импульс физика

Закон сохранения импульса

ссылка на гифку

Триллион кадров в секунду

Несколько лет назад на ректоре упоминалась высокоскоростная камера, которую построили в MIT (Массачусетский Технологический Институт) в 2011 году. Но почему-то я так и не увидел поста с шикарными видео. Исправляю упущение.

Дело в том, что камера с такой скоростью съёмки позволяет наглядно снять фронт распространения светового импульса! То, что раньше казалось невозможным, давно уже реально - увидеть, как свет распространяется IRL.

Более подробно с объяснениями и видом установки.

PS. Не так давно, в 2020 году заработала похожая установка в Калифорнийском Технологическом Институте. Новая камера обещает дать до 70 триллионов кадров в секунду. Ждём новых открытий!

Физики подтвердили наличие аномалии в электромагнитном отклике протона

Если я верно улавливаю суть то это довольно крутое открытие которое подтверждает возможность квантовых энергетических уровней в протоне (раньше про квантовые уровни энергии/орбитали говорили для электронов, теперь официально и для протонов), перспективы этого открытия лично мне представить пока сложновато (протонный лазер?,  холодный термоядерный синтез?, просто узнаем что у протона внутри?) но очень интересно.

Большая группа физиков уточнила зависимость электрической и магнитной поляризуемости протона от квадрата переданного 4-импульса. Для этого они исследовали виртуальное комптоновского рассеяние, обстреливая электронами мишень из жидкого водорода. Результаты эксперимента позволили подтвердить существование аномалии в окрестности 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, что противоречит существующим теориям ядерных взаимодействий. Исследование опубликовано в Nature.

Протон имеет положительный заряд, равный элементарному, однако, в отличие от электрона, этот заряд складывается из зарядов частиц, входящих в его состав (партонов). Среди них могут быть и отрицательно заряженные партоны: валентный d-кварк, а также бесчисленные отрицательные морские кварки, рождающиеся в парах частица-античастица. Это означает, что внешнее электрическое поле должно смещать части протона относительно друг друга, что физики характеризуют с помощью электрической поляризуемости (также еще бывает и магнитная поляризуемость).

Величина этого параметра напрямую зависит от жесткости протона, а потому несет важную информацию о взаимодействиях внутри него. В экспериментах по рассеянию электронов на протонах поляризуемости дают различный вклад в его исход в зависимости от квадрата переданного от частицы системе 4-импульса. Измеряя эту зависимость, Роше с коллегами еще в 2000 году обнаружили аномальный пик при 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, который противоречит теоретическим соображениям, предсказывающим монотонный спад к этой области, хотя точность эксперимента было не очень большой. Проблема усугубляется тем, что такие переданные импульсы — это область, в которой плохо работают приближенные методы квантовой хромодинамики — теории кварк-глюонных взаимодействий. По этой причине крайне важно иметь высокоточные данные об аномалии, чтобы улучшить протонные модели.

Ценную работу в этом направлении проделала большая группа физиков из Армении, Индии, Канады и США под руководством Николаоса Спарвериса (Nikolaos Sparveris) из Университета Темпл. Они провели измерение сечение виртуального комптоновского рассеяния, обстреливая протоны электронами в зале C лаборатории Джефферсона. За счет нескольких технических улучшений, ученые смогли добиться большей точности, нежели была у их предшественников. В результате группа подтвердила существование аномалии.

Поляризуемость атомов и молекул физики умеют измерять сравнительно легко. Тот же параметр для протонов измерять гораздо сложнее в силу иных физических масштабов. Некоторые выводы об электрической и магнитной поляризуемости можно сделать, облучая протоны электромагнитным излучением. В этом случае наблюдается реальное рассеяние Комптона, которое сопровождается изменение частоты фотона. Скалярные компоненты нужных величин (то есть поляризуемости при нулевом квадрате переданного 4-импульса) появляются во вкладах второго порядка в соответствующий гамильтониан взаимодействия.

Для исследования же зависимости поляризуемостей от различных переданных 4-импульсов, физикам нужны процессы с нарушением связи энергия-импульс, то есть вне массовой поверхности. Такое происходит при взаимодействии с виртуальными частицами. Поэтому полностью поляризуемости проявляют себя при измерении виртуального комптоновского рассеяния, в котором падающий фотон рождается в акте взаимодействия электрона с протоном как частица-переносчик.

Для исследования такого рассеяния физики направляли пучок электронов с энергией 4,56 гигаэлектронвольт на мишень из жидкого водорода толщиной 10 сантиметров. Спектрометры в экспериментальной камере фиксировали энергии и импульсы рассеявшихся электронов и протонов отдачи. По совпадениям от них можно было восстановить всю кинематику рассеяния. Особенностью проделанного эксперимента стало то, что его авторы проводили измерения вблизи нуклонного резонанса, где поляризуемости проявляются сильнее. Кроме того, физики концентрировались на азимутально-симметричных рассеяниях фотона, сравнения которых позволили исключить ряд систематических факторов.

Физики обработали данные для трех переданных 4-импульсов: 0,28, 0,33 и 0,40 квадратных гигаэлектронвольта. Они подгоняли измеренные сечения под модель на основе дисперсионных соотношений, куда электрическая и магнитная поляризуемости входят в качестве свободных параметров, в то время как протонные электромагнитные форм-факторы считались известными и брались учеными из литературы. Строя зависимость поляризуемостей от переданных 4-импульсов, авторы подтвердили, что для ее электрической части на 0,33 квадратных гигаэлектронвольта присутствует пик, который, однако, примерно в два раза меньше, чем тот, что наблюдался ранее.

Исходя из модели, авторы оценили средний квадрат радиуса электрически поляризованного протона, который оказался равен 1,36 ± 0,29 квадратных фемтометра. Это почти в два раза больше, чем средний квадрат радиуса неполяризованного протона, равный примерно 0,7 квадратных фемтометра. Физики связывают такое изменение главным образом с деформацией мезонного облака в протоне. Средний квадрат радиуса магнитно поляризованного протона оказался равен 0,63 ± 0,31 квадратных фемтометра, что свидетельствует о компенсации диа- и парамагнитных вкладов в протоне.

полностью на n+1

Animation vs. Physics

Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объяснение — нет

В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если поток жидкости в нем обернуть вспять? Ответ на этот вопрос выглядит абсолютно очевидным. И он всегда разный в зависимости от степени понимания отвечающим физики протекающих процессов. Поэтому неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе занимала лучшие умы человечества многие десятилетия. К счастью, американские ученые наконец-то теоретически и экспериментально обосновали по-настоящему правильное ее решение.

Разбрызгиватель, работающий в инвертированном режиме (вода движется к центру устройства через трубки-сопла внутрь). Хорошо видны формирующиеся внутри него вихри разного размера и направления

Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона Стиглера: Ричард Фейнман лишь популяризовал загадку, но сформулировал ее далеко не первым. Наиболее раннее упоминание этого теоретического вопроса встречается в труде The Science of Mechanics (1883 год) небезызвестного Эрнста Маха, именем которого названо число Маха. Экспериментальные попытки определить, в какую сторону будет вращаться инвертированный разбрызгиватель, стали предпринимать примерно с 1940-х годов.

Имя Фейнмана с этой задачей связано следующим образом. Во-первых, когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя (как раз в 1940-е) коллегами-аспирантами, предложил провести эксперимент. И не где-нибудь, а в помещении циклотрона Принстонского университета. Опыт закончился феерично: задействованный в процессе стеклянный бак разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным, разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался. Хотя вода через него продолжила проходить.

Во-вторых, именно Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя. Она упоминается в его автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя в среде популяризаторов науки и ученых эта задача и ранее ассоциировалась с его фамилией, чем гениальный физик явно не был доволен. Он справедливо указывал, что лавры первооткрывателя принадлежат не ему, а Маху.

60-дюймовый циклотрон в Лаборатории радиации им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли

Упрощенно суть проблемы заключается в следующем. Полностью погрузим садовый S-образный вращающийся разбрызгиватель в большую емкость и попробуем откачать через него воду. В какую сторону будет вращаться разбрызгиватель и будет ли он это делать вообще? Возможных решений три:

1 - Он будет вращаться в сторону, противоположную «обычному» режиму разбрызгивания: вода же всасывается, следовательно, на срезе сопел возникает разрежение. Это объяснение наименее полное с точки зрения физики, но интуитивно кажется самым логичным.

2 - Он будет вращаться в ту же сторону, что и «обычный» разбрызгиватель: увлекаемая в него вода передает часть крутящего момента на изгибающееся сопло. Этот вариант требует как можно меньшего трения во всех вращающихся деталях разбрызгивателя.

Разбрызгиватель, работающий в режиме обычного опрыскивателя (вода движется от центра устройства через трубки-сопла наружу)

На протяжении последнего полувека различные исследователи проводили эксперименты, чтобы определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. Но результаты были всегда неоднозначные. Даже в тех случаях, когда трение движущихся частей разбрызгивателя удавалось снизить практически полностью, он либо стоял на месте, либо едва заметно вращался в противоположную сторону. Полноценного ответа найти не получалось.

За решение эпохальной задачи взялась лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук (NYU Courant: Institute) — независимого подразделения Нью-Йоркского университета. В ней уже не раз отвечали на животрепещущие вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучили нюансы аэродинамики планеров с тончайшими крыльями (что позволяет делать самые эффективные бумажные самолетики). Новая научная работа плодотворной исследовательской организации опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Чтобы во всех деталях изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем, ученым пришлось попотеть. Сначала они создали наиболее полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой не только минимизировано трение, но и устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.

Во время эксперимента использовали не обычную воду — в нее добавили отражающие микрочастицы, которые ярко светились в лучах подсвечивающего лазера. Так получилось наглядно увидеть поток жидкости и все возникающие в нем турбулентности. Результатом экспериментов и моделирования стала удивительная картина: инвертированный разбрызгиватель действительно будет крутиться в сторону, противоположную «обычному» режиму работы. Только в 50 раз медленнее. Самое удивительное, что обнаружили исследователи: механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного», не инвертированного разбрызгивателя. И его секрет кроется в том, что происходит внутри устройства.

Схема эксперимента: (a) — разбрызгиватель в разрезе (он способен работать и в обычном и в инвертированном режиме); (b) — чертеж всей установки; (c) — иллюстрация, показывающая метод визуализации турбулентных потоков (в плоскости трубок-сопел работает «лазерная завеса», которая подсвечивает отражающие микрочастицы, двигающиеся вместе с водой)

Дело в том, что при всасывании воды, трубки-сопла тоже формируют струи, только не снаружи разбрызгивателя, а внутри. Даже если они расположены строго на противоположных сторонах кольца и оси их параллельны, получившиеся струи не обязательно столкнутся в центре. Ведь сопла изгибаются, меняют направление движения воды, а она, в свою очередь, получает от этого дополнительный импульс. И когда покидает трубку, часть этого импульса заставляет поток отклоняться от прямолинейной траектории.

В результате внутри разбрызгивателя возникает несколько вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Но их размер, а вместе с тем скорость и объем вовлеченной воды, не одинаковый. Это приводит к неравномерному распределению момента силы в разных направлениях. И устройство вращается.

Вывод исследования можно кратко сформулировать так: будет ли фейнмановский разбрызгиватель вращаться и если да, то в какую сторону, — в первую очередь зависит от внутренней геометрии этого разбрызгивателя. В общем случае он будет едва заметно вращаться в обратную сторону, но если трение в его деталях велико, то это движение зафиксировать трудно.

Статья спизжена отсюда

Нобелевскую премию по физике получили трое ученых за исследования запутанных состояний