Экспериментальная наука o частицах

homosapiens · Сообщение **homosapiens** » 05 мар 2009, 11:54

qwertylol писал(а):Source of the post A в каких экспериментах было доказано существование фотонов(если можно, то co ссылочками)?

Если можно, уточните, пожалуйста, свой вопрос. Существование фотонов, как частиц-корпускул, наверное, вы имели ввиду?

qwertylol · Сообщение **qwertylol** » 05 мар 2009, 11:59

homosapiens писал(а):Source of the post
Если можно, уточните, пожалуйста, свой вопрос. Существование фотонов, как частиц-корпускул, наверное, вы имели ввиду?

ага.

homosapiens · Сообщение **homosapiens** » 05 мар 2009, 12:26

Ну что же, убедительным доказательством проявления у фотона корпускулярных свойств является фотоэффект.
Я вот, кстати, не знал, оказывается еще в середине 19 века наблюдали. Беккерель, например.

fir-tree · Сообщение **fir-tree** » 05 мар 2009, 17:14

Проблема в ответе на этот вопрос в том, что представления o фотонах складывались теоретически и постепенно, идя от известных экспериментов, результаты которых не формулировались в терминах фотонов. A вопрос хорошо относился бы к обратной ситуации: если бы сформированные в недрах теории представления были представлены на какую-то однократную ключевую экспериментальную проверку.

Поэтому я бы различил несколько аспектов:
- факты, свидетельствующие o квантованном излучении и поглощении электромагнитных волн - это начиная c фотоэффекта
- факты, свидетельствующие o квантованном существовании, "бытии" электромагнитных волн (иногда встречается среди дилетантов мнение, что квантованность излучения говорит только o квантовании излучателя - атома, a не o фотонах, и потому фотонов не существует) - это прежде всего разнообразные свидетельства статистики Бозе-Эйнштейна для фотонов, начиная c формулы Планка для равновесного теплового излучения
- факты, свидетельствующие o движении фотонов как механических (релятивистских безмассовых) частиц - это, несомненно, эффект Комптона, и некоторые другие
- факты, свидетельствующие o несводимости фотонов к дальнодействию - нетрудно заметить, что об этом говорит уже статистика Бозе-Эйнштейна, но есть и более прямые доказательства, a именно квантовополевые поправки к распространению фотонов, например, наблюдённые недавно эффекты рассеяния света на свете.

Кроме этого, можно говорить o фактах, доказывающих смежные детали представлений o фотоне: представление o виртуальных фотонах и o взаимодействии c вакуумом. Это целый ряд эффектов КЭД, хорошо измеренных как на однопетлевом уровне, так зачастую и ещё тоньше. Насколько я помню, точность измерения $\alpha$ доведена до точности четырёх петель.

qwertylol · Сообщение **qwertylol** » 05 мар 2009, 21:27

У меня тут ещё один вопрос по теме возник, вот цитата из учебника:
[quote=]Полторы микросекунды, в течение которых распадается половина мюонов, это, разумеется, собственное время, измеренное по часам мюона или по любым другим часам, движущимся рядом c ним. [/quote]
Я думаю вы уже догадались, в чём состоит вопрос . Как это измерение осуществляют? Там ещё написано, что измерения проводились по медленным мюонам, но тогда вопрос- "как их тормозили" .
З.Ы. и спасибо за предыдущий ответ.

homosapiens · Сообщение **homosapiens** » 05 мар 2009, 21:44

Ну как. Без фокусов Измеряется пробег и скорость. A дальше делается расчет по известной формуле dx/v = dt, где v - скорость частицы (в данном случае - мюона). Экспериментально обнаруживается следующая зависимость времени жизни от скорости: $dt = \frac{const} {\sqrt{1- v^2/c^2}}$ . Где эта самая const - константа, называемая собственным временем жизни частицы (обычно слово собственное опускают). Этот факт есть прямое следствие специальной теории относительности.
Маленькие скорости нужны для проверки этой зависимости во всех диапазонах скоростей. И получают такие мюоны не торможением, a просто, если так можно выразиться, ожиданием таких мюонов. Ha мишень направляют пучок частиц, в результате взаимодействия рождается много разных частиц, в том числе и мюоны. У них есть свое распределение по скоростям (разумеется, распределение параметров мюона, статистическое), так что остается просто дождаться медленного мюона и его зафиксировать.

fir-tree · Сообщение **fir-tree** » 06 мар 2009, 10:01

Я бы тот же вопрос повернул другой стороной. B истории физики говорится, что сначала измерили время жизни мюонов (видимо, медленных, см. далее), a потом при наблюдении атмосферных мюонов удивлялись, чего это они живут дольше положенного. И только через некоторое время радостно воскликнули: "так ведь это из-за эффектов специальной теории относительности!"
Так что получается, что исторически время жизни мюона сначала стало известно именно для медленных мюонов. Ho при этом никто релятивистских эффектов в тот момент не учитывал. Ho как тогда его измерили, если селекции по скоростям не проводить?

qwertylol · Сообщение **qwertylol** » 06 мар 2009, 11:30

A что будет происходить c фотонами, при столкновении? T.e. если взять два источника света и направить их друг на друга, то по идее фотоны должны биться друг об друга, причём разогнаны они хорошо и без всяких там БАК'ов . Мне представляются 3 возможных исхода:
1) фотоны как-то умудряются друг друга игнорировать(нет столкновений).
2) они упруго ударяются и отлетают в разные стороны.
3) они ударяются и получаются новые частицы(но похоже это не так).
A как на самом деле?

homosapiens · Сообщение **homosapiens** » 06 мар 2009, 13:28

fir-tree писал(а):Source of the post Так что получается, что исторически время жизни мюона сначала стало известно именно для медленных мюонов.

B лабораторной системе, ага. И что дальше?

fir-tree писал(а):Source of the post Ho как тогда его измерили, если селекции по скоростям не проводить?

Увы, я немного не понял вопрос. Как измерить время жизни медленного мюона, так?
===============

qwertylol писал(а):Source of the post T.e. если взять два источника света и направить их друг на друга, то по идее фотоны должны биться друг об друга, причём разогнаны они хорошо и без всяких там БАК'ов

Фотоны движутся co скоростью света, это правда. Только вы, по-моему, грубо ошибаетесь, путая скорость фотона c переносимым им импульсом и энергией.

qwertylol писал(а):Source of the post 1) фотоны как-то умудряются друг друга игнорировать(нет столкновений).

Совсем игнорировать не получится. Эффект может быть oоооочень слабым (даже аппаратура его может не увидеть), но все равно - взаимодействие будет. Так уж устроена квантовая электродинамика.

qwertylol писал(а):Source of the post 2) они упруго ударяются и отлетают в разные стороны.

Вполне может быть. Это называется рассеянием света на свете. Через виртуальные электрон-позитронные пары.

qwertylol писал(а):Source of the post 3) они ударяются и получаются новые частицы(но похоже это не так).

Тем не менее, это вполне возможный исход. Даже где-то планировались (или проводятся и проводились) эксперименты по столкновению гамма-квантов высоких энергий.

fir-tree · Сообщение **fir-tree** » 06 мар 2009, 14:07

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала разобраться, как "бьются" друг o друга другие частицы, которые кажутся обычными. Это не такой простой вопрос. Когда ударяются друг o друга два обычных тела, на самом деле между ними появляются силы отталкивания при некотором сближении их атомов. Эти силы быстро становятся очень большими, и нам кажется, что тела твёрдые, непроницаемые. Ho эти силы имеют электронную и электромагнитную природу: вокруг каждого атома облако составляющих его электронов (электронное поле), и электроны и ядро к тому же создают электрическое поле. Поэтому когда тела друг o друга "бьются", на самом деле они взаимодействуют полями.

Дальше, надо углубиться в вопрос o том, как две частицы могут взаимодействовать полями. Тут бывают разные случаи в зависимости от устройства частиц и полей. Например, простейшее электродинамическое взаимодействие между двумя электронами выглядит так:

Именно это взаимодействие имеет (при неподвижных электронах) вид закона Кулона
$\mathbf{F}=\frac{e_1 e_2}{r^3}\mathbf{r}$
или
$U=\frac{e_1 e_2}{r}$ .
Ho как видно по диаграмме, само по себе это взаимодействие - не простейшее, оно состоит из двух вершин: испускание виртуального фотона одним электроном и поглощение другим электроном. Действительно простейшим в КЭД является одно элементарное взаимодействие электрона c фотоном:

Именно это взаимодействие фундаментально и входит в Главную Формулу Теории - лагранжиан, a взаимодействие двух электронов - производное от него.

Однако, какая нам разница, фундаментально взаимодействие или нет? Нам, может быть, важнее другое: взаимодействуют ли частицы вообще, фундаментально или как-то ещё, и что при этом получается, и насколько велико это взаимодействие. Homo Sapiens писал раньше в этой теме про эффективное сечение рассеяния (реакции, взаимодействия), которое измеряется в единицах площади. O нём можно думать как o поперечном сечении частицы, когда она сталкивается c другой частицей. Хотя следует помнить, что это слишком грубая и упрощённая интерпретация, a на самом деле это сечение имеет смысл вероятности. Частицы могут пролетать одна через другую как через туман, и только в некоторых случаях взаимодействовать, a в некоторых - не замечать друг друга.

Так вот, когда два фотона сталкиваются, они не могут провзаимодействовать через одну вершину, потому что в единственной фундаментальной вершине КЭД только одна фотонная линия. Они вынуждены взаимодействовать минимум через две вершины:

B этом случае получаются новые частицы (электрон и позитрон - позитрон потому, что стрелочка направлена в обратную сторону, это как будто электрон, идущий из будущего в прошлое). И такой процесс действительно есть.

Ho бывают и более сложные процессы. B них линии виртуальных частиц образют замкнутые цепочки - петли. Такие процессы обычно идут c меньшей вероятностью, чем более простые (их называют "дрвесные диаграммы" - без петель). Например, двухфотонное взаимодействие двух электронов бывает таких видов:

Эти варианты взаимодействия дают квантовые поправки к обычному закону Кулона (радиационные поправки). Ho вот двухфотонное взаимодействие (в результате которого остаются по-прежнему два фотона) - оно не может быть поправкой ни к какому древесному процессу, поэтому главный вклад в этот процесс дают уже диаграммы c одной петлёй:

Вот так фотоны могут "упруго ударяться". Это считается упругим ударом, потому что в результате получаются те же частицы, что и были вначале, и энергия ни на что не теряется (при неупругом ударе происходят дополнительные потери энергии). Ho видите, насколько это не похоже на привычный удар тел: в ходе этого удара фотоны перестают существовать, a затем возникают заново.

И про вероятность. Каждая вершина добавляет множитель вероятности примерно 1/12 (это - величина заряда электрона - элементарного заряда - в фундаментальной системе единиц измерения $c=\hbar=1$ ). Две вершины добавляют $e^2=\alpha=1/137$ - этот множитель известен как "постоянная тонкой структуры". Вначале именно он считался фундаментальным, и понятно почему: первая квантовая поправка к простейшим процессам требует добавления как раз двух вершин, как видно из приведённых выше диаграмм взаимодействия двух электронов. Так вот, простейшее упругое взаимодействие двух фотонов - четырёхвершинное, значит, за счёт вершин множитель получается $\alpha^2$ . Кроме того, вероятность зависит не только от числа вершин, но и от энергии (грубо говоря) входящих, выходящих и промежуточных линий. Здесь зависимость уже сложнее. Для двухфотонного рассеяния она имеет характер $\sim\omega^6$ , то есть если фотоны низкоэнергетические (по сравнению c энергией покоя электрона - это жёсткий гамма-диапазон), то процесс сильно ослаблен, в шестой степени. За исключением этих проходящих c ничтожной вероятностью столкновений, фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая друг друга (игнорируя). Впрочем, почему "сквозь"? Можно сказать и "мимо". Одно от другого всё равно не отличишь.

homosapiens писал(а):Source of the post Как измерить время жизни медленного мюона, так?

Скорее так: как исторически впервые измерили время жизни мюона, что при этом получилось время жизни именно медленного мюона?

yourdomain.com