Как видите, изучение спектра водорода сыграло большую роль для развития физики и астрономии.читать дальше Можно сказать, что «звездный миг» этого спектра состоялся в тот момент, когда последовательность спектральных серий подтвердила зарождавшуюся квантовую механику и фактически послужила открытиям уравнений Шредингера и Дирака. Позже наблюдение лэмбовского сдвига или расщепления 2s и 2p1/2 уровней (дважды вырожденных) привели к созданию так называемой теории перенормировки в квантовой электродинамике – логичному развитию квантовой механики. Обзор и историю этих событий можно посмотреть в работе Каршенбойма [5]. Однако и сегодня не только исследования с помощью спектра водорода, но и изучение самого этого спектра представляет интерес для науки.
Например, спектры антиводорода и обычного водорода теоретически должны совпадать. Если это не так, то мы получим нарушение так называемой СРТ-инвариантности. СРТ-инвариантность – это один из самых фундаментальных на сегодня законов сохранения, который гласит, что при одновременном изменении знаков у времени, пространства и заряда частицы (т.е. смены, скажем, «+» на «-» у радиус-вектора частицы r, времени t, и знака заряда), не произойдет никаких изменений в характере протекания физических процессов, мир останется неизменным.
Если СРТ-инвариантность окажется нарушенной, теоретикам придется заново обосновывать базовые положения Стандартной модели, которая объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия, и придумывать обоснование ОТО - общей теории относительности. Лоренц-инвариантность тоже окажется нарушенной, и положения специальной теории относительности тоже придется пересматривать.
Кстати, лет пятьдесят назад считали, что, скажем, СР-инвариантность должна быть всегда и «стоять вечно», однако давно доказано, что она нарушается. Так что нарушение СРТ, хотя и перевернет основы существующей физики, но не является совсем невероятным событием.
Еще одним интересным вопросом является изучение влияния гравитационного поля на атомы водорода и антиводорода, поскольку даже малейшее различие перевернет всю современную космологию.
Поиски нарушения СРТ-инвариантности и вообще любых различий между атомами водорода и антиводорода ведутся во многих лабораториях мира по самым разным физическим процессам и самыми разными способами. Из экспериментов по осцилляциям нейтральных К-мезонов (каонов) [6],[7] известен верхний предел на относительную величину СРТ-нарушения. Он равен 10-18, что представляется совершенно фантастической величиной, тем не менее, атомная спектроскопия позволяет предложить новый эксперимент по улучшению этого результата.
В этом эксперименте предлагается методами лазерной спектроскопии сравнивать переход из состояния 2s, запрещенного правилами отбора, в состояние 1s. Естественная ширина такого перехода из-за запрещенности очень мала и составляет всего 10-15, так что при сведении к минимуму отношения сигнал-шум, точность положения центра линии достигнет величины 10-3, что даст нам желаемую суммарную точность в 10-18.
Чтобы перевести атом в возбужденное 2s состояние и измерить его ширину, предлагается использовать так называемый метод двухквантовой бездоплеровской спектроскопии. Суть этой спектроскопии высокого разрешения в том, что при поглощении атомом двух фотонов, движущихся в противоположном направлении, вклады доплеровского уширения линий будут разных знаков и линейный доплеровский эффект пропадет, останется только квадратичный, а форма линии такого двухфотонного поглощения будет совпадать с формой однородно уширенной линии отдельного атома.
Идея эксперимента, таким образом, будет простой: лазерный луч пройдет через газ водорода или антиводорода, отразится от зеркала и снова пройдет через газ. Атом газа поглотит два фотона и перейдет из состояния 1s в состояние 2s. Далее, внешние электрические поля приведут к тому, что появится примесь из разрешенного 2p-состояния, из которого атом быстро вернется в невозбужденное 1s состояние. Испущенный квант будет зарегистрирован системой измерения. При этом из условия задачи «уйдет» линейный эффект Доплера и останется квадратичный, который даст требование на охлаждение атомов: их температура не должна превышать сотых градусов Кельвина. Сегодняшние методы лазерного охлаждения позволяют достичь примерно в десять раз меньшей величины, так что реализация эксперимента становится возможной.
Надо сказать, что придется использовать именно такую схему, с запрещенным переходом, поскольку даже переход из состояния 1s в состояние 2p (т.е. первое возбужденное состояние атома водорода), который одно время являлся эталоном измерения времени, известен всего лишь с точностью до 10-14.
Кроме чисто спектроскопических проблем, существует еще множество сложностей для проведения эксперимента с антиводородом. Для начала надо создать достаточно много антипротонов и позитронов – античастиц электронов, заставить их соединиться и образовать антиводород, затем замедлить его до энергии, когда станет возможным его детальное изучение. При этом надо получить очень высокий вакуум, чтобы удержать антиводород, ведь любой антиатом при соприкосновении с веществом уничтожится – аннигилирует, с высвобождением огромного количества энергии. К тому же заряженными частицами управляют с помощью электрических или магнитных полей, а вот чем управлять нейтрально заряженными объектами, чьих соприкосновений с веществом нельзя допустить? Нужно получить спектр антиводорода и сравнить его со спектром водорода, полученным в тех же условиях с той самой точностью 10-18!
Одним словом, это довольно сложный проект, требующий использования всех достижений современной техники физического эксперимента, а также оригинальных научных и технических решений, на которых мы не будем останавливаться. Желающие могут почитать статью в УФН [10]. Однако уже вы можете стать свидетелями, как он будет реализован или даже принять в нем участие. Впервые атомы антиводорода были получены в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в 1995 г. в эксперименте PS210. Уже в начале нового века там же количество полученных атомов антиводорода достигло 170 тысяч [8,11] и планируются первые спектроскопические эксперименты.
Например, спектры антиводорода и обычного водорода теоретически должны совпадать. Если это не так, то мы получим нарушение так называемой СРТ-инвариантности. СРТ-инвариантность – это один из самых фундаментальных на сегодня законов сохранения, который гласит, что при одновременном изменении знаков у времени, пространства и заряда частицы (т.е. смены, скажем, «+» на «-» у радиус-вектора частицы r, времени t, и знака заряда), не произойдет никаких изменений в характере протекания физических процессов, мир останется неизменным.
Если СРТ-инвариантность окажется нарушенной, теоретикам придется заново обосновывать базовые положения Стандартной модели, которая объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия, и придумывать обоснование ОТО - общей теории относительности. Лоренц-инвариантность тоже окажется нарушенной, и положения специальной теории относительности тоже придется пересматривать.
Кстати, лет пятьдесят назад считали, что, скажем, СР-инвариантность должна быть всегда и «стоять вечно», однако давно доказано, что она нарушается. Так что нарушение СРТ, хотя и перевернет основы существующей физики, но не является совсем невероятным событием.
Еще одним интересным вопросом является изучение влияния гравитационного поля на атомы водорода и антиводорода, поскольку даже малейшее различие перевернет всю современную космологию.
Поиски нарушения СРТ-инвариантности и вообще любых различий между атомами водорода и антиводорода ведутся во многих лабораториях мира по самым разным физическим процессам и самыми разными способами. Из экспериментов по осцилляциям нейтральных К-мезонов (каонов) [6],[7] известен верхний предел на относительную величину СРТ-нарушения. Он равен 10-18, что представляется совершенно фантастической величиной, тем не менее, атомная спектроскопия позволяет предложить новый эксперимент по улучшению этого результата.
В этом эксперименте предлагается методами лазерной спектроскопии сравнивать переход из состояния 2s, запрещенного правилами отбора, в состояние 1s. Естественная ширина такого перехода из-за запрещенности очень мала и составляет всего 10-15, так что при сведении к минимуму отношения сигнал-шум, точность положения центра линии достигнет величины 10-3, что даст нам желаемую суммарную точность в 10-18.
Чтобы перевести атом в возбужденное 2s состояние и измерить его ширину, предлагается использовать так называемый метод двухквантовой бездоплеровской спектроскопии. Суть этой спектроскопии высокого разрешения в том, что при поглощении атомом двух фотонов, движущихся в противоположном направлении, вклады доплеровского уширения линий будут разных знаков и линейный доплеровский эффект пропадет, останется только квадратичный, а форма линии такого двухфотонного поглощения будет совпадать с формой однородно уширенной линии отдельного атома.
Идея эксперимента, таким образом, будет простой: лазерный луч пройдет через газ водорода или антиводорода, отразится от зеркала и снова пройдет через газ. Атом газа поглотит два фотона и перейдет из состояния 1s в состояние 2s. Далее, внешние электрические поля приведут к тому, что появится примесь из разрешенного 2p-состояния, из которого атом быстро вернется в невозбужденное 1s состояние. Испущенный квант будет зарегистрирован системой измерения. При этом из условия задачи «уйдет» линейный эффект Доплера и останется квадратичный, который даст требование на охлаждение атомов: их температура не должна превышать сотых градусов Кельвина. Сегодняшние методы лазерного охлаждения позволяют достичь примерно в десять раз меньшей величины, так что реализация эксперимента становится возможной.
Надо сказать, что придется использовать именно такую схему, с запрещенным переходом, поскольку даже переход из состояния 1s в состояние 2p (т.е. первое возбужденное состояние атома водорода), который одно время являлся эталоном измерения времени, известен всего лишь с точностью до 10-14.
Кроме чисто спектроскопических проблем, существует еще множество сложностей для проведения эксперимента с антиводородом. Для начала надо создать достаточно много антипротонов и позитронов – античастиц электронов, заставить их соединиться и образовать антиводород, затем замедлить его до энергии, когда станет возможным его детальное изучение. При этом надо получить очень высокий вакуум, чтобы удержать антиводород, ведь любой антиатом при соприкосновении с веществом уничтожится – аннигилирует, с высвобождением огромного количества энергии. К тому же заряженными частицами управляют с помощью электрических или магнитных полей, а вот чем управлять нейтрально заряженными объектами, чьих соприкосновений с веществом нельзя допустить? Нужно получить спектр антиводорода и сравнить его со спектром водорода, полученным в тех же условиях с той самой точностью 10-18!
Одним словом, это довольно сложный проект, требующий использования всех достижений современной техники физического эксперимента, а также оригинальных научных и технических решений, на которых мы не будем останавливаться. Желающие могут почитать статью в УФН [10]. Однако уже вы можете стать свидетелями, как он будет реализован или даже принять в нем участие. Впервые атомы антиводорода были получены в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в 1995 г. в эксперименте PS210. Уже в начале нового века там же количество полученных атомов антиводорода достигло 170 тысяч [8,11] и планируются первые спектроскопические эксперименты.
-
-
18.11.2009 в 13:13-
-
18.11.2009 в 13:28-
-
18.11.2009 в 13:28почему запрещенного?
примитивный вопрос... чем антиводород от обычного отличается? (да, я - неуч, я помню)
я поняла, что если результаты опытов над водородом и антиводородом не совпадут, то придется многое пересматривать в строении мира
-
-
18.11.2009 в 13:33Не многое. Все.
Запрещен т.н. правилами отбора квантовой механики (разрешены не любые переходы, а те, которые удовлетворяют некоторым условиям).
-
-
18.11.2009 в 13:41а этот почему запрещен?
-
-
18.11.2009 в 18:30-
-
18.11.2009 в 19:10-
-
18.11.2009 в 22:04Я нашла все непонятные слова и понятия в яндексе и получилось даже на удивление доступно и интересно:-))
-
-
19.11.2009 в 03:45Ари-Ювер ))) ты в "такой" не всё понимаешь, я вообще ммм... физика и я, мы с детства не друзья)).
el-elk Но да... кстати, понравилось читать. Во всяком случае мозги напрягать полезно. Особенно в той сфере, где почти ничего не знаешь.
-
-
19.11.2009 в 06:16Ари-Ювер, произойдет аннигиляция, т.е. превращение водорода и антиводорода в чистую энергию по той самой формуле, где Е=mс^2
-
-
19.11.2009 в 06:17-
-
19.11.2009 в 18:28el-elk, я же сказала, что для идиотов, а не для физиков и химиков!!
-
-
20.11.2009 в 06:05Ладно, ради ответов еще одну темку открою
-
-
20.11.2009 в 08:48el-elk Ну это смотря что вкладывать в понятие "идиот". Наверное идиоты в широком смысле слова есть везде, но это как-то со специализацией не связано. И да... после прочтения подобных текстов приходят некоторые мысли. Блин... чем больше читаешь, тем больше понимаешь как мало знаешь.
-
-
20.11.2009 в 08:49-
-
20.11.2009 в 08:53-
-
20.11.2009 в 16:42