Эксперименты на МКС помогли разобраться во взаимодействии пыли и плазмы
Физики из России и Германии впервые показали, как электрическое поле влияет на форму колебаний плотности пыли, взвешенной в плазме. Для этого ученые воспользовались установкой Plasmakristall-4, находящейся на борту Международной космической станции. Статья опубликована в Physics of Plasmas.
В обычных условиях материя состоит из стабильных нейтральных атомов, в которых положительный электрический заряд ядра скомпенсирован отрицательным зарядом окружающих его электронов. Если же нагреть вещество до достаточно большой температуры, то есть разогнать его частицы до достаточно больших скоростей, электроны начнут отрываться от ядер, и атомы перестанут быть нейтральными. При этом в целом вещество останется квазинейтральным — суммарный заряд частиц в объеме, малом по сравнению с размерами системы, в среднем будет равен нулю. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма возникает во время вспышек молнии, в ионосфере планет и внутри звезд, а потом излучается в космическое пространство. По современным оценкам более 99,9 процентов барионного вещества Вселенной пребывает в состоянии плазмы.
Однако в чистом виде плазма встречается редко, зачастую на нее накладываются другие частицы — например, космическая пыль. В этом случае вещество ведет себя особенно интересно. В 1990 году немецкие физики Рао (Rao), Шукла (Shukla) и Юй (Yu) теоретически показали, что в смешанной системе плазма-пыль должны возникать акустические волны, которые отвечают колебаниям плотности пыли. В 1995 году это явление впервые было подтверждено экспериментально, и с тех пор волны наблюдались в широком диапазоне условий — для различных типов электрических разрядов и размеров частиц пыли, на Земле и в невесомости. Тем не менее, физика этого процесса пока еще остается не до конца понятной. В частности, ученым до сих пор ученым не удавалось подтвердить теоретические предсказания, что форма акустических волн определяется наведенным в плазме электрическим полем.
Группа исследователей при участии президента РАН Владимира Фортова впервые экспериментально показала, как изменение электрического поля влияет на форму волн колебаний плотности. Для этого ученые воспользовались установкой Plasmakristall-4 (PK-4), установленной на борту Международной космической станции и находящейся в условиях практически полной невесомости (ускорение на борту МКС порядка 10−3g). Плазма на этой установке создается внутри стеклянного цилиндра диаметром 3 сантиметра и длиной около 20 сантиметров. В качестве рабочего вещества использовался газообразный неон, разреженный до давления порядка 40 паскалей (4×10−4 атмосфер), а микрочастицы пыли представляют собой пластиковые шарики диаметром около трех микрометров и массой примерно 10−11 грамм. В одном кубическом сантиметре установки находилось примерно сто тысяч микрочастиц. В ходе эксперимента частицы подсвечивались зеленым лазером, а их положение отслеживалось с помощью двух видеокамер с частотой 70 в секунду.
Поставленный учеными эксперимент выглядел следующим образом. На первом шаге микрочастицы захватывались с помощью радиочастотного разряда и помещались в плазму. Затем через плазму пропускался разряд постоянного тока силой около 0,5 миллиампер, и одновременно выключался радиочастотный разряд. Наконец, на последнем шаге ученые меняли полярность постоянного тока, сохраняя его силу. Продолжительность второго этапа составляла примерно две секунды, третьего — восемь секунд. При обеих полярностях постоянного тока в пыли возникали акустические волны. Фазовая скорость волн в «голове» волны (в направлении, в котором дрейфуют частицы под действием электрического поля) примерно в два раза превышала фазовую скорость в «хвосте»; теоретические оценки показали, что изменение фазовой скорости можно полностью объяснить влиянием электрического поля, направленного вдоль оси цилиндра.
Интересно, что после смены полярности тока направление волн колебаний плотности не изменялось, хотя частицы начинали дрейфовать в противоположном направлении. Физики считают, что это связано с потоками собственно плазмы, которые компенсировали возникающие силы. Кроме того, после смены полярности в «голове» волны возникали новые гребни — дополнительные области с повышенной плотностью микрочастиц. Тем не менее, спустя 1,5–2 секунды новые гребни сливались со старыми. Хотя ученые не смогли объяснить возникновение гребней, скорость их роста совпала с теоретическими оценками.
Авторы статьи считают, что их работа не только поможет лучше понять процессы, происходящие в смеси пыли и плазмы, но и найдет практическое применение. Например, с помощью взвешенных в плазме микрочастиц можно моделировать явления из физики конденсированного состояния, однако волны колебаний плотности пыли мешают увидеть в них нужные эффекты. Может быть, исследование ученых поможет избавиться от таких колебаний.
В мае 2017 года американские исследователи обнаружили, что при столкновении частиц космической пыли со спутниками может возникать радиоизлучение, которое мешает работе приборов. А в июле 2018 года физики из США и России численно смоделировали эволюцию межзвездной пыли под действием магнитных полей, рассчитали поляризацию ее излучения и показали, что это излучение практически полностью «заглушает» предполагаемые следы реликтовых гравитационных волн.
Прочитать, как физика плазмы объясняет существование бластеров и световых мечей из серии кинофильмов «Звездные войны», можно в колонке специалиста по физике плазмы Мартина Арчера.
Дмитрий Трунин
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».