Охлаждение атомов (продолжение)

Вопрос третий.

А была ли отдача? Даже пуля сильно отбрасывает ружье назад, не будь, подставленного плеча, трения в воздухе и земного притяжения, ружье и пуля летели бы бесконечно в разные стороны. Пресловутая отдача, это физическое явление укоренилось в физике еще более глубоко, чем давление света (Давление света проанализировано в [11, 12]).

Цитата: «Импульс отдачи атомов в результате одного акта спонтанного излучения имеет величину (однофотонная отдача)

P_R=ħk                                                                                (2)

где ħk – импульс фотона (с оптическим волновым числом k)» [13]. Такое объяснение является признанным в физике. Поэтому экспериментаторы остановку атомов в своем движении связывают с отдачей. Еще одна цитата: «Так как же объясняется механизм охлаждения атомов: каждый поглощенный объектом фотон передает ему импульс hk, каждое последующее излучение дает импульс той же амплитуды, но случайной по направлению, что в среднем равно нулю. Таким образом, чем больше двигающихся навстречу фотонов поглотит атом, тем больше он замедлится» [14].

Акцентирую внимание, если атом поглотит «больше двигающихся навстречу фотонов», несмотря на то, что он замедлится, но он от этих поглощенных фотонов получит дополнительную энергию, а значит, с большей частотой будет нагреваться и охлаждаться.

Остановка атомов происходит без отдачи, которой у него нет, а за счет антиотдачи – импульсов придачи.

Эффект отдачи присущ макротелам, имеющим массу инерции, но в мире безмассовых частиц отдача сменяется на придачу. Для объяснения можно воспользоваться примером Мёссбауэра, но с противоположным эффектом. В 2000 г. в журнале Hyperfine Interactions Мёссбауэр, поделился своими взглядами и дал наглядную интерпретацию открытого им эффекта: «Ситуация напоминает человека, прицельно бросающего камень из лодки. Бо’льшую часть энергии согласно закону сохранения импульса получает лёгкий камень, но небольшая часть энергии броска переходит в кинетическую энергию получающей отдачу лодки. Лодка просто приобретёт некоторое количество движения, соответствующее отдаче, и отплывёт в направлении, противоположном направлению броска» [15].

Для сведения – эффект Мёссбауэра – это резонансное испускание и поглощение гамма-лучей без отдачи.

Усложним задачу, посадим в лодку еще одного человека, который будет метать камни в противоположную сторону. Выкидывая камни по очереди, метатели так и не смогут фактически сдвинуть лодку с места, разнополярные импульсы отдачи уравновешивают друг друга. Закон сохранения количества движения опровергнуть не удается.

Модернизируем задачу, вместо метателей камней посадим в лодку двух голубятников, которые будут выпускать голубей. Поставим одно условие, выпускать голубей они будут не методом подбрасывания вверх, а после того как голубь сам взмахнет крыльями. Что мы получим? В данном случае, каждый голубятник после взлета голубя будет получать импульс p_p в том же направлении, куда взмахнул голубь. Данный импульс – это и есть импульс придачи. На рис. 3 это ветка, которую голубь несет в своем клюве. Поскольку голуби летят в разные стороны, то лодка снова не сдвинется с места.

В эксперименте с голубями мы сымитировали придачу, но не избавились от отдачи, т.к. взмах крыла опирается на воздух. Возвращаясь к фотону, можно добавить, что у него нет крыльев для взмаха и нет ног для отталкивания, поэтому он взлетает без отдачи, но с веткой в «клюве», т.е. с придачей.

Эффект отдачи мною всесторонне исследован в теме, посвященной «Эффекту Мессбауэра» [16]. Вкратце напомню, у фотона нет массы покоя, поэтому у него и нет отдачи. В момент старта фотона (крафона), часть электромагнитной энергии (квант) увлекается (отрывается) данным фотоном, в результате у атома возникает импульс механического движения (импульс придачи) по направлению улетевшего фотона.

Благодаря этому импульсу существует гравитационное взаимодействие в микро- и макромире (эффект гравитационного смещения). Приближенной моделью может служить всем известный эксперимент с надутым шариком. Когда надутый шарик отпускается, то вылетающая струя отбрасывает его назад и он, получая сопротивление воздуха, по неописуемой траектории, сдувается и падает на пол. А теперь поставим мысленный эксперимент, поместим надутый шарик в далекий Космос, в абсолютный вакуум, а чтобы его не разорвало, вставим в оболочку и будем выпускать молекулы (фотоны) поштучно. Представим, что каждая молекула в шарике взаимодействует с другими молекулами с помощью электромагнитной энергии, как фотон с плазмой Солнца. Теперь молекула воздуха из вязкой среды шарика устремляется в среду с нулевой вязкостью, с нулевым сопротивлением. На первоначальном этапе старта, вязкая среда в шарике будет препятствовать отлету молекулы, а когда молекула отрывается, то среда получает механический импульс движения придачи «вперед за снарядом», т.е. в направлении полета данной молекулы. После вылета очередной молекулы шарик продолжит импульсно перемещаться в том же направлении. Трудно представить, но если приоткрыть клапан, то шарик в абсолютном вакууме полетит в направлении вылетающей струи, т.е. совершенно в другую сторону, по сравнению с домашним экспериментом. Данный опыт у нас ассоциируется с реактивным движением ракеты, но в данном случае нет реактивного движения, т.к. вылетающая струя молекул-фотонов, это не отработанные газы, вылетающие из сопла.

В мире фотонов солнечный фотон в момент старта тянет плазму Светила за собой. Точно такая же ситуация с земными фотонами (крафонами). Любой отлетающий крафон сопровождается импульсом придачи, а не отдачи! В этом корень гравитационного взаимодействия в природе и расширении тел при нагревании.

Поэтому, импульс P_R=ħk есть импульс придачи, а не отдачи, т.к. атом движется в воздухе, как в абсолютном вакууме. Расстояние между молекулами газа при атмосферном давлении превышает их диаметр в десятки раз. За счет этого эффекта происходит сужение линий спектра при резонансном взаимодействии атома и фотона.

Вопрос четвертый. Охлаждение атомов.

Физики подбирают частоту лазеров с таким расчетом, чтобы атомы излучали на частоте резонанса. В этом случае происходит следующее: атом поглощает фотон света, получает квант энергии, переходит в возбужденное состояние, излучает крафон и получает импульс придачи p_p. За счет полученного импульса начинает движение в направлении отлетевшего крафона и скачком переходит в основное состояние, но тут же получает новый квант энергии от очередного фотона.

 

(3)

E_p – энергия фотона (крафона), с – скорость света, h – постоянная Планка, v – частота излучения, m_p – масса фотона.

Несмотря на то, что атом после каждого излучения получает механический импульс, сдвинуться с места практически не может, т.к. без пауз на «отдых» качается «вверх-вниз» на резонансной частоте. По сути, атом за один цикл получает два механических импульса движения: от источника света (притяжение) и после излучения своего крафона – импульс придачи.

И где здесь охлаждение до сверх низких температур? Мы получаем не холодные, а заторможенные атомы. Атом может оказаться в нулевой температуре только тогда, когда он не будет поглощать и, соответственно, излучать энергию.

Вот здесь возникает парадокс: либо я намеренно хочу ввести читателей в заблуждение, либо неверна формула Максвелла, либо неверны выводы физиков.

V=√3kT/m.                                                                         (4)

Правильность формулы для распределения по скоростям молекул газа была подтверждена в многочисленных экспериментах, тогда в чем парадокс?

А парадокс заключается в следующем. Экспериментаторы видят, что кинетическая скорость атомов приблизилась к нулю, а поскольку она пропорциональна √T, то и температура должна по их расчетам находиться в области абсолютного нуля. Но это утверждение не верное, т.к. каждый атом в этот момент не избавился от кинетической энергии движения, наоборот, она увеличилась. Это отображается в его колебаниях. Можно сказать иначе: атом постоянно получает импульсы движения (приобретает кинетическую энергию), но из-за высокой частоты их поступления, атом, в силу своей инерционности, практически не успевает переместиться в другую точку пространства, т.к. тут же получает другой импульс противоположного или иного произвольного направления. В формуле (4) отражена среднеквадратичная скорость молекул (атомов) поступательного движения. Вот здесь и закралась ошибка в интерпретации опытов исследователей. Они видят неподвижное светящееся облако атомов (микро звезду) и в то же время говорят о температуре близкой к абсолютному нулю. Температура есть статистическая величина, отражающая меру средней кинетической энергии молекул газа.

Вопрос пятый.

Сизифово охлаждение. Нобелевский лауреат Коэн-Тануджи для объяснения принципа охлаждения атомов высказал следующую мысль: «Под действием света происходит диссипация, поскольку излучаемый спонтанно фотон обладает большей энергией, чем поглощаемый лазерный фотон» [7]. Такое объяснение наводит меня на другую мысль: если атом излучает больше энергии, чем ее поглощает, то получается очередной Perpettum-mobile.

Атом поглощает энергию дискретно – квантами, поэтому он не может выплеснуть энергии больше, чем получил, в лучшем случае, в резонансе может отдать то, что приобрел.

Энергия излучения всегда равна энергии поглощения без потерь.

E_i=E_p                                                                                  (5)

Также атом не может охладиться ниже абсолютного нуля, т.к. в окружающем пространстве нет материи, которая могла бы поглотить отрицательную энергию. Ученые, которые считают, что они в своих экспериментах получили температуру ниже 0К, явно лукавят [1]. От непонимания как работает гравитация и за счет каких сил происходит торможение атомов, у немецких физиков температура упала ниже абсолютного нуля. Для объяснения опыта немецких экспериментаторов прибегнем, к примеру, персонажа «Сизифова охлаждения». Неутомимый герой толкает камень в гору, но он у него всякий раз срывается и скатывается вниз к подножию горы. Представим, что трудяга натренировался, набрался сил и опыта, и ему удалось закатить камень на самую высокую точку горы. Поскольку на вершине нет нормальной плоскости, то порывом ветра камень снова скатывается на то же самое низкое место у подножия горы. Вывод из сказанного: камень с разной высоты склона всякий раз достигает одного и того же дна долины. Даже с вершины горы, имея максимальную потенциальную, а потом и кинетическую энергию, он не может провалиться в землю – дно мешает. Также и атом, его энергия не может упасть ниже дна нулевой энергии – нулевой градус мешает.

Любое вещество при нулевой температуре не способно к теплообмену. Закон Нернста гласит: «Невозможно охладить вещество до температуры абсолютного нуля путем отвода теплоты; абсолютный нуль не достижим» [17].

А как вообще происходит охлаждение атомов? Если подходить строго к объяснению данного явления, то экспериментаторы лишь косвенно участвуют в охлаждении атомов. Выше я уже указывал, что атомы, летающие при комнатной температуре, также охлаждены. В охлажденном виде они проходят линейный путь от зигзага до зигзага в броуновском движении. Физики в своих экспериментах лишь заставляют атомы войти в резонанс и с помощью физических и технических приемов затормозить их, не прибегая к прямому замораживанию. Всякое возбужденное состояние атома является неустойчивым, которое всегда приводит к самопроизвольному переходу в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения. Такой переход называют спонтанным (самопроизвольным). Все обычные источники излучают свет в результате спонтанного испускания. Природа устроена так, что она всегда стремится к наименьшей энтропии. Уберите теплоту вокруг любого вещества, будь то атом или планета Плутон и они сами охладятся, разница в одном, атому для этого потребуются доли секунды, а планете – миллиарды лет.

Вопрос шестой.

На одном из сайтов прочел такую фразу: «ученые смогли усмирить даже броуновское движение частиц». Автор, да и некоторые исследователи проводят разграничение между энергией броуновского движения и энергией лазера, предполагая, что у них разная природа генерации. Несмотря на то, что энергию атом (частица) получает от разных источников, его движение и остановка в фокусе, есть действие одних и тех же электромагнитных сил.

Почему Броуновское движение не препятствует торможению атомов? Поскольку теплота земли создает импульсы придачи, возникающие после взаимодействия атомов с земными крафонами, то они должны выбивать атомы из плененного облака, но это происходит редко. Причина такого поведения проста, виной тому резонанс колебаний атомов с помощью лазерного излучения. Возьмем два стандартных состояния атома: нулевое (основное состояние) и возбужденное. Когда атом находится в возбужденном состоянии, то он не воспринимает энергию земного крафона, т.к. не избавился еще от лазерного кванта. Это как переполненный сосуд, сколько не доливай в него жидкости, он от этого полнее не станет. Когда атом находится на нулевом уровне, он естественно отреагирует на крафон земли и возбудится. В силу того, что атом колеблется в резонансе, то в основном состоянии он надолго не задерживается, фактически тут же переходит в возбужденное состояние от лазерной накачки. Поэтому, тепловые крафоны земли не могут вмешаться (вклиниться) в данный процесс, резонансное лазерное излучение отфильтровывает броуновское движение. По существу, исследователи, вводя атомы в резонанс, убивают двух зайцев: 1) тормозят атомы, 2) отстраиваются от броуновского движения, что в очередной раз подтверждает общность электромагнитных излучений земли и лазера. Поэтому и «усмирять» физикам никого и ничего не приходится.

Задача экспериментаторов состоит в том, чтобы привести атом в состояние, когда он за короткое время будет поглощать фотоны и излучать крафоны статистически равновесно во все стороны пространства. В итоге результирующая скорость от действия импульсов придачи в резонансе будет приближаться к нулю. Вот эту «нулевую» скорость подменяют сверх низкой температурой.

 

Заключение

• Охлаждение атомов - без отдачи.
• Пленение атомов возникает в момент резонансной флуоресценции определяемой естественной шириной атомного перехода. Несмотря на то, что атомы фактически останавливаются в своем движении, они не все охлаждены в данный момент. Статистически охлаждается только половина, а вторая половина обладает энергией. Об этом говорит и С. Чу, фраза: «После того, как атомы в патоке достигали равновесия, мы выключали свет на разные промежутки времени. За это время быстрые атомы улетали из патоки баллистическим образом, а более медленные снова захватывались патокой».
• Охлаждение атомов происходит за счет самопроизвольного перехода из возбужденного состояния в более низкое энергетическое состояние с испусканием кванта электромагнитного излучения (крафона).
• Вторая задача состоит в том, чтобы раскачать атомы в резонансе, затем отсеять энергичные и оставить атомы, которые находятся в низшем уровне. Это и будет конденсат Бозе-Эйнштейна.
• Если атомное облако светится, то это микро звезда, но никак не микро черная дыра.
• Вместо слов «лазерное охлаждение до сверх низких температур» должны быть слова «замедление атомов до низких скоростей», а размерная величина должна быть не в Кельвинах, а метрах в секунду.
• В условиях земного тяготения невозможно охладить атомы до температур близких к абсолютному нулю методом лазерного или другого излучения. Остановить можно, но охладить нельзя. В этом случае мы нагреваем атомы от двух источников энергии: энергии лазера и энергии Земли.
• Совершенно не важно, какой энергией атомы накачиваются: лазерной, солнечной, СВЧ-генераторами или другими источниками – в результате средняя температура их повышается, а не понижается.
• Мерой абсолютной температуры считается средняя поступательная энергия молекулы идеального газа (по Максвеллу). Поскольку измерить температуру напрямую невозможно, ее определяют методом вычисления. Справедливость формулы Максвелла не вызывает сомнений, но в ней не учитывают кинетическую скорость колебательного процесса, отсюда и произошла подмена понятий – разогрев атомов подменяется охлаждением, причем до температур, которых пока невозможно достичь.

 

Источники

1. Березин А., В эксперименте удалось получить устойчивую температуру ниже абсолютного нуля, http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/fizika/10003625/, 2013
2. Филипс У.Д., Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов (нобелевские лекции по физике - 1997), УФН, Том 169, №3, 1999,
3. Пятифан, лекция, http://5fan.ru/wievjob.php?id=21460
4. Андреев С.В., Балыкин В.И., Летохов В.С, Миногин В.Г., Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов, Письма в ЖЭТФ 34, 463, 1981
5. Ashkin A. Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime // Biophys. J. 1992. Vol. 61. Р. 569–582
6. С. Чу, Управление нейтральными частицами (нобелевские лекции по физике – 1997), УФН, Том 169, №3, 1999, http://w.tekhnoscan.ru/files/Control_of_neutral_particles.pdf
7. Коэн-Тануджи К., Управление атомами с помощью фотонов, (нобелевские лекции по физике – 1997), УФН, Том 169, №3, 1999,
8. Ершов Г.Д., Фотонно-квантовая гравитация, http://gennady-ershov.ru/gravitaciya/gravitacionnoe-izluchenie-istochnika.html
9. Ершов Г.Д., Броуновское движение, http://gennady-ershov.ru/na-zemle/brounovskoe-dvizhenie.html
10. Ершов Г.Д., Почему не падают облака, http://gennady-ershov.ru/na-zemle/pochemu-ne-padayut-oblaka.html
11. Кишкинцев В.А., Явление притяжения вещества световыми лучами, открытое экспериментально В.Е. Костюшко, Доклады русскому физическому обществу, 2012, Ч.3, М. http://www.rusphysics.ru/files/Kischkincev.Yavleniye.pdf
12. Ершов Г.Д., Еще раз о давлении света, http://gennady-ershov.ru/na-zemle/eshhe-raz-o-davlenii-sveta.html
13. Баарду Ф. и др., Статистика Леви и лазерное охлаждение. Как редкие события останавливают атомы (ФМП, 3006)
14. Сойфер В.А и др., Оптическое манипулирование объектами: достижения и новые возможности, порожденные дифракционной оптикой, «Физика элементарных частиц и атомного ядра», Т.35, вып. 6, 2004»..
15. Википедия, Эффект Мёссбауэра, https://ru.wikipedia.org/wiki/
16. Ершов Г.Д., Эффект Мёссбауэра, http://gennady-ershov.ru/effekt-myossbauera/effekt-myossbauera.html#more-779
17. Кириллин В.,А,, и др., Техническая термодинамика, Энергоатомиздат, 1983
18. Путилов К.А., Курс физики, ?Science, 2013, https://books.google.ru/books?id=Bdf-

Назад  Вперед