что мы можем проверить все предсказания, сделанные одной гипотезой, а затем
перейти к следующей гипотезе.
В сущности, так лучше для
административной части науки, потому что тогда мы можем очень тщательно проверять гипотезы и их
предсказания. Таким образом, номер три выглядит как
правильный ответ на наш вопрос. Но давайте просто убедимся, что
цифра четыре действительно неверна. Номер четыре говорит, что эксперимент
выполняется для подтверждения гипотезы. Теперь это утверждение очень и очень
неправильно и очень опасно. Это почему?
Ну, мы никогда не сможем подтвердить
гипотеза, потому что так работает наука. Мы выдвигаем гипотезу и
проверить это экспериментом. Если результат эксперимента
не согласуется с предсказаниями, сделанными гипотезой, то сразу же мы знаем, что
гипотеза не может быть верной.
Но если результаты эксперимента
согласиться с гипотезой, то все, что мы можем сказать, это то, что у нас есть веские доказательства в пользу
гипотеза находится в правильном направлении.
Однако мы не можем подтвердить
гипотеза, потому что нам, возможно, просто повезло, и мы получили правильные результаты. Или гипотеза, возможно, дала
правильный прогноз по неправильным причинам. Также эксперимент, который мы проводим
никогда не следует выполнять для подтверждения гипотезы, потому что, как мы уже говорили, мы
не может подтвердить гипотезу, но и это утверждение говорит о том, что ученые
уже верит, что гипотеза верна, и они просто ищут экспериментальные
результаты, подтверждающие это.
Очень похоже на
предвзятость подтверждения, когда вы предполагаете, что что-то верно, а затем ищете
результаты, чтобы поддержать вас.
И это не то, как наука
работает. Мы всегда должны быть
открытый. Так что номер четыре не наш правильный
ответь либо. Теперь просто прояснить этот финал
указать, почему номер четыре неверен, давайте рассмотрим пример.
Допустим, у нас есть этот холм, и
у нас есть мяч на вершине холма или почти на вершине холма. Допустим, мы предполагаем, что
мяч телепортируется оттуда, где он сейчас находится, к подножию холма, и мы выдвигаем гипотезу
что нужно 10 секунд, чтобы добраться туда. Итак, что мы делаем, так это проводим
эксперимент. Ставим мяч на старт
должность. А потом проверяем где 10
секунд спустя. Ну, через 10 секунд это действительно заканчивается
там, где мы ожидали, что это будет.
Таким образом, наши экспериментальные результаты совпадают
с тем, что мы предсказывали. Но значит ли это, что наша
гипотеза подтверждается? Ну нет.
Это было бы нелепо. Как мы уже говорили ранее, мы только что получили
везучий. Гипотеза о том, что мяч
телепорты с вершины холма к подножию холма дали нам право
ответ по неправильным причинам. На самом деле, наверное, просто прокатило
вниз по склону, и на это ушло 10 секунд.
Однако, чтобы мы обнаружили, что
предполагая, что мы этого еще не знали, нам пришлось бы проводить дальнейшие
эксперименты. Мы должны были бы проверить пять секунд
позже, где мяч был. И мы бы поняли, что мяч был
где-то на полпути вниз по холму через пять секунд после того, как мы его выпустили. И тогда мы поймем, что это
наверное не телепортируется. Но тогда, возможно, он телепортировался из
сюда сюда. Так что, возможно, нам нужно пересмотреть наши
гипотеза.
Вот в чем суть. Мы никогда не сможем подтвердить
гипотеза.
Единственное, что мы можем сделать, это
провести несколько различных экспериментов, чтобы проверить различные предсказания, сделанные
гипотеза. И чем больше доказательств того, что
мы заключаем, что согласуется с предсказаниями, сделанными гипотезой, тем больше и больше
скорее всего, гипотеза верна.
Но мы никогда не сможем на 100 процентов
подтверди это. Мы можем только приблизиться. Но все же, возвращаясь к нашему
вопрос, наш окончательный ответ заключается в том, что эксперимент проводится для проверки
прогноз.
Что такое научная гипотеза?
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
(Изображение предоставлено: PeopleImages/Getty Images)
Научная гипотеза — это предварительное, поддающееся проверке объяснение явления в мире природы.
Это начальный строительный блок в научном методе. Многие описывают это как «обоснованное предположение», основанное на предварительных знаниях и наблюдениях. Хотя это верно, гипотеза более информативна, чем предположение. В то время как «обоснованное предположение» предполагает случайное предсказание, основанное на опыте человека, разработка гипотезы требует активного наблюдения и фонового исследования.
Основы гипотезы
Основная идея гипотезы заключается в том, что не существует предопределенного исхода. Чтобы решение можно было назвать научной гипотезой, оно должно быть идеей, которую можно подтвердить или опровергнуть с помощью тщательно продуманных экспериментов или наблюдений. Эта концепция, называемая фальсифицируемостью и проверяемостью, была выдвинута в середине 20 века австрийско-британским философом Карлом Поппером в его знаменитой книге «Логика научных открытий» (Routledge, 1959).
Ключевая функция гипотезы состоит в том, чтобы делать предсказания о результатах будущих экспериментов, а затем проводить эти эксперименты, чтобы увидеть, подтверждают ли они предсказания.
Гипотезу обычно записывают в виде утверждения «если-то», которое дает возможность (если) и объясняет, что может произойти из-за возможности (тогда). Заявление также может включать «может», согласно Калифорнийский государственный университет, Бейкерсфилд (открывается в новой вкладке).
Вот несколько примеров утверждений гипотезы:
- Если чеснок отпугивает блох, то собака, которой дают чеснок каждый день, не заразится блохами.
- Если сахар вызывает кариес, то люди, которые едят много конфет, могут быть более склонны к кариесу.
- Если ультрафиолетовый свет может повредить глаза, то, возможно, этот свет может вызвать слепоту.
Что делает гипотезу проверяемой?
Полезная гипотеза должна быть проверяемой и фальсифицируемой. Это означает, что должна быть возможность доказать, что это неправильно. Согласно книге Карла Поппера 1963 года «Гипотезы и опровержения (открывается в новой вкладке)», теория, ошибочность которой нельзя доказать, является ненаучной.
Пример непроверяемого утверждения: «Собаки лучше кошек». Это потому, что определение «лучше» расплывчато и субъективно. Однако непроверяемое утверждение можно переформулировать, чтобы сделать его проверяемым. Например, предыдущее утверждение можно изменить на следующее: «Владение собакой связано с более высоким уровнем физической подготовки, чем владение кошкой». С помощью этого утверждения исследователь может измерить физическую подготовку владельцев собак и кошек и сравнить их.
Типы научных гипотез
Нулевой гипотезой может быть: Не будет разницы в скорости вращения между турбиной с 6 и 8 лопастями. (Изображение предоставлено: SDI Productions/Getty Images)
(открывается в новой вкладке)
В ходе эксперимента исследователи обычно формулируют свои гипотезы двумя способами. Нулевая гипотеза предсказывает, что не будет никакой связи между тестируемыми переменными или разницы между экспериментальными группами. Альтернативная гипотеза предсказывает обратное: между экспериментальными группами будет разница.
Как правило, именно эта гипотеза больше всего интересует ученых.0049 Университет Майами (открывается в новой вкладке).
Например, нулевая гипотеза может утверждать: «Не будет никакой разницы в скорости роста мышц между людьми, которые принимают протеиновые добавки, и людьми, которые их не принимают». Альтернативная гипотеза гласит: «Скорость роста мышц между людьми, принимающими белковые добавки, и людьми, не принимающими их, будет отличаться».
Если результаты эксперимента показывают связь между переменными, то нулевая гипотеза отвергается в пользу альтернативной гипотезы, согласно книге « Research Methods in Psychology » (BCcampus, 2015).
Существуют и другие способы описания альтернативной гипотезы. быть разницей между двумя группами. Этот тип предсказания называется двусторонней гипотезой. Если гипотеза указывает определенное направление — например, что люди, которые принимают протеиновые добавки, наберут больше мышц, чем люди, которые этого не делают, — это называется односторонней гипотезой, согласно Уильям М.
К. Трохим , профессор анализа политики и управления в Корнельском университете.
Иногда во время эксперимента возникают ошибки. Эти ошибки могут произойти одним из двух способов. Ошибка I рода — это когда нулевая гипотеза отвергается, хотя она верна. Это также известно как ложное срабатывание. Ошибка II рода возникает, когда нулевая гипотеза не отвергается, если она ложна. По данным Калифорнийского университета в Беркли, это также известно как ложноотрицательный результат.0050 (откроется в новой вкладке).
Гипотеза может быть отвергнута или изменена, но ее невозможно доказать в 100% случаев. Например, ученый может выдвинуть гипотезу о том, что если у помидора определенного типа есть ген красного пигмента, то помидор этого типа будет красным. Затем в ходе исследований ученый обнаруживает, что каждый помидор этого типа красный. Хотя результаты подтверждают гипотезу, где-то в мире может быть помидор этого типа, который не является красным. Таким образом, гипотеза верна, но не может быть верной в 100% случаев.
Научная теория и научная гипотеза
Лучшие гипотезы просты. Они имеют дело с относительно узким набором явлений. Но теории шире; как правило, они объединяют несколько гипотез в общее объяснение широкого круга явлений, согласно Калифорнийскому университету, Беркли . Например, гипотеза может заключаться в следующем: «Если животные адаптируются к окружающей среде, то у птиц, живущих на островах с большим количеством семян, клюв будет другой формы, чем у птиц, живущих на островах, где много насекомых». Проверив множество подобных гипотез, Чарльз Дарвин сформулировал всеобъемлющую теорию: теория эволюции естественный отбор.
«Теории — это способы, которыми мы придаем смысл тому, что наблюдаем в мире природы», — сказал Таннер. «Теории — это структуры идей, которые объясняют и интерпретируют факты».
Дополнительные ресурсы
- Узнайте больше о написании гипотезы от Американской ассоциации медицинских писателей.
- Узнайте, почему гипотеза не всегда необходима в науке, от американского учителя биологии. (откроется в новой вкладке)
- Узнайте о нулевых и альтернативных гипотезах от профессора Эссы на YouTube (откроется в новой вкладке).
(откроется в новой вкладке)Библиография
Британская энциклопедия. Научная гипотеза. 13 января 2022 г. https://www.britannica.com/science/scientific-hypothesis
Карл Поппер, «Логика научных открытий», Routledge, 1959.
Калифорнийский государственный университет, Бейкерсфилд, «Форматирование проверяемая гипотеза». https://www.csub.edu/~ddodenhoff/Bio100/Bio100sp04/formattingahypothesis.htm
Карл Поппер, «Предположения и опровержения», Routledge, 1963.
Прайс, П., Джангиани, Р., и Чанг, И., «Методы исследования психологии — 2-е канадское издание», BCcampus, 2015.
Университет Майами, «Научный метод» http://www.bio.miami.edu/dana/161/evolution/161app1_scimethod.pdf
Уильям М.К. Трохим, «База знаний по методам исследования», https://conjointly.com/kb/hypotheses-explained/
Калифорнийский университет, Беркли, «Множественная проверка гипотез и частота ложных открытий» https://www.