การพึ่งพาพลังงานจากสิ่งใด• Igor Ivanov •ปัญหาที่เป็นที่นิยมทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับ "องค์ประกอบ" •ฟิสิกส์

พึ่งพาพลังงานจากอะไร

อำนาจ dependences ในฟิสิกส์ – เล็กน้อยโหล บางค่าขึ้นอยู่กับแต่ละอื่น ๆ ตามกฎหมายเชิงเส้นบาง – สมการกำลังสอง, ลูกบาศก์และอื่น ๆ นอกจากนี้ยังมีการพึ่งพาเศษส่วนพลังงาน: รากที่สอง (ดัชนีคือ 1/2) และองศาอื่น ๆ ที่ซับซ้อนมากขึ้น การอ้างอิงดังกล่าวมีอยู่อย่างต่อเนื่องในงานของโรงเรียนดังนั้นจึงไม่ทำให้เกิดความประหลาดใจใด ๆ โดยวิธีการที่เกี่ยวกับการอ้างอิงเหล่านี้คุณสามารถสร้างทฤษฎีทั้งความคล้ายคลึงกันและมิติข้อมูลและใช้การคำนวณได้

มะเดื่อ 1 ฟลักซ์ของอนุภาครังสีคอสมิกที่กระหน่ำโลกแตกต่างจากอนุภาค 1 ต่อวินาทีผ่านเซนติเมตรตารางที่พลังงานต่ำกว่า 1 GeV ถึง 1 อนุภาคภายในไม่กี่ปีหลังจากมีพื้นที่เป็นตารางกิโลเมตรที่พลังงานเหนือ 1019 eV ในทุกช่วงใหญ่นี้ฟลักซ์ขึ้นอยู่กับพลังงานโดยประมาณตามกฎหมายพลังงานที่มีเลขชี้กำลังที่ไม่ใช่จำนวนเต็ม แผนภูมิจาก M. Duldig, 2006. รังสีคอสมิกติดตามการหมุนของทางช้างเผือก

อย่างไรก็ตามในธรรมชาติบางครั้งยังมีการพึ่งพาพลังงานซึ่งในตัวบ่งชี้ไม่ใช่จำนวนเต็มหรือแม้แต่เศษส่วน แต่เป็นเพียงแค่การคำนวณค่าตัวเลขที่ "งุ่มง่าม" หนึ่งในตัวอย่างที่สดใสที่สุดคือสเปกตรัมพลังงานของรังสีคอสมิกอนุภาคประจุที่มาจากอวกาศลึกการวัดแสดงให้เห็นว่าพลังงานของอนุภาคเหล่านี้อยู่ในช่วงเวลาที่มีขนาดใหญ่ถึง 12 คำสั่ง: จากเศษส่วนของ GeV ถึง 1021 eV พลังงานของอนุภาคจะมากขึ้นโดยที่ไม่ค่อยเกิดขึ้น (รูปที่ 1) แต่น่าเสียดายที่การพึ่งพานี้อยู่ใกล้เคียงกับกำลังที่มีตัวบ่งชี้ "น่าเกลียด" สเปกตรัมพลังงานของฟลักซ์ของรังสีคอสมิก (นั่นคือจำนวนอนุภาคที่จะมาถึงต่อ 1 GeV ของพลังงาน) ใกล้เคียงกับสูตร

.

ในความเป็นจริงการพึ่งพาอาศัยกันนี้ไม่ค่อยถูกต้องและในช่วงพลังงานที่แตกต่างกันตัวบ่งชี้จะมีค่าแตกต่างกันเล็กน้อย แต่สิ่งนี้ไม่ได้คัดค้านความเป็นจริงโดยทั่วไป: มีช่วงพลังงานที่ค่อนข้างกว้างซึ่งการพึ่งพาของรังสีคอสมิกในพลังงานเป็นไปอย่างใกล้ชิดกับกฎหมายพลังงานที่มีตัวบ่งชี้แปลก ๆ และถ้าเช่นนั้นการพึ่งพาพลังงาน "เงอะงะ" ต้องมีคำอธิบาย

งาน

ในปัญหานี้เราไม่แนะนำให้คุณคำนวณขนาดของเลขกำลัง – นี่ไม่ใช่เรื่องง่าย นี่เป็นเพียงสิ่งที่จำเป็นต้องอธิบายด้วยตัวอย่างของรังสีคอสมิกจากที่ในฟิสิกส์ "เงอะงะ" กฎหมายพลังงานจะถูกถ่ายโดยทั่วไป เราจะให้คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกทางกายภาพของการเร่งอนุภาคของรังสีคอสมิกและคุณลองพิจารณาจากความรู้สึกทางกายภาพของคุณเพื่อคาดเดาสาเหตุของการพึ่งพาพลังงาน

มะเดื่อ 2 คลื่นช็อกจะเคลื่อนที่ผ่านสื่อระหว่างดวงดาวที่มีการปั่นป่วนและหยิบอนุภาคประจุไฟฟ้าขึ้นมาช่วยให้พลังงานสูงขึ้น

ดังนั้น – นิดดอลฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่ เป็นที่เชื่อกันว่าแหล่งกำเนิดรังสีคอสมิกที่มีพลังงานสูงเป็นคลื่นกระแทกในอวกาศที่ลึก (รูปที่ 2) หน้าคลื่นกระแทกไหลผ่านสื่อระหว่างดวงดาวและกระชับมัน สื่อนี้ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและยิ่งไปกว่านั้นความปั่นป่วนและด้วยเหตุนี้สนามแม่เหล็กในนั้นจึงพันกันทั้งก่อนและหลังคลื่นช็อก ดังนั้นกฎง่ายๆของการเคลื่อนไหวของอนุภาคประจุที่เราวิเคราะห์ในปัญหาก่อนหน้านี้ไม่ได้ผลที่นี่ แต่เราสามารถสันนิษฐานได้ว่าอนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กที่วุ่นวายนี้เป็นสิ่งที่ทำให้เกิดความสับสน

คลื่นกระแทกมีบทบาทในการเร่งความเร็ว มันหยิบอนุภาคประจุและอย่างต่อเนื่องขว้างปาจากพื้นที่ด้านหน้าของหน้าช็อกไปยังพื้นที่ที่อยู่เบื้องหลังและจากนั้นกลับเพิ่มพลังงานของมัน ในบางขั้นตอนอนุภาคตกจากกระบวนการนี้ไม่เร่งตัวและวนลูปยังคงบินไป ละเลยความสูญเสียที่ตามมาเราจะสมมติว่าพลังงาน,ซึ่งเธอได้รับระหว่างขั้นตอนนี้เราจะลงทะเบียนใน Earth เมื่ออนุภาคถึงเรา

จากภาพของกระบวนการเร่งความเร็วนี้ อธิบายตามที่ปรากฎว่าจำนวนของอนุภาคเร่งพลังงาน E ขึ้นอยู่กับ E ตามกฎหมายอำนาจ


เคล็ดลับ 1

ที่นี่เราต้องรู้สึกสองปรากฏการณ์ ประการแรกคือการเร่งตัวเอง; วิธีการที่เป็นที่ย้ายจากพื้นที่ด้านหน้าของด้านหน้าไปยังพื้นที่ที่อยู่เบื้องหลังมันและจากนั้นกลับอนุภาคเร่ง และสำหรับเรื่องนี้ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นกับสื่อระหว่างดวงดาวหลังจากผ่านคลื่นช็อกซึ่งเราเน้นย้ำว่าเป็นอย่างไร พยายามที่จะหาโดยทั่วไปพลังงานเท่าใดเพิ่มขึ้นหลังจากรอบการเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้งผ่านหน้าคลื่นช็อกไปมา

ประการที่สองมีความจำเป็นต้องทำความเข้าใจว่าทำไมอนุภาคจึงไม่เร่งตัวขึ้นเรื่อย ๆ ในกระบวนการนี้ แต่ก็หลุดออกไป แม้ว่าคุณจะไม่ทราบรายละเอียดเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นคุณสามารถลองกำหนดความเป็นจริงนี้โดยทั่วไปได้ นี้แล้วจะเพียงพอที่จะแก้ปัญหา


เคล็ดลับ 2

ด้านหน้าของคลื่นช็อกไม่เพียงบีบอัดกลาง แต่ยังตั้งไว้ในการเคลื่อนไหววิธีที่สะดวกที่สุดในการดูสิ่งนี้อยู่ในกรอบอ้างอิงซึ่งเชื่อมโยงกับด้านหน้า บนมือข้างหนึ่งก๊าซระหว่างดวงดาวกำลังเกิดขึ้นกับมันและในอีกแง่หนึ่งมันจะออกไป แต่เนื่องจากความหนาแน่นก่อนและหลังแตกต่างกันอัตราการ "ไหลเข้า" และ "การรั่วไหล" ต่างกัน ลองนึกถึงรูปลักษณ์ในกรอบอ้างอิงที่เป็นต้นฉบับ พิจารณาว่าตอนนี้ข้ามหน้าคลื่นช็อกแล้วอนุภาคก็รู้สึกภายใต้เงื่อนไขที่ต่างกันในสื่อที่แตกต่างกันและความเร็วและพลังงานของอนุภาคต้องคำนวณเทียบกับสื่อเฉพาะนี้

ด้วยคำถามที่สองคุณสามารถคิดออกถ้าคุณมองไปที่อนุภาคในกรอบอ้างอิงของสื่อที่สอง ลองนึกภาพว่าจะมีอนุภาคเคลื่อนไปที่นั่นและสิ่งที่ต้องทำเพื่อที่จะย้อนกลับไปในวันพุธแรก


การตัดสิน

ในรูป 3 แสดงหน้าคลื่นในสามระบบอ้างอิง: ในต้นฉบับที่คลื่นกระแทกไหลผ่านสื่อนิ่งโดยทั่วไปในระบบด้านหน้าซึ่งมีเหตุการณ์เกิดขึ้นและการไหลล้นและในที่สุดในระบบที่เหลือของสื่อที่สอง พิจารณาขั้นตอนแรกในระบบด้านหน้า เนื่องจากความหนาแน่นทั้งก่อนและหลังหน้ามีความแตกต่างกันดังนั้นความเร็วในเฟรมที่สองของการอ้างอิงจึงแตกต่างกันเนื่องจากการไหลของสิ่งของต้องคงที่ และนั่นหมายความว่าในกรอบเริ่มต้นของการอ้างอิงสภาพแวดล้อมทั้งหมดจะเคลื่อนไปในทิศทางเดียวกับด้านหน้า แต่ช้า: u <v. ภาพที่คล้ายกันนี้ยังพบได้ในระบบที่เหลือของสื่อที่สองโดยมีความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือความเร็วของสื่อแรกและความเร็วของคลื่นช็อกจะถูกส่งไปในทิศทางที่ต่างกัน

มะเดื่อ 3 ระบบอ้างอิงสาม: ระบบต้นทาง (ด้านซ้าย), ระบบอ้างอิงของคลื่นกระแทก (อยู่ตรงกลาง) และสภาพแวดล้อมระบบที่เหลือ 2 (ด้านขวา). ความยาวลูกศร หมายถึงความเร็วของหน้าปัดกลางหรือหน้าช็อก

จากเหตุผลนี้จะเห็นได้ชัดว่าทั้งสองสภาพแวดล้อม วิ่งข้ามกันและกัน, และอนุภาคที่ถูกฉีกขาดระหว่างพวกเขา เมื่อเธอข้ามหน้าคลื่นเธอบินในวันพุธที่ แล้วเดินไปหาเธอ. จากมุมมองของสื่อนี้อนุภาคได้เพิ่มพลังงานไปแล้ว ม้วนอยู่ภายในตัวกลางที่สองในสนามแม่เหล็กที่ซับซ้อนอนุภาคจะไม่สูญเสียพลังงาน แต่เมื่อเธอข้ามพรมแดนกลับเธอบินกลับเข้าสู่สภาพแวดล้อมซึ่งเคลื่อนที่ไปทางเธอ

ปัญหานี้คล้ายกับปัญหาทางกลที่รู้จักกันดีคือผนังทั้งสองค่อยๆเข้าหากันและกันและลูกบอลลอยอยู่ระหว่างพวกเขา ถ้าความเร็วของลูก โวลต์, ความเร็วผนัง – ยูหลังจากนั้นการตอบสนองความเร็วของลูกจะเพิ่มขึ้น โวลต์ + 2ยู, และพลังงานจลน์เพิ่มขึ้นประมาณ (1 + 4)ยู/โวลต์) ครั้งเรามีความสัมพันธ์แบบเดียวกันกับปัญหา; ผนังเป็นสองสภาพแวดล้อมและความเร็ว โวลต์ ใกล้เคียงกับความเร็วของแสงและเกือบไม่มีการเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตามเนื่องจากกฎหมายเกี่ยวกับความสัมพันธ์พลังงานของอนุภาคเพิ่มขึ้นในแต่ละครั้ง นี้นำไปสู่ข้อสรุปทั่วไป: สำหรับการข้ามแต่ละด้านหน้าไปมาพลังงานอนุภาคเพิ่มขึ้นบางเวลา (เราหมายถึงจำนวนนี้โดย ) สิ่งที่ปัจจัยนี้มีค่าเท่ากับสิ่งสำคัญคือสิ่งที่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาค (ความจริงข้อนี้เป็นผลที่ง่ายที่สุดในการคำนวณพลังงานของอนุภาคความสัมพันธ์เมื่อย้ายไปยังกรอบอ้างอิงอื่น) ดังนั้นถ้าพลังงานเริ่มต้นของอนุภาคเป็น E0หลังจากนั้น n รอบดังกล่าวพลังงานของเธอจะเพิ่มขึ้นไป

.

แต่โดยทั่วไปเราไม่สามารถรับประกันได้ว่าเมื่อพุธในวันพุธที่สองอนุภาคจะต้องกลับไปเป็นคนแรก หลังจากที่ทุกคนในระบบที่เหลือของสภาพแวดล้อมที่สองด้านหน้า วิ่งหนีไป จากอนุภาคที่หลงทางแบบสุ่ม ถ้าอนุภาคไม่กลับไปด้านหน้าอย่างรวดเร็วเพียงพอแล้วมันจะไม่ทันกับเขาอีกต่อไปซึ่งหมายความว่ามันจะหลุดออกจากกระบวนการเร่งความเร็ว ความน่าจะเป็นที่อนุภาคที่เคลื่อนที่โดยบังเอิญจะทะลุหน้าช็อตไม่ง่ายนักในการคำนวณ แต่อีกครั้งเราไม่จำเป็นต้องคำนวณมันพอเพียงที่จะรู้สึกว่าตั้งแต่กระบวนการนี้เป็นรูปทรงเรขาคณิตหมดจดความน่าจะเป็นของการกลับมาไม่ได้ขึ้นอยู่กับพลังงานอย่างใดอย่างหนึ่ง เราแสดงความเป็นไปได้นี้ด้วย พี. ดังนั้นถ้าเราเดิมมี ยังไม่มีข้อความ0 อนุภาคพร้อมสำหรับเร่งแล้วหลังจาก n เหลือรอบ

อนุภาค

มันยังคงรวมผลลัพธ์ไว้สองอย่าง การแสดงออกจากสูตรแรก n และแทนที่ที่สองเราพบว่าจำนวนของอนุภาคเร่งพลังงาน E และด้านบนแสดงด้วยสูตร

ดังนั้นการพึ่งพาพลังงานที่ต้องการได้เปิดออกมาพร้อมกับตัวบ่งชี้ "เงอะงะ" ซึ่งไม่ได้แสดงถึงตัวเลขที่สวยงาม แต่เป็นไปตามการคำนวณทางกายภาพที่ซับซ้อน ถ้าเราต้องการที่จะได้รับการกระจายสเปกตรัม – นั่นคือไม่ใช่จำนวนรวมของอนุภาคที่มีพลังงานเหนือ E, และจำนวนของอนุภาคในช่วงจาก E ได้ถึง E + 1 GeV – ดัชนีจะเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งรายการ จำนวน 2.7 ที่อธิบายข้างต้นหมายถึงค่านี้ของγ + 1


เล่ม

สาระสำคัญในการคำนวณของปัญหานี้สามารถลดลงไปได้เช่นการสังเกตง่ายๆ: กฎหมายกำลังที่มีค่าสัมบูรณ์ที่ไม่ดีเกิดขึ้นเมื่อปริมาณทางกายภาพไม่ขึ้นอยู่กับแต่ละเส้น ลอการิทึม. ที่นี่เราได้พิจารณาปัญหาจากพลาสมาฟิสิกส์ แต่โดยทั่วไปสถานการณ์ดังกล่าวจะพบได้ในพื้นที่อื่น ๆ ของฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่นในฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานมีแนวคิดเรื่อง "พารามิเตอร์การเดินทาง" – นี่คือเมื่อปริมาณบางอย่างขึ้นอยู่กับพลังงานที่วัดได้ ตัวอย่างเช่นมวลของควาร์ก: พวกมันขึ้นอยู่กับอำนาจของพลังงานอนุภาคที่มีตัวเลขที่น่าอึดอัดใจ ในฟิสิกส์ของสภาวะควบแน่นในอุณหภูมิใกล้อุณหภูมิเฟสช่วงที่สอง TCRเกินไปปริมาณมากขึ้นอยู่กับ T – TCR ตามกฎหมายอำนาจ เลขชี้กำลังในสถานการณ์เช่นนี้เรียกว่าเลขชี้กำลังสำคัญและในการประมาณค่าที่ง่ายที่สุดจะคำนวณโดยใช้ทฤษฎีของ Landau ที่มีปรากฏการณ์ที่สำคัญ

ตอนนี้เรากลับไปที่รังสีคอสมิกและการเร่งความเร็วของพวกมันที่ด้านหน้าของคลื่นช็อก กลไกการเร่งความเร็วนี้เรียกว่ากลไก Fermi เร่งเฟิร์มอันดับหนึ่งและได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1970 โดยนักฟิสิกส์ของโซเวียต G. F. Krymsky และนักวิจัยตะวันตก (ดูตัวอย่างเช่นการทบทวนโดย G. G. Berezhko G. F Krymsky, 1988. การเร่งรังสีคอสมิกโดยคลื่นกระแทก ถ้าเราทำการคำนวณอย่างรอบคอบแล้วแม้ในการประมาณค่าที่ง่ายที่สุดเราจะได้ค่าสัมประสิทธิ์

จำนวนที่อยู่ที่ไหน R แสดงจำนวนครั้งที่สื่อถูกบีบอัดโดยคลื่นช็อก ในกรณีที่มีคลื่นกระแทกแรง R = 4 ดังนั้นดัชนีสเปกตรัมจะได้รับเท่ากับγ + 1 = 2 ซึ่งไม่เลว (การวัดที่เราจำได้ให้ประมาณ 2.7)

มีกลไกอื่น ๆ รวมไปถึงกลไกที่นักฟิสิกส์ Enrico Fermi ได้คิดค้นย้อนกลับไปในปีพ. ศ. 2492 และตอนนี้เรียกว่ากลไกแฟร์มิลที่สอง มีความซับซ้อนมากขึ้นในการคำนวณ (ซึ่งย่อมจะมีการไหลเข้าสู่การจำลองเชิงตัวเลข) คำนึงถึงความละเอียดอ่อนของฟิสิกส์พลาสมาและคลื่นกระแทกคำนึงถึงสภาวะที่มีอยู่จริงในสถานการณ์จริงและลองพิจารณาความสูญเสียทั้งพลังงานและอนุภาคด้วย นักฟิสิกส์ได้ทำสิ่งนี้มาหลายปีแล้วและประสบความสำเร็จแม้ว่าทฤษฎีนี้ยังไม่เป็นที่น่าพอใจอย่างสมบูรณ์ในทุกแง่มุมของทฤษฎี

ดีในวินาทีสุดท้าย ในส่วนต่างๆของช่วงพลังงานมหาศาลของรังสีคอสมิกตัวแทนจะแตกต่างกันไปเล็กน้อย อยู่ที่ไหนสักแห่งใกล้ 2.5 ซึ่งอยู่ใกล้กับ 3 และการเปลี่ยนภาพระหว่างพื้นที่เหล่านี้ค่อนข้างคม (รูปที่ 4) ในการประมาณครั้งแรกสเปกตรัมทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสี่ส่วน ครั้งแรกขยายไปถึง 1015 eV แล้วมีอาการปวดหัวที่เรียกว่า "หัวเข่า" และจากนั้นสเปกตรัมตกหลุมกับพลังงานที่สูงชัน,แต่หลังจากที่ผ่านการย้อนกลับข้อต่อ "ข้อเท้า" ในพื้นที่ 1018,5 eV เขายืดตัวเล็กน้อยอีกครั้ง สุดท้ายในภูมิภาคพลังงานสูง 1020 eV ผล Grayzen-Zatsepin-Kuzmin ควรจะเข้ามาเล่น แต่นักฟิสิกส์ยังคงคุยกันถึงความน่าเชื่อถือที่ปรากฏในข้อมูล

มะเดื่อ 4 มีรังสีคอสมิกเหมือนกัน แต่คูณด้วย E2,5แสดงให้เห็นชัดเจนว่าในส่วนต่างๆของสเปกตรัม exponents ของการพึ่งพาพลังงานแตกต่างกันเล็กน้อย กราฟจากบทความ T. Pierog, 2013. การทดลองการเร่งการเชื่อมต่อและห้องอาบรังสีคอสมิก

สเปกตรัมในรูปแบบของส่วนที่มีพารามิเตอร์ต่างกันโดยคั่นด้วย kinks หมายความว่ารังสีคอสมิกของช่วงพลังงานต่างกันจะได้มาจากกลไกที่แตกต่างกันหรืออย่างน้อยที่สุดจะถูกเร่งด้วยวัตถุดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่แตกต่างกัน ในมือข้างหนึ่งนี้มีความซับซ้อนงาน แต่ในมืออื่น ๆ ที่จะทำให้สถานการณ์ที่น่าสนใจยิ่งขึ้น สิ่งที่ง่าย ๆ เช่นเลขชี้กำลังจะกลายเป็นแหล่งข้อมูลที่มีค่ามากเกี่ยวกับว่าจักรวาลของเราทำงานอย่างไรและวัตถุแต่ละอย่างโดยทั่วไป


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: