Energija yra pažangos varomoji jėga. Jos reikia vis daugiau. Jei taip, ar turime ją grąžinti? Kvantinė fizika ne kartą įrodė, kad ji prieštarauja mūsų intuicijai.
Tarptautinė tyrėjų komanda iš TU Vienna, Université libre de Bruxelles (Belgija) ir IIT Kanpur (Indija) būtent ir tyrė šios neigiamos energijos aprėptį.
Pasirodo, kad ir kokioje kvantinėje teorijoje, kad kokios simetrijos visatoje, visada yra tam tikri energijos „skolinimosi“ apribojimai.
„Bendrojoje reliatyvumo teorijoje paprastai tariame, kad energija visada ir visur Visatoje yra didesnė už nulį,“ sako Prof. Daniel Grumiller Teorinės fizikos instituto prie TU Wien (Viena). Iš čia kyla labai svarbi pasekmė gravitacijai: energija yra ekvivalenti masei pagal formulę E=mc². Tad, neigiama energija reikštų neigiamą masę.
Kvantinė teorija prieš neigiamą energiją iš principo nėra nusiteikusi. „Remiantis kvantine fizika, galima iš vakuumo tam tikroje vietoje pasiskolinti energijos, kaip pinigų iš banko,“ sako Danielis Grumilleris.
2017 metais įrodyta vadinamoji „kvantinės nulinės energijos sąlyga“ (angl. quantum null energy condition - QNEC), nubrėžia tam tikras energijos „skolinimosi“ ribas, susiedama reliatyvumo teoriją ir kvantinę fiziką: leidžiama mažesnė už nulį energija, bet tik tam tikrame diapazone ir tik tam tikram laikui.
„Susietumo entropija tam tikra prasme yra matas, rodantis, kaip stipriai sistemos elgseną veikia kvantinė fizika,“ aiškina Danielis Grumilleris.
Dabar Grumilleriui kartu su Max Riegler ir Pulastya Parekh šiuos skaičiavimus pavyko generalizuoti. Maxas Riegleris užbaigė savo disertaciją Danielio Grumillerio grupėje TU Wien ir dabar atlieka postdoktorantūros tyrimus Harvarde.
„Anksčiau būdavo remiamasi tik kvantinėmis teorijomis, kuriose remiamasi Specialiojo reliatyvumo simetrijomis. Bet mums pavyko parodyti, kad šis ryšys tarp neigiamos energijos ir kvantinio susietumo ryšys yra daug bendresnis reiškinys,“ pažymi Grumilleris.
Žinoma, visai tai neturi nieko bendro su mistinėmis mašinomis, kuriomis energija neva gaunama iš nieko, kaip nepailstamai teigiama ezoteriniuose ratuose.
„Faktas, kad gamtos dėsniai leidžia mažesnei už nulį energijai atsirasti tam tikroje vietoje tam tikrą laiąk, nereiškia, kad pažeidžiamas energijos tvermės dėsnis,“ pabrėžia Danielis Grumilleris. Net jei reikalai pasidarė šiek tiek sudėtingesni, nei manyta, energijos iš nieko gauti neįmanoma, nors neigiama ji gali tapti.
Kvantinėje fizikoje neapibrėžtumo dėsnis leidžia kosmoso vakuume egzistuoti virtualioms dalelių ir antidalelių poroms, kurios atsiranda spontaniškai ir egzistuoja trumpą laiką, kol susinaikina. Todėl neigiama energija reikštų ir neigiamą masę.
Tačiau pagal kvantinę fiziką, tam tikroje vietoje galima pasiskolinti energijos iš vakuumo, kaip pinigų iš banko. Kvantinės nulinės energijos sąlyga, susiejanti reliatyvumo teoriją ir kvantinę fiziką, numato energijos skolinimosi ribas.
Kai kvantinis susietumas yra lemiamas arti juodosios bedugnės krašto, toje srityje gali atsirasti neigiama energija.
Sąvoka „dipolis“ kartais vis panaudojama Lietuvos žiniasklaidoje ir kitokioje viešojoje erdvėje, kai kalbama apie Vilnių, Kauną ir viską, kas į tarpą tarp jų. Fizikai taip pat naudoja terminą „dipolis“, bet jis reiškia visai ne dviejų miestų junginį. Ir „-polių“ fizikoje būna įvairių, ne tik „di-“.
„Dipolis“, išvertus daugmaž pažodžiui, reiškia „du poliai“. Dipoliais vadinami dariniai dažnai sutinkami nagrinėjant elektromagnetinius reiškinius, ypač spinduliuotę.
Sudėjus du krūvius - teigiamą ir neigiamą - taip, kad jie vienas kito neliestų ir nepasinaikintų (galime įsivaizduoti du įkrautus rutuliukus, pamautus ant elektrai nelaidaus strypo), gauname elektrinį dipolį. Dideliu atstumu nuo tokio darinio abiejų krūvių elektriniai laukai kompensuoja vienas kitą (protingai sakoma, kad elektrinio lauko divergencija regione, apimančiame visą dipolį, lygi nuliui), tačiau jei dipolis sukasi, jis ima spinduliuoti statmenai sukimosi ašiai.
Elektrinis ir magnetinis dipoliai gali būti palyginti su paprastesnėmis struktūromis - monopoliais. Fizikoje „monopolis“ reiškia „vienas polis“.
Objektas, turintis elektrinį krūvį, yra elektrinis monopolis; magnetiniai monopoliai beveik neabejotinai neegzistuoja, nors juos aptikti vis bandoma. Iš principo skirtumą tarp (bet kokio) monopolio ir (bet kokio) dipolio galima nusakyti per simetriją. Monopolių struktūra ir poveikis aplinkai yra sferiškai simetriški - vienodi visomis kryptimis. Dipolių struktūra ir poveikis turi ašinę simetriją - nekinta, sukantis aplink vieną ašį.
Tokių pačių - sferinės ir ašinės - simetrijų galima rasti ir astronomijoje, kur praktiškai vienintelė reikšminga jėga yra gravitacija. Bet koks masę turintis sferiškai simetriškas kūnas yra gravitacinis monopolis - kuria gravitacijos (traukos) lauką, vienodą visomis kryptimis. Jei kūnas sukasi, jis susiploja ir gravitacinis laukas tampa ašiškai simetriškas - štai ir dipolis.
Tiksliau sakant, tokio kūno poveikis aplinkai susideda iš monopolio ir dipolio. Analizuojant kūno poveikį, monopolio ir dipolio dalis galima atskirti ir nagrinėti atskirai - tai dažnai labai supaprastina uždavinį.
Žinoma, realybėje kūnai dažniausiai nėra sferiškai ar netgi ašiškai simetriški. Nors Žemė beveik apvali, o kiek neapvali - beveik elipsoidinė, visgi tikroji jos forma yra netaisyklinga. Tas pat galioja ir kitoms planetoms bei žvaigždėms. Daugelio kūnų sistemose simetriškumo dar mažiau.
Laimei, ir čia mums padeda įvairūs poliai, tik jau sudėtingesni, nei monopolis ir dipolis. Jie vadinami kvadrupoliai, oktupoliais ir taip toliau - kiekvieno sekančio pavadinime yra priešdėlis, graikiškai reiškiantis vis aukštesnį dvejeto laipsnį.
Polių naudingumo priežastis slypi vienos lygties, vadinamos Laplaso lygtimi, sprendiniuose. Kairiojoje lygties pusėje užrašytas veiksmas, žymimas operatoriumi Δ, apskaičiuoja funkcijos Φ gradiento divergenciją. Šie protingi žodžiai reiškia šit ką: jei funkcija Φ yra potencialas (pavyzdžiui, gravitacinis), tai jo gradientas nurodo jėgą.
Nesigilinsiu į visokias aukštąsias matematikas, reikalingas lygties sprendimui; kad suprastume, kas yra dipolis ir t.t., užtenka žinoti šį tą apie lygties sprendinius. Sferinėje koordinačių sistemoje lygtį galima išskirstyti į dvi dalis - radialinę (kur visi nariai priklauso tik nuo atstumo iki koordinačių pradžios taško) ir sferinę (kur priklausomybė yra tik nuo krypties).
Kiekvieną dalį galima spręsti atskirai, o antrosios dalies sprendiniai vadinami sferinėmis harmonikomis. Paprasčiausia harmonika yra sfera: visomis kryptimis potencialas vienodas. Kiek sudėtingesnė primena aštuoniukę - yra ašiškai simetriška.
Toliau seka begalybė vis sudėtingesnių struktūrų, kurių visų bendra savybė yra ta, kad jos yra Laplaso lygties sprendiniai. Pasirinkus kažkiek harmonikų, jas padauginus iš tinkamų spindulinių funkcijų ir viską sudėjus, galima suformuoti bet kokias struktūras, nusakančias bet kokių objektų ar sistemų kuriamą gravitaciją (ar elektrostatinę jėgą, ar dar ką nors).
Nagrinėjant atskirų kūnų ar iš jų sudarytų sistemų gravitaciją, toks harmonikomis paremtas skaičiavimas (vadinamas daugiapoliniais plėtiniais, angl. multipole expansion, nes sudėtinga forma išskaidoma į įvairaus sudėtingumo polius) ne visada yra naudingas; dažnai reikalingi plėtiniai yra tokie sudėtingi, kad žymiai paprasčiau naudotis statistiniais ar kokiais kitokiais metodais arba leisti skaičiavimus atlikti kompiuteriui.
Foninė spinduliuotė - beje, ne tik mikrobangė, fono yra ir kituose diapazonuose, tik jis jau nėra Didžiojo sprogimo aidas - savyje slepia daugybė struktūrų. Jose užkoduotos galaktikos, jų spiečiai ir superspiečiai, didžiulės tuštumos tarp galaktikų ir gijos, jungiančios spiečius.
Analizuodami tas struktūras galime sužinoti labai daug apie Visatos evoliuciją. Tad ir analizuojame - išskaidome svyravimus į dipolį, kvadrupolį ir kitus polius, o tada žiūrime, koks yra kiekvieno mastelio svyravimų stiprumas.
Svyravimų mastelį galime žymėti polių numeriais l arba atitinkamais kampiniais dydžiais (l = 1 atitinka 180 laipsnių, nes žiūrima į skirtumus tarp dviejų dangaus pusių, o toliau - proporcingai, taigi l = 180 yra vieno laipsnio dydžio apskritimukai). Tokia analizė rodo, kad praėjus 300 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo, daugiausia struktūros būta masteliais, kurie šiandieniniame danguje atitinka 1 laipsnio apskritimus.
Iš to galime suskaičiuoti, kiek tos didžiausios struktūros galėjo užaugti iki dabar ir lyginti su stebėjimais. Taip pat galime rezultatus lyginti su kosmologinio modelio prognozėmis.
Elektros ir magnetizmo jėgos yra tos gamtos jėgos, dėl kurių žmonės, nieko nežinantys apie elektros ir magnetizmą, gali paaiškinti viską.Egonas Fridellis Šiuolaikiniame pasaulyje magnetai naudojami daugybėje sričių, tad juos matome praktiškai kasdien: nuo šaldytuvo durelių iki ausinių, nuo elektros generavimo iki automobilio variklio veikimo.
Magnetinė jėga vienaip ar kitaip dalyvauja beveik visur ir lydi kone kiekvieną mūsų žingsnį. Be magnetų mūsų civilizacija būtų žymiai silpnesnė ir nebūtų sugebėjusi tiek pažengti mokslo srityje.
Pavyzdžiui, be magnetų negalėtume perduoti elektros srauto per visą šalį, neveiktų elektros varikliai, o apie pokalbius telefonu ar per kompiuterį su artimaisiais bei draugais galėtume tik pasvajoti. Šiandien elektromagnetizmą sutinkame visur.
Dėl šios priežasties magnetizmo nereikėtų priimti kaip savaime suprantamo dalyko. Kiekvienam iš mūsų (ne tik mokslininkams) svarbu turėti suvokimą, kaip veikia magnetizmas, kokia sąsaja yra tarp elektros ir magnetizmo bei kaip visa tai veikia mūsų kasdienį pasaulį bei planetą.
Elektromagnetizmas (Šaltinis: Vikipedija)
Būtent tam ir skirtas šis straipsnių ciklas: padėti suprasti, kodėl elektronai turi magnetinį momentą, kodėl elektros srovė gali sukurti magnetinį lauką ir kaip magnetinis srautas gali sukelti elektros krūvį. Tad šiame straipsnyje trumpai apžvelgsime visus šiuos reiškinius: nuo magnetinio lauko pagrindų iki svarbiausių technologijų, paremtų magnetizmu.
Kas yra elektra ir magnetizmas?
Pradėkime ties magnetizmo sąvoka. Magnetizmas - tai jėga, kuri atsiranda dėl elektronų judėjimo ir veikia visus objektus, sukeldama jų tarpusavio trauką arba atostūmį. Tai vadinamoji „bekontaktė“ jėga, galiojanti visoms medžiagoms: vienoms stipriau, kitoms silpniau. Ji kyla iš subatominių dalelių, elektronų bei jų elektrinio krūvio judėjimo.
Elektronai, magnetiniai momentai ir trys magnetizmo tipai
Kiekvienas atomas sudarytas iš dalelių: neutronų, protonų ir elektronų. Kalbant apie magnetizmą, būtent elektronai atlieka pagrindinį vaidmenį.
Atomo modelis (Šaltinis: Vikipedija)
Elektronai juda aplink atomo branduolį ir kiekvienas jų turi teigiamą arba neigiamą kruvį. Paprastai elektronai „susiporuoja“ su priešingo krūvio dalelėmis: neigiamas elektronas su teigiamu. Tokiu būdu krūviai vienas kitą neutralizuoja, todėl medžiaga tampa gana stabili ir neturi magnetinių savybių. Medžiagos, kurių elektronai yra susiporavę, vadinamos diamagnetinėmis.
Tačiau yra ir tokių medžiagų kaio deguonis, kuriose dalis elektronų lieka nesuporuoti. Tokiu atveju elektronai gali išsirikiuoti ta pačia kryptimi ir medžiaga tampa labiau magnetinė. Vis dėlto dažniausiai taip nenutinka, nes šių elektronų magnetiniai momentai nėra vienodi, nebent veikiant išoriniam magnetiniam laukui.
Tokios medžiagos, kurios magnetines savybes įgyja tik esant išoriniam laukui, vadinamos paramagnetinėmis. FeromagnetizmasTai reiškinys, kai tokios medžiagos kaip geležis, nikelis ar kobaltas įgyja stiprų magnetiškumą, nes jų atomų magnetiniai momentai išsirikiuoja ta pačia kryptimi. Taip susiformuoja nuolatinis magnetinis laukas, kuris išlieka net ir pašalinus išorinį magnetinį šaltinį.
Taip pat egzistuoja ir medžiagos, vadinamos feromagnetinėmis. Jose esantys neporuoti elektronai turi vienodus magnetinius momentus, todėl šios medžiagos gali savaime tapti magnetinės ir išlaikyti savo magnetines savybes net ir pašalinus išorinį lauką.
Kas yra magnetinis laukas?
Kiekvienas magnetas ar magnetinė medžiaga sukuria aplink save magnetinį lauką - erdvę, kurioje jaučiama magnetinė jėga. Pastovieji magnetai ir elektromagnetai turi nuolatinius laukus, kurių formą galima pamatyti, jei šalia pabarstysime geležies drožlių. Jos išsidėsto pagal magnetinio lauko linijas, einančias nuo šiaurinio iki pietinio poliaus.
Kuo magnetas stipresnis, tuo tankesnės jo lauko linijos ir stipresnis poveikis aplinkai. Magnetinio lauko linijos niekada nesusikerta, nes kiekviename taške jos rodo tik vieną jėgos kryptį.
Magnetinio lauko linijos (Šaltinis: Vikipedija)
Kas yra elektromagnetas?
Be elektronų magnetinių momentų, magnetinius laukus kuria ir elektriniai krūviai. Šis atradimas, padarytas dar 1830-aisiais, buvo vienas svarbiausių mokslo istorijoje, nes būtent tada buvo atrastas ryšys tarp magnetizmo ir elektros.
Jau žinome, kad elektronai turi magnetinį krūvį dėl savo judėjimo magnetinėje medžiagoje. Tačiau vieta, kur elektronai iš tiesų juda, yra elektrinė srovė. Iš esmės, tai tas pats elektronų judėjimas. Kai srovė teka laidu, šis įsielektrina ir tampa magnetinis, nes elektronų judėjimas sukuria magnetinį lauką.
Įdomus faktas820 m. Hansas Kristianas Ørstedas atsitiktinai pastebėjo, kad elektros srovė, tekėdama laidu, nukreipia šalia esančią kompaso rodyklę, taip pirmą kartą įrodydamas tiesioginį elektros ir magnetizmo ryšį. Šį reiškinį atrado André-Marie Ampère’as. Jis parodė, kad lygiagrečiai išdėstyti laidai gali vienas kitą traukti arba stumti, priklausomai nuo to, kokia kryptimi teka srovė. Beje, būtent jo vardu vėliau buvo pavadintas elektros srovės matavimo vienetas - amperas.
Kaip pagaminti elektromagnetą
Elektromagnetų veikimo principas beveik nepasikeitė nuo jų sukūrimo laikų. Pasikeitė tik jų galia. Elektromagnetas sudarytas iš vielos ritės, apvyniotos aplink metalinį branduolį (dažniausiai geležinį). Kai per ritę teka elektros srovė, susidaro magnetinis laukas, sutelktas į ritės centrą, geležies šerdį. Tokia struktūra vadinama solenoidu. Vos tik elektros srovė išjungiama, magnetinis laukas išnyksta.
Ryšys tarp magnetizmo ir elektros
Nors dažnai kalbame apie magnetizmą ir elektrą kaip apie du atskirus reiškinius, iš tiesų jie yra vienas ir tas pats fizikinis principas, dvi to paties reiškinio pusės. Nikola Tesla, elektromagnetizmo genijus, išrado kintamosios srovės sistemą, kuri tapo šiuolaikinės elektros energijos pagrindu ir pakeitė pasaulį.
Elektromagnetizmas yra viena iš keturių fundamentaliųjų visatos jėgų, o jų tarpusavio ryšys paaiškina, kaip veikia daugelis mūsų technologijų.
Kas yra elektromagnetinė indukcija?
Vieną iš svarbiausių ir naudingiausių atradimų elektromagnetizmo istorijoje XIX amžiuje padarė britų mokslininkas Maiklas Faradėjus. Šis reiškinys tapo žinomas kaip elektromagnetinė indukcija ir iki šiol yra vienas iš pagrindinių elektromagnetizmo principų.
Fizika. Magnetai. Magnetinis laukas.
Faradėjaus eksperimentai buvo skirti išsiaiškinti, kaip magnetiniai laukai gali paveikti elektrinius krūvius. Jis nustatė, kad keičiant magnetinį lauką galima sukelti elektros srovę.
Nors tai gali skambėti kiek painiai, patys Faradėjaus bandymai buvo gana paprasti. Jis paėmė geležinį žiedą ir ant priešingų jo pusių apvyniojo du laidus, taip sukūrdamas du solenoidus ant to paties geležies gabalo. Vieną laidą jis prijungė prie baterijos, o kitą - prie galvanometro, prietaiso, matuojančio elektros krūvį.
Kai Faradėjus prijungdavo ir atjungdavo laidą nuo baterijos, galvanometras užfiksuodavo pokyčius elektros srovėje. Tai įrodė, kad magnetinio lauko pokytis geležies žiede gali sukelti elektros srovę kitoje grandinėje.
Norėdamas dar labiau patvirtinti savo išvadas apie ryšį tarp elektros ir magnetizmo, Faradėjus atliko dar vieną bandymą. Jis paėmė solenoidą be šerdies (tik laidų ritę) ir judino magnetą pirmyn ir atgal per ritės vidų. Pastebėta, kad kuo greičiau judinamas magnetas, tuo stipresnė elektros srovė susidaro.
Todėl, kad Faradėjus pirmasis įrodė, jog elektros srovė gali būti sukurta ne tik tiesiogiai per laidą, bet ir paveikiant magnetinį lauką. Jo atradimai padėjo pagrindus šiuolaikiniam elektros energijos gamybos principui.
Kas yra transformatorius?
Transformatoriai - tai itin svarbūs įrenginiai, veikiantys pagal elektromagnetinės indukcijos principą. Be jų neįsivaizduojama nė viena elektros energijos sistema. Beveik visa pagaminama ir naudojama elektra keliauja per bent vieną transformatorių.
Transformatorius yra stacionarus įrenginys, kuris paverčia aukštos įtampos srovę į žemesnės įtampos srovę. Tai daroma pasitelkiant dvi gretimas rites (solenoidus) ir Faradėjaus aprašytą elektromagnetinės indukcijos reiškinį.
Elektros energija perduodama didelės įtampos tinkle, nes taip sumažinami energijos nuostoliai ir galima naudoti plonesnius laidus. Tačiau tokia elektra netinka buitiniam naudojimui, todėl prieš ją paskirstant vartotojams, įtampa sumažinama transformatoriuose.
Faradėjaus dėsnis paaiškina, kaip elektromagnetinė indukcija leidžia keisti elektros srovės įtampą. Jo eksperimente buvo dvi ritės. Kuomet kito magnetinis laukas tarp jų, antrojoje susidarydavo elektros srovė. Jei keičiamas apvijų skaičius, galima reguliuoti įtampą: pavyzdžiui, jei pirmoje ritėje yra dešimt vijų, o antroje tėra penkios, tuomet įtampa sumažėja perpus. Būtent taip ir veikia transformatoriai.