Сколько весит квант?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Чрезвычайно сложная, лежащая на грани человеческого понимания, теория Эйнштейна вызывала (и вызывает) немало споров и сомнений. Главный судья теории — опыт, а при жизни Эйнштейна не было способов проверить его теорию на Земле. Известно одно из основных предсказаний общей теории относительности. Сила тяжести (физики предпочитают говорить «поле тяготения») должна действовать на электромагнитное излучение так же, как и на обычные тела. К примеру, двигаясь вверх в поле тяготения Земли, гамма-кванты должны, по Эйнштейну, терять свою энергию, как теряет ее мяч, брошенный вверх. Терять энергию — значит уменьшать частоту. По изменению частоты можно найти как бы вес кванта. Вес кванта!!! Он так мал, изменение частоты так ничтожно, что лишь невиданная точность эффекта Мессбауэра позволила квант взвесить.

В 1959 году это сделали ученые Паунд и Ребка. Их опыты настолько важны, что о них стоит рассказать подробнее.

Опыты проводились внутри башни высотой 22,5 метра. Источник квантов находился на дне башни. Поглотитель располагали у самого верха. Кванты летели внутри трубы, заполненной газообразным гелием (воздух поглощает кванты, поэтому и понадобился гелий).

Источник квантов был укреплен на сегнетоэлектрическом кристалле. Если на такой кристалл подавать переменный электрический ток, он начинает колебаться — грубо говоря, становится то выше, то ниже. Величину и скорость этих ничтожных движений источника можно измерить очень точно.

Ученые рассуждали так. При горизонтальном положении источника и поглотителя мы наблюдаем резонанс — кванты сильно поглощаются мишенью. Но поместим источник и поглотитель друг над другом, да еще на большом расстоянии. Если на испущенные кванты действует поле тяготения, то их частота изменяется и резонанс нарушается. Кванты должны перестать поглощаться. А чтобы поглощение возобновилось, придется искусственно изменить частоту квантов — так сказать, уравновесить влияние силы тяжести. Но это легко сделать, используя эффект Допплера: заставить источник двигаться и изменять его скорость, пока кванты вновь не станут поглощаться мишенью. Так все и произошло на самом деле. Изменение частоты было измерено. Оно, как и ожидалось, оказалось исчезающе малым. Единица, деленная на 100000000000 000.

А ЧТО ЕЩЕ?

Квант взвешен. Теория относительности проверена в одном из основных пунктов. Но этого мало. Эффект Мессбауэра открывает широкие перспективы исследований химических свойств разных веществ.

Почти всякое ядро обладает магнитным моментом — подобно стрелке компаса. А стрелка эта, как известно, меняет свое направление в зависимости от направления поля. Внутри тел на ядра действуют и электрические и магнитные поля. Эти поля изменяют частоты квантов, изменяют ширину их полоски энергий. Как именно — легко увидеть, наблюдая резонансное поглощение.

Результаты не заставили себя долго ждать. Например, эффект Мессбауэра позволил глубже понять природу ферромагнетизма.

Ферромагнетики — это постоянные магниты, запоминающие ленты магнитофонов, ячейки памяти компьютеров. Эффект Мессбауэра показал, что внутри ферромагнетиков на ядра действуют огромные поля. Сила этих магнитных полей почти в миллион раз больше силы магнитного поля Земли, отклоняющего стрелку компаса.

Эффект Мессбауэра фиксирует мельчайшие изменения энергии ядра. Эффект поглощения можно наблюдать более чем на 70 элементах, в самых различных соединениях. Это и металлы, например олово и железо, и полупроводник— германий, и такие потомственные излучатели, как радий и уран.

Ученые впервые в мире увидели резонансное поглощение квантов в полимере. Кванты рассказали о том, как «сшиваются» атомы в длинную молекулу полимера, этого сложного химического соединения. Химия веществ, физика твердого тела, полимеризация — вот возможности нового метода. Даже в биофизике эффект Мессбауэра должен помочь разобраться в загадочных явлениях.

Но и это далеко не все. Ядро — и автоматика! Еще недавно эти два слова казались несовместимыми. А сейчас новый эффект обещает сверхчувствительный контроль малых вибраций, создание систем, учитывающих ничтожные перемещения. Даже геологи — и те решили применить новый метод в поисках оловянных руд.

Автор: В. Борисов.