A prima vista, la questione del peso dell'ombra sembra sciocca. Anche se l'ombra ha un peso, deve essere così piccola da poter essere misurata solo con la tecnica delle microparticelle. C'è anche un'altra domanda, la luce ha un peso, dato che, in un modo o nell'altro, dovrebbe dare un certo peso a qualsiasi oggetto?
Entrambe queste domande sembrano strane, ma abbastanza interessanti, quindi ho deciso di risolverle.
Ricordiamo prima Peter Pan, si dice che avesse un'ombra vivente, ma era così insignificante che sembrava non pesare più del fumo di sigaretta. Peter Pan era, ovviamente, un personaggio di fantasia, anche se a livello quantistico potrebbe non avere importanza, e il suo creatore, J. M. Barry, non aveva abbastanza conoscenze scientifiche.
In effetti, utilizzando uno dei quadri di riferimento, possiamo concludere che le nostre ombre pesano effettivamente meno di niente. Quattrocento anni fa, l'astronomo Johannes Kepler notò che le code delle comete sono sempre rivolte lontano dal Sole e concluse che i raggi del sole esercitano una pressione che porta via le particelle. Alla fine del XIX secolo, il fisico James Clerk Maxwell formulò un'equazione per il calcolo della pressione della luce, che fu confermata sperimentalmente nel 1903.
Spero che tu capisca a cosa sto arrivando. Se stai in piedi ei raggi del sole ti cadono addosso, crei una zona di pressione ridotta, coperta di ombra. Rispetto al resto del paesaggio, la tua ombra (o più precisamente, l'area che copre) pesa meno.
Quanto meno? Non tanto. La pressione dei raggi del sole è incredibilmente piccola: meno di un miliardesimo Pa sulla superficie terrestre. In altre parole, ci vorrebbero diversi milioni di ombre umane per spiegare una libbra di intensità luminosa nell'ombra. La luce che colpisce la città di Chicago ha una forza totale di circa 1334N.
Tuttavia, molto piccolo non significa poco importante. Affinché la sonda spaziale giapponese Hayabusa si avvicinasse all'asteroide Itokawa nel 2005, si librasse accanto ad esso e non lo facesse esplodere o non entrasse in collisione con esso, è stata presa in considerazione la leggera pressione pari all'1% della spinta del motore della sonda. Ciò è stato fatto con incredibile precisione, quindi la sonda è stata in grado di atterrare sull'asteroide, raccogliere campioni di polvere e tornare sulla Terra nel giugno 2010.
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Un altro oggetto altrettanto interessante è la barca a vela solare giapponese IKAROS, sogno degli scrittori di fantascienza da almeno 50 anni, finalmente varata nel 2017. L'idea era che la vela solare usasse la pressione della luce, il vento solare (un debole flusso di particelle cariche emanate dalla corona solare) e il carico utile per il suo movimento. A giugno, IKAROS ha issato con successo la sua vela, un quadrato di 7,5 micron di pellicola ultrasottile, dotata di un pannello solare che funge da fonte di energia. A luglio, l'agenzia spaziale giapponese ha riferito che IKAROS è spinto in avanti dalla pressione solare di 1,12 mN, che, in linea di principio, non è così tanto. Ma questo potere è generato dai raggi del sole ed è gratuito! Gli scienziati lo hanno fatto a una distanza di oltre quattro milioni di chilometri! Merita rispetto.
Nel 2010, i ricercatori dell'Australian National University hanno dimostrato che la luce può essere utilizzata per sollevare minuscole particelle e spostarle di 12 pollici (30 cm) l'una dall'altra. Hanno pensato che alla fine sarebbero stati in grado di fare la stessa cosa a 33 piedi (10 metri), il che non sembra nemmeno eccezionale. Tuttavia, se la minuscola particella è un virus mortale, una cellula vivente o una molecola di gas che non può essere spostata in nessun altro modo … sai cosa intendo.
Quindi, la domanda sul peso dell'ombra è stupida? In generale, sì. Tuttavia, alla ricerca di una risposta a questa stupida domanda, facciamo un piccolo ma molto significativo passo, cercando di capire cos'è un peso relativamente basso? In precedenza questa domanda era stata posta da Kepler, Maxwell, e ora lo siamo.
Ricordo l'esperienza delle lezioni di fisica a scuola. Il raggio di luce era diretto alla girante, i cui petali erano dipinti alternativamente di bianco e nero. Sotto l'influenza della luce, la turbina ha iniziato a ruotare, il che ha chiaramente dimostrato che la luce ha un impulso. Ciò significa che il flusso luminoso non è solo onde, ma anche particelle-corpuscoli (ha una natura duale o duale). Per quanto riguarda il peso dell'ombra, questo valore ha un valore negativo perché la minima pressione dei raggi di luce viene assunta dal corpo schermante l'ombra.
C'è un'intera discussione sull'ombra sulla domanda:
- Il peso (in fisica) è la forza con cui il corpo preme sul supporto. Di solito viene confuso con la massa, poiché nel campo gravitazionale terrestre, il peso è proporzionale alla massa e il coefficiente di proporzionalità (accelerazione di caduta libera) è praticamente invariato. Anche in un sistema rotante non inerziale (ad esempio, in una stazione spaziale rotante) la forza centrifuga (e con essa il peso degli oggetti) sarà proporzionale alla loro massa, ma il coefficiente di proporzionalità sarà diverso. Ora sull'ombra. Ovviamente non è un oggetto. E non ha messa. Tuttavia, in un certo senso, l'ombra ha un peso. Solo lui è negativo! Dopo tutto, un'ombra è l'assenza di luce a causa di un ostacolo che si trovava sul suo cammino. La luce è un flusso di fotoni con massa e velocità e con essi quantità di moto. Se i fotoni volassero trasmetterebbero i loro impulsi al "supporto" illuminato, esercitando una pressione continua. E la pressionel'area moltiplicata è forza. Possiamo dire il peso della luce. Ebbene, l'ombra è l'assenza sia di luce che del suo "peso". Cioè, rispetto all'illuminazione, l'ombra sembra avere un peso "negativo", approssimativamente come un "buco" (mancanza di un elettrone caricato negativamente in un semiconduttore) "ha" una carica positiva.
- Cosa è assurdo? I fotoni non hanno massa, hanno quantità di moto, e se sei guidato dalla formula E = mc ^ 2, allora per un fotone l'energia sarà uguale a E = pc, perché i fotoni non hanno e non possono avere massa a riposo. Ora sulla massa negativa. La massa negativa, ipoteticamente, è posseduta da particelle di materia esotica. E questo si manifesta nel fatto (non dimenticare che la massa è una misura dell'inerzia) che se "spingi" questa particella, essa volerà nella direzione opposta. Non ha niente a che fare con questo problema. Se segui la tua logica di strada, allora tutto ciò che sembra essere può essere definito negativo, ma c'è qualche ostacolo a questo. Erano anche divertiti da supposizioni rozze come: la quantità di moto è massa, e la massa è forza, e la forza è pressione e la pressione è peso. Con questo approccio puoi provare qualsiasi cosa. C'è anche un nome per questo (non ricordo),quando un falso giudizio è preso come base (verità) e l'affermazione necessaria è derivata da esso. Potresti essere un buon teorico della cospirazione.
- Non c'è impulso senza massa. Anche l'energia senza massa non esiste. Non si è detta una parola sulla messa. Il peso non è massa. Questo è stato detto fin dall'inizio. Il “peso” dell'ombra è negativo (in un certo senso). Non c'era l'ombra di una "massa". Rappresentare l'assenza di qualcosa come la presenza di qualcosa di direttamente opposto è una tradizione conveniente, di lunga data e ampiamente utilizzata in fisica. Non mi riferisco a caso a "buchi" (mancanza di elettroni) nei semiconduttori. Conviene considerarli (e sono considerati!) Come "portatori di carica" con la subformità degli elettroni, ma segno opposto della carica. Perché non ho lavorato per insegnarti le basi della fisica.
- È difficile ignorare una domanda che ha una risposta fondamentalmente sbagliata appesa in alto. Il peso è una grandezza fisica vettoriale che caratterizza la forza di azione di un corpo su un supporto. P = m * g. Si è visto che il peso può essere negativo, ad esempio, se la densità del corpo è inferiore alla densità del mezzo (la forza di galleggiamento agisce sul corpo). Il peso negativo non significa la sua assenza. Ora un po 'di cosa sia un'ombra. L'ombra è un fenomeno ottico che si verifica in diverse condizioni di illuminazione. E questo non significa una completa assenza di luce. È solo che una superficie è più luminosa (più fotoni colpiscono e riflettono su di essa) e l'altra è più debole (ombra). Sappiamo che i fotoni non hanno massa (se un fotone avesse massa, allora la sua deflessione nel campo gravitazionale dovrebbe dipendere dalla sua frequenza, ma non la osserviamo, secondo tutti i calcoli, è acromatica fino ad ora),e quindi non hanno peso, ma hanno energia e slancio. Poiché i fotoni hanno quantità di moto, la luce che cade su un corpo esercita pressione su di esso (la teoria quantistica della luce spiega la pressione della luce come risultato del trasferimento di quantità di moto da fotoni ad atomi o molecole di una sostanza), ma non può essere identificata con il peso in alcun modo. Tutto quanto sopra è un commento alla risposta di Nekto. In effetti, l'ombra non ha peso, perché è solo un fenomeno ottico, come il trabocco della benzina (interferenza nelle pellicole sottili) o il tuo riflesso nell'acqua.ma non può essere identificato in alcun modo con il peso. Tutto quanto sopra è un commento alla risposta di Nekto. In effetti, l'ombra non ha peso, perché è solo un fenomeno ottico, come il trabocco della benzina (interferenza nelle pellicole sottili) o il tuo riflesso nell'acqua.ma non può essere identificato in alcun modo con il peso. Tutto quanto sopra è un commento alla risposta di Nekto. In effetti, l'ombra non ha peso, perché è solo un fenomeno ottico, come il trabocco della benzina (interferenza nelle pellicole sottili) o il tuo riflesso nell'acqua.
- L'indipendenza dalla frequenza prova qualcosa? Nella meccanica classica, la deflessione angolare della luce è anche indipendente dalla frequenza (deltaV / c) = (2 * G * M) / (R * c2). In SRT sarà (deltaV / c) = (4 * G * M) / (R * c2), cioè il doppio, ma non vengono aggiunte / aggiunte dipendenze. Dubito che qualsiasi parametro del sistema possa scomparire da un cambiamento di terminologia. Cioè, il peso della luce non dovrebbe andare da nessuna parte. Potrebbe essere necessario ridefinirlo in qualche modo, ma non dovrebbe essere che nella vecchia versione era diverso da zero e nella nuova era zero. Inoltre, c'è un impulso.
QUANTO PESO IL LEGGERO? Tanto quanto la sua energia
I fotoni, particelle di luce, non hanno massa a riposo ed esistono solo in movimento alla velocità della luce. Pertanto, un fotone non può essere pesato. Tuttavia, le pareti di qualsiasi nave emettono radiazioni termiche, riempiendo il volume interno di fotoni. Si muovono casualmente in tutte le direzioni e la loro velocità media è zero. Ad esempio, come dicono i fisici, un gas fotonico ha una massa corrispondente alla sua energia (E = mc2), e in linea di principio può essere pesato. Ad esempio, la radiazione termica all'interno di un contenitore da un litro pesa circa un atomo di carbonio. La massa della radiazione cresce rapidamente con la temperatura, ma solo a un miliardo di gradi sarà uguale in densità alla sostanza a cui siamo abituati. Inoltre, questa stessa radiazione non sarà più luce normale, ma raggi X duri.
È facile scoprirlo. Corriamo in cucina, prendiamo una bilancia elettronica e, verso mezzogiorno, la mettiamo direttamente perpendicolare alla luce del sole. Supponendo che siamo puliti e tutta la luce è completamente riflessa dalla superficie lucida della bilancia, prendiamo dalla tabella ru.wikipedia.org il valore numerico della pressione del Sole a piena riflessione (9,08 microNewton per metro quadrato) e moltiplichiamo per l'area della superficie di lavoro dei nostri pesi (~ 0,11 metro quadrato)). Otteniamo ~ 100 nanoNewton, la forza della pressione del vento solare sulla bilancia. Traduciamo questo nelle unità note a tutti (chilogrammi), dividendo il risultato per l'accelerazione di gravità (9,8 m / s ^ 2). È questo il risultato che vedremmo sulla nostra bilancia da cucina, pesando la luce solare, ~ 10 nanogrammi?
Contrariamente all'opinione abbastanza comune, esiste un analogo della massa di luce ed è abbastanza fisicamente significativo. Facciamo un esperimento mentale. Supponiamo che tu abbia una camera con pareti interne specchiate, assolutamente riflettenti e una massa nota con precisione. E ora lascia che un potente raggio di un laser penetri per un breve periodo attraverso il foro, subito dopo il foro si chiude. La luce è nella camera, viaggia da parete a parete.
Quindi, se ci fosse la possibilità di misurazioni ultra precise, si scoprirebbe che la massa della camera con la luce intrappolata all'interno sarebbe aumentata. In particolare, diventerà più pesante. E la sua inerzia crescerà. E la gravità (!). Tradizionalmente, tutte queste proprietà sono attribuite specificamente alla massa.
La prova formale è almeno questa: lasciate che gli elettroni e i positroni rimangano nella camera per qualche tempo; Naturalmente aumentano la massa totale. Subito dopo, si annichiliscono tutti e abbiamo una fotocamera con quanti gamma. È chiaro che la massa della camera non è cambiata!
Quanto pesa l'universo?
Quanto pesa l'universo, puoi provare a calcolarlo determinando la massa dei quasar. Studiando le galassie vicine, i ricercatori hanno stabilito che esiste una correlazione tra la massa del buco nero e la galassia. Tipicamente, la massa di un buco nero è una piccola percentuale della massa di un sistema stellare, che va da circa lo 0,14% allo 0,5%. Se questa relazione è vera nell'Universo primordiale, la massa della Galassia dovrebbe essere equivalente all'incredibile trilione di masse solari nelle stelle. Per non parlare della sua materia oscura costituente, che è di gran lunga la parte più massiccia di ogni sistema stellare. Non è ancora possibile determinare la massa di altre galassie se esistono nell'Universo moderno. Ma se esistono galassie nell'intervallo di massa previsto, verranno rilevate per la prima volta in quest'era.
Studiare la massa della galassia fornirà informazioni su come cresce nell'universo. La sua crescita è di circa 2000 km al giorno. C'è una cifra del tutto indimostrabile che la massa della Galassia sia da qualche parte nella cinquantesima potenza di tonnellate. La luminosità di quasar lontani e il peso dell'universo.
Perché c'è una correlazione tra la massa di un buco nero e una galassia? Qual è la relazione tra l'accrescimento dei buchi neri e la formazione stellare? I ricercatori hanno calcolato che la luminosità dei quasar dipende alla massima velocità dal limite di Eddington. Il limite di Eddington esiste perché più velocemente il buco nero assorbe il corpo, maggiore è l'attrito e quindi più luce viene prodotta nel disco di accrescimento. All'aumentare del tasso di consumo di un buco nero, la quantità di energia di radiazione emessa aumenta, il che a sua volta rallenta il tasso di consumo. Il limite di Eddington è stato raggiunto.
Il limite di Eddington è il valore massimo critico della potenza e della luminosità della radiazione. Dimostrato dall'astrofisico inglese Arthur Eddington come condizione per l'equilibrio di spinta, pressione e radiazione. Una luce aggiuntiva viene emessa verso l'esterno, esercitando una pressione sul materiale in caduta, rallentandolo. Per quanto controintuitivo possa sembrare, la luce esercita effettivamente una pressione sugli oggetti in condizioni di luce sufficiente ed equivale a una potenza significativa.
Gli scienziati formano alcuni modelli convincenti su tali questioni riguardanti il ruolo dei buchi neri, ma non c'è consenso su questo tema. Se il quasar è un laboratorio unico per lo studio, allora il buco nero del quasar e la galassia si sviluppano insieme.
La luce di un quasar può essere utilizzata anche per conoscere l'universo in altri modi. La luminosità consentirà ai ricercatori di sondare l'ambiente intergalattico come mai prima d'ora. Il mezzo intergalattico è la distribuzione di gas e polvere tra galassie contenenti idrogeno, elio e vari metalli (in condizioni astrofisiche, tutti gli elementi di elio di cui sopra sono noti come "metalli"). La luce di un quasar deve viaggiare abbastanza a lungo prima di raggiungere la Terra. Quando la luce viaggia attraverso il gas, alcune lunghezze d'onda della luce penetrano nel gas meglio di altre e alcuni elementi bloccano determinate lunghezze d'onda. Ad esempio, studiando lo spettro di un oggetto e vedendo che alcune lunghezze d'onda mancano dallo spettro, i ricercatori possono conoscere il contenuto di gas. Tuttavia, il processo diventa più difficile, specialmente a distanze così lunghe. Con una luce più fioca (variazione di potenza), è più difficile distinguere tra questi spazi o linee nello spettro.
La luminosità del quasar fornirà una misurazione più chiara dell'ambiente intergalattico. Determinata la luminosità del quasar, si può rispondere alla domanda: "Quanto pesa l'Universo?" Inoltre, poiché i metalli nel mezzo intergalattico sono stati prodotti fondendo i nuclei delle stelle, le misurazioni di questi elementi possono aiutare i ricercatori a conoscere i processi di formazione delle stelle nell'Universo.
