Какая волна может распространяться в вакууме

Гипотеза о существовании ударных волн в вакууме Текст научной статьи по специальности «Философия, этика, религиоведение»

Аннотация научной статьи по философии, этике, религиоведению, автор научной работы — Кулаков В.Г.

В данной статье обсуждается гипотеза о возможности существования в вакууме ударных электромагнитных и гравитационных волн. Далее в статье рассматривается несовместимость принципа относительности механического движения с существованием подобных волн.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Гипотеза о существовании ударных волн в вакууме»

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4/2019

Московский техникум космического приборостроения Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана г. Москва, РФ.

E-mail: kulakovvlge@gmail.com SPIN РИНЦ: 2111-7702

ГИПОТЕЗА О СУЩЕСТВОВАНИИ УДАРНЫХ ВОЛН В ВАКУУМЕ

Физический вакуум. Электродинамика. Светоносный эфир. Гравитация. Ударная волна.

В XVIII и XIX веках в теоретической физике параллельно друг другу разрабатывались две принципиально различные гипотезы о распространении физических взаимодействий:

1) материалистическая гипотеза близкодействия, в соответствии с которой предполагается, что физические взаимодействия распространяются через некоторую среду с определенной временной задержкой;

2) идеалистическая гипотеза дальнодействия, предполагающая, что физические взаимодействия мгновенно распространяются через пустоту.

После открытия электромагнитных волн в конце XIX века явную победу одержала гипотеза близкодействия, так как в абсолютной пустоте волны распространяться не могут.

Наличие у физического вакуума способности к передаче электромагнитных колебаний означает, что он является не пустотой, а некоторой средой.

Ударная волна — это распространяющийся по среде фронт резкого изменения параметров среды. Возможно ли возникновение в вакууме ударных волн? Каким образом будет проявляться действие подобных волн? Какие следствия могут вытекать из их существования?

Проведем несколько мысленных экспериментов.

Рисунок 1 — Прохождение заряженного тела сквозь разреженное облако, состоящее из электрических диполей

В качестве первого примера рассмотрим изображенную на рисунке 1 упрощенную графическую модель прохождения заряженного тела через сильно разреженное облако, состоящее из электрических диполей. Предположим, что перед началом эксперимента диполи были неподвижны и ориентированы в пространстве случайным образом. Предположим также, что заряженное тело приходит из бесконечности, проходит насквозь через облако диполей без каких-либо соударений, а затем удаляется в бесконечность.

Предположим, что тело движется с релятивистской скоростью. Какое воздействие окажет тело на диполи? Каким образом повлияет взаимодействие с облаком диполей на кинетическую энергию заряженного тела?

В начале XX века было открыто явление запаздывания потенциалов, означающее, что заряженное тело, движущееся с релятивистской скоростью, создает в окружающем его пространстве электромагнитную ударную волну. В результате очень быстрого прохождения возле диполя заряженного тела данный диполь получает некоторый импульс механического движения, который приводит диполь во вращение вокруг его собственной оси симметрии.

Таким образом, проходя сквозь облако диполей, заряженное тело передает им часть своей кинетической энергии, в результате чего движение тела замедляется.

В качестве второго примера рассмотрим изображенную на рисунке 2 графическую модель гравитационного взаимодействия, возникающего при прохождении физического тела через разреженное облако, состоящее из других физических тел. Предположим, что тело, движущееся с релятивистской скоростью, приходит из бесконечности, проходит через облако без соударений, а затем удаляется в бесконечность.

Рисунок 2 — Прохождение физического тела через разреженное облако, состоящее из физических тел

Действие гравитационных сил приводит к тому, что движущееся тело притягивает к себе все тела, входящие в состав облака, увлекая их к себе и за собой. В результате воздействие тела на облако похоже на упругий удар: часть кинетической энергии тела передается облаку, облако начинает двигаться вслед за телом, а движение тела замедляется.

В современной физике существует гипотеза, что за распространение гравитационных взаимодействий отвечает та же самая среда, в которой распространяются электромагнитные волны, и что распространение гравитационных взаимодействий происходит со скоростью, равной скорости света в вакууме. В таком случае приведенный выше пример описывает действие ударной гравитационной волны на физические тела.

В начале XX века исследования свойств среды, в которой распространяются физические взаимодействия, были фактически заблокированы ведущими физиками-теоретиками того времени [1]. Подобная странная и абсурдная ситуация, когда колебания в среде изучать было разрешено, а саму среду -запрещено, возникла вследствие противоречия между господствующим до сих пор принципом относительности механического движения и законом сохранения энергии.

В настоящее время в теоретической физике имеется две основных гипотезы о структуре среды, в

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 4/2019

которой распространяются электромагнитные волны:

1) С XVII века разрабатывается гипотеза «светоносного эфира», предполагающая, что данная среда состоит из микроскопических дискретных частиц, размер которых намного меньше размера элементарных частиц. В XVIII и XIX веках было разработано множество различных моделей светоносного эфира как газа, жидкости или твердого тела.

2) Начиная с XIX века ведется разработка гипотезы «поля», предполагающая, что среда, в которой распространяются электромагнитные и гравитационные взаимодействия, представляет собой результат суперпозиции (наложения друг на друга) электрических, магнитных и гравитационных полей всех имеющихся во Вселенной элементарных частиц. Данная модель уже в начале XX века подвергалась критике в связи с тем, что каждая элементарная частица в соответствии с этой моделью обладает размером, соответствующим размеру Вселенной.

Однако, как можно было видеть из приведенных выше примеров, и в том, и в другом случае физические тела в процессе своего движения относительно среды создают в этой среде ударные волны и тратят на создание подобных волн свою кинетическую энергию. Основное отличие гипотезы поля от гипотезы эфира с точки зрения сопротивления механическому движению заключается в том, что в соответствии с гипотезой поля физическое тело может двигаться по инерции прямолинейно и равномерно, только если оно является единственным телом во Вселенной, а в соответствии с гипотезой эфира потеря энергии движущимся телом на создание ударных волн будет иметь место и в такой ситуации.

Из приведенных выше соображений следует, что даже в глубоком вакууме принцип относительности механического движения не соблюдается.

Список использованной литературы: 1. Кулаков В. Г. О негативном влиянии гипотезы об отсутствии сопротивления движению материальных тел со стороны физического вакуума на развитие теоретической физики // Образование и наука в России и за рубежом. 2018. №4, С. 15-24.

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021

Люди давно начали изучать мир вокруг себя, но он все также остаётся неизведанным. Мы можем лишь предполагать, сколько всего неизведанного лежит под завесой тайны мира. Но, тем не менее, ученые постоянно пытаются найти, открыть не известные нам свойства.

В открытом космосе акустических волн нет, поскольку нет среды, необходимой для их распространения. Впечатляющий грохот взрывающихся во время битвы космических кораблей не более, чем фантазия режиссера возможно не знающего основ физики космоса. Ведь всем известно, что в вакууме звук не распространяется, и галактические баталии, если они, когда-нибудь начнутся, будут для стороннего наблюдателя совершенно бесшумны. Однако в некоторых особых случаях, как оказалось, звук может перемещаться между объектами в вакууме: от объекта к объекту.

Что такое звук?

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением сбалансированного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Звуковые волны — это колебания атомов какой-либо среды [1,2]. Если частота таких колебаний, ниже или выше акустического диапазона, воспринимаемого человеком, они называются инфразвуком или ультразвуком соответственно. Физически они идентичны звуку, поэтому нижеследующее справедливо и для них.

Звуковая волна, звуковое поле и акустический сигнал – понятия, тождественные звуку, хотя применяются в разном контексте. Но следует различать звук как физическое явление и слуховые ощущения – как явление психическое. Фронт волны – это поверхность, образованная точками среды, находящимися в одной фазе колебания.

Фонон является коллективным возбуждением в периодическом, упругом расположении атомов или молекул в конденсированных средах, в частности, в твердых телах и некоторые жидкостях. Часто назначена квазичастица, это возбужденное состояние в квантовом — механическом квантовании из мод колебаний упругих структур взаимодействующих частиц. Фононы можно рассматривать как квантованные звуковые волны, аналогичные фотонам как квантованные световые волны. Если размеры источника звука меньше длины излучаемой им волны и расстояние до приёмника невелико, фронт звуковой волны можно считать сферическим. Если же размеры излучателя значительно больше длины волны или расстояние до приёмника значительно – фронт звуковой волны можно считать плоским. Понятие сферических волн применимо в основном для низких частот на малых расстояниях от источника – вдали их можно считать плоскими из-за большого радиуса кривизны. Плотность энергии сферической волны снижается при расхождении – до приёмника доходит лишь незначительная часть излучённой энергии. Излучатель, сильно вытянутый в одном направлении, на низких частотах создаёт цилиндрические волны. Звуковое давление снижается с увеличением расстояния до источника звука вследствие трения, причём высокочастотные волны теряют энергию быстрее низкочастотных волн с плоским фронтом излучения, производя больше трения.

Вакуум (от лат. vacuus — пустота) — пространство , свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного .

Практическое применение

Передать звуковые колебания в космосе невозможно? Экипаж МКС свободно общается с Землей по радиосвязи, а еще более простой и очень эффектный метод передачи звука в космосе обнаружил недавно физик из Финляндии Мика Прунила (Mika Prunnila) с коллегами. Звук никак не может распространяться в вакууме, так как нет колебательной среды. Однако звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины. Этот эффект, получил название «вакуумное туннелирование фононов».

«Вакуумное туннелирование фононов»

Этот эффект был описан сразу в двух статьях, опубликованных в выпусках журнала Physical Review Letters [3,4]. Сразу же отметим, что, поскольку колебания кристаллической решетки переносят не только звук, но и тепло, новый эффект приводит также к аномально сильной теплопередаче через вакуум. Новый эффект работает за счет взаимодействия между звуковыми волнами в кристалле и электрическим полем. Колебания кристаллической решетки, доходя до окончания одного кристалла, создают вблизи его поверхности переменные электрические поля. Эти поля «чувствуются» на другом край вакуумного зазора и раскачивают колебания решетки во втором кристалле.

Рис.1. Переход электромагнитных волн из одного тела в другое,

порождая звуковые волны в нем

В целом это выглядит так, словно отдельный фонон — «квант» колебания кристаллической решетки — перескакивает из одного кристалла в другой сквозь вакуум и распространяется в нём дальше, хотя в пространстве между кристаллами никакого фонона, конечно, нет. Авторы этого открытия использовали для характеризации приема слово «туннелирование», поскольку он очень похож на туннелирование квантовых частиц, когда они перебегают через энергетически запрещенные области. Однако стоит подчеркнуть, что новое явление можно описать на языке классической физики и вовсе не требует вмешательства квантовой механики. Оно в чём-то схоже с явлением электромагнитной индукции, которое используется в трансформаторах, индукционных электроплитках и устройствах бесконтактной зарядки гаджетов. И там и тут некоторый процесс в одном теле порождает электромагнитные поля, которые безызлучательно (то есть без потери мощности на излучение) передаются через зазор во второе тело и вызывают в нём отклик. Разница лишь в том, что при обычной индуктивности «работает» электрический ток (то есть движение электронов), тогда как при вакуумном туннелировании фононов движутся сами атомы.

Конкретный механизм, приводящей к столь эффективной связи между колебанием кристалла и электрическими полями, может быть разный. В теоретической статье финских исследователей предлагается для этой цели использовать пьезоэлектрики.

Рис.2. Использование п ьезоэлектриков как элемент датчика [5] давления

Пьезоэле́ктрики

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики , в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуци ровать э лектрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект) [6]. Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 —1881 гг. Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления (рис.2). Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Достаточно взять достаточно чувствительный пьезоэлектрик, который под механическим воздействием звуковой волны — скажем, внутри космического корабля — будет деформироваться и, как следствие, создавать электромагнитное поле. Полю этому никакой вакуум нипочем, и оно будет распространяться, воздействуя, в том числе, и на работающий с ним «в команде» второй пьезоэлектрик — например, расположенный внутри второго корабля. Тот будет деформироваться и порождать механические колебания воздуха. Звук пошел.

Пьезоэлектрики могут иметь большое будущее: при все большей миниатюризации электронных компонентов то незначительное количество энергии, которое они позволяют давать, может оказаться вполне достаточным для питания множества перспективных инструментов.

Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика , изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца .

Самого по себе этого еще недостаточно: для эффективного перескока фононов через вакуумный зазор необходимо организовать резонанс между «набегающими» фононами, переменными электрическими полями и «убегающими» фононами в другом кристалле. Вычисления показывают, что при реалистичных параметрах веществ такой резонанс действительно существует, так что при определенных углах падения фононы могут туннелировать с вероятностью вплоть до 100%. Исследователи говорят, что промежуток не должен быть особенно маленьким, а эффективность переноса звука должна меняться в зависимости от частоты звуковой волны и угла, под которым волна «входит» в первый кристалл. Некоторые комбинации волн, почти не теряют энергию, при перепрыгивании вакуумного промежутка.

В рамках новой теории ученые описывали электромагнитные взаимодействия между атомами двух материалов при помощи микроскопических уравнений Максвелла . Эти уравнения не используют понятия диэлектрической проницаемости (которое работает только на больших масштабах), а рассматривают в качестве основного параметра частоту колебаний атомов в атомной решетке. Передачу энергии ученые описывают при помощи функции Грина — классического метода решения подобных задач.

Список литературы.

1. Негров Д.А. Ультразвуковые колебательные системы. Омск: Изд.ОмГТУ, 2012. – 128 с.

2. https :// sfiz . ru / news / newsfiz / zvuk _ mozhet _ peredavatsja

3. Altfeder I., Voevodin A., Roy A. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11 October 2010).

4. Prunnila M., Meltaus J.. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport due to Evanescent Electric Fields // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (2010); arXiv:1003.1408.

5. Kittel A., Müller-Hirsch W., Parisi J. et al. Near-Field Heat Transfer in a Scanning Thermal Microscope, Phys. Rev. Lett. 95, 224301 (2005)

«Лунариум»

Время работы: с 10:00 до 21:00,
Выходной день: вторник
«Ретро-кафе»: в дни работы Планетария с 10:00 до 20:00.

> Звук в вакууме

Залы Планетария
Схема Планетария
Экспонаты

Экспонат музея Лунариум
Звук в вакууме

звук в вакууме

Звуком обычно называют всё то, что может услышать человек. Диапазон частот слышимого нами звука лежит в пределах от 16 Гц до 20 кГц. Это соответствует 16–20 000 колебаний в секунду. Источником звука может выступать тело, совершающее механические колебания в газообразной, жидкой или твёрдой средах.

Таким образом, звук — это особый вид механических колебаний упругой среды, способный вызывать слуховые ощущения. Поэтому звуковые волны, в отличие от электромагнитных, могут распространяться только в сплошной упругой среде, частицы которой способны колебаться.

Это доказал в1660 году британский ученый Роберт Бойль с помощью эксперимента. Он опустил часы в банку и откачал из нее воздух. Звук работающих часов полностью отсутствовал.

Космическое пространство приближено к состоянию физического вакуума, там очень низкие плотность вещества и давление. В таких условиях звук распространяться не может, так как в вакууме нет атомов и молекул, способных передавать механические колебания.

Всё это наглядно демонстрирует экспонат «Звук в вакууме», состоящий из колокольчика, установленного на столешнице под стеклянным куполом. При нормальных условиях (наличие воздуха под куполом) слышен звон колокольчика после нажатия кнопки. Откачав воздух внутри купола, колокольчик перестаёт звенеть. Наличие вакуума под куполом подтверждается также крутящимся вентилятором, перед которым нет движения воздуха.

РЕЖИМ РАБОТЫ

с 10.00 до 21.00
выходной — вторник

Экспозиция верхнего уровня посвящена Земле.

Оказывается, звук может передаваться в вакууме, только не очень далеко

Впервые ученые показали, что звук может проходить через пустоту вакуума. Однако этот трюк, нарушающий правила, требует особых условий и может быть осуществлен только на очень малых расстояниях.

В культовом слогане научно-фантастического фильма 1979 года «Чужой» говорится, что «в космосе никто не услышит твоего крика». Это объясняется тем, что космос — это вакуум, область, лишенная каких-либо частиц. Звуковые волны распространяются, проходя через частицы среды, например воздуха или воды, от источника к получателю. Таким образом, в вакууме нет никакой среды для распространения звука. Космическое пространство на самом деле не является полным вакуумом, поскольку содержит небольшое количество газа, плазмы и других частиц. Но эта материя окружена огромными пространствами пустоты.

Однако в новом исследовании, опубликованном 14 июля в журнале Communications Physics, ученые показали, что звук может перемещаться в вакууме. К сожалению, это не распространяется на человеческие крики.

В новом эксперименте исследователи передавали звуковые волны через вакуум между двумя кристаллами оксида цинка, преобразуя колебания в пульсации в электрическом поле между объектами.

Кристалл оксида цинка является пьезоэлектрическим материалом, то есть при приложении к нему силы или тепла он создает электрический заряд. Поэтому, когда на один из таких кристаллов подается звук, он создает электрический заряд, который вызывает искажение близлежащих электрических полей. Если кристалл имеет общее электрическое поле с другим кристаллом, то магнитное искажение может распространяться от одного к другому через вакуум. Помехи отражают частоту звуковых волн, поэтому принимающий кристалл может превратить помехи обратно в звук по ту сторону вакуума.

Однако искажения не могут распространяться на расстояние, превышающее длину одной звуковой волны. Теоретически это работает с любым звуком, независимо от того, насколько мала длина волны этого звука, при условии, что зазор между кристаллами достаточно мал.

Метод не всегда надежен. В значительной части экспериментов звук передавался между двумя кристаллами не полностью: части волны искажались или отражались при прохождении через электрическое поле, обнаружили исследователи. Однако иногда пьезоэлектрические кристаллы идеально передавали всю звуковую волну.

«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда вся энергия волны проходит через вакуум со 100%-ной эффективностью, без каких-либо отражений», — заявил соавтор исследования Илари Маасилта, физик-материалист из Университета Ювяскюля (Финляндия).

По словам ученых, это открытие может в будущем помочь в разработке микроэлектромеханических компонентов, подобных тем, которые используются в смартфонах и другой технике.