«Может ли нейтрон быть кубической формы?» — задумался я…

Автор оригинала: Dave Mosher
  • Перевод
А потом я задумался, что такое "формы"?

А потом — что такое "быть"?

image


Волновая функция, которая интерполирует между сферой (для N = 2) и кубом (при N → ∞) для N = 2, 4, 8, 12

Нейтронные звезды могут придавать нейтронам кубическую форму

Wired, 16 августа 2011 года

Гравитация и высокая плотность внутри взрывающихся звезд могут заставлять нейтроны менять форму со сферической на кубическую.

Эта идея может означать, что нейтронные звезды (так исследователи называют звездные «трупы») плотнее, чем кто-либо предполагал. Также может возникнуть вопрос – что может предотвратить их превращение в черные дыры и полное исчезновение?

«Если принять этот результат за чистую монету, это означает, что теоретики в области нейтронных звезд попали в беду». [Нейтронные звезды] должны превращаться в черные дыры при меньших массах", — сказал физик-теоретик Фелипе Хосе Ланес-Эстрада из Мадридского университета Комплутенсе, соавтор исследования, опубликованного 9 августа на сайте с препринтами arXiv.

«Но мы этого не наблюдаем. Возможно, существует дополнительное взаимодействие [между нейтронами], которое может противостоять распаду. Взаимодействие, о котором мы еще даже не задумывались», – сказал он.

Звезда с массой, в 9-20 раз превышающей массу Солнца, взорвется как сверхновая к концу своей жизни. При таком весе звезда недостаточно тяжела, чтобы набрать критическую свехрплотность и сжаться в черную дыру. Вместо этого ее ядро сжимается в сферу диаметром не более 15 миль. Эта сфера настолько плотна, что одна чайная ложка вещества, из которого она состоит, весит столько как 18 планет Земля.

В конце прошлого года астрономы обнаружили самую большую в мире нейтронную звезду под названием J1614-22307 Масса этой звезды равнялась массе Солнца, умноженной на 1.97. Самая массивная нейтронная звезда до этого открытия имела массу, равную 1.67 массы Солнца.

Это открытие заставило целый ряд астрофизиков серьезно задуматься. Существование такой звезды исключило некоторые модели нейтронных звезд, которые опирались на экзотические формы материи, и теперь эти модели не могут объяснить задержку распада столь тяжелого объекта. Напротив, это открытие подтвердило корректность моделей нейтронных звезд, содержащих только нейтроны и протоны.

Когда Ланес-Эстрада и его коллега по университету Гаспар Морено Наварро услышали о J1614-2230, они захотели побольше узнать о процессах внутри этой звезды.

Эти двое знали о модели 1970-х годов, предполагающей, что чистые нейтроны могут образовывать кристаллическую решетку под невероятным давлением (подобно тому, как углерод формирует алмазы в недрах Земли). Когда они построили компьютерную модель под эту идею, они обнаружили, что под давлением, возникающим в глубине нейтронных звезд, нейтроны деформируются из сфер в кубы.

«Оптимальная плотность, при который формируются сферы, (в том числе нейтроны) – примерно 74%. Независимо от размещения, между ними всегда есть пространство – как c апельсинами на витрине супермаркета», — сказал Ланес-Эстрада. «Если вы хотите разложить апельсины максимально рационально, часть из них помнется. Разложите их на витрине высотой в полтора метра, и нижние будут придавлены».

Гравитация преобразует частицы материи в простейший, наиболее рационально упакованный объект. Как правило, таким объектом является сфера, похожая на Землю. Сами частицы, однако, не затрагиваются по отдельности; гравитация слишком слаба, чтобы преодолеть сильные связи, которые удерживают нейтроны и другие частицы вместе. Но если сила гравитации будет достаточно велика, она может преодолеть эти связи.

Таким образом, в глубине вновь открытой нейтронной звезды, давление ядра которой может быть в два раза выше, чем у остальных, наиболее эффективной формой нейтрона может быть куб. «Они будут сглажены со всех сторон, как кости, при этом показатели силы давления, начинаются с значений, наблюдаемых на уровне 2.5 миль под землей”, – сказал Ланес-Эстрада.

Пока что исследование было встречено положительными отзывами.

Эксперт в области физики частиц Ричард Хилл (Richard Hill) из Университета Чикаго, например, отметил, что в исследовании нейтрон рассматривается как объект в отдельности, а не в совокупности.

»Это интересная идея, но пока непонятно что происходит в совокупности нейтронов", – сказал Хилл, который не участвовал в исследовании. Исходя из плотности в нейтронных звездах, он отметил, что «идентичность отдельных нейтронов может быть размыта».

Ланес-Эстрада признал критику, сформулированную вторым физиком, который пожелал остаться анонимным. Ланес-Эстрада ответил, что также преследовал цель раздвинуть границы исследований.

«Я думаю, что существует большая неопределенность в том, что происходит с нейтронами при очень высоких давлениях», — сказал он. «Мы должны продолжать изучать все возможности».



image

Узнайте подробности, как получить востребованную профессию с нуля или Level Up по навыкам и зарплате, пройдя платные онлайн-курсы SkillFactory:



Читать еще


SkillFactory
Онлайн-школа по программированию

Комментарии 42

    +4

    Довольно специфическая и короткая статья, опубликованная в (субъективно) не очень внятном журнале, на которую никто, кроме самих авторов, не ссылается (ну либо плохо проиндексировано). Тем не менее, первый автор производит впечатление нормального ученого с неплохой историей публикаций. Не очень тянет на что-то достойное отдельной статьи в СМИ.

      –7
      Редакция журнала Wired считает иначе…
        +4
        Забавно, что все цитирования — самоцитаты.
          +2

          Это не признак плохого исследования — так происходит у многих, просто ссылаешься на свои предыдущие исследования, т.к. новое основывается либо дополняет уже опубликованное. Но это чаще случается у студентов/постдоков, чем у состоявшихся исследователей.

            +2
            А я и не осуждаю, сам всегда так делаю, это норма. Забавное в том, что эта работа совсем не актуальна, получается — за девять лет она никем не была замечена.
              0

              Именно, поэтому я и указал в своем оригинальном комментарии на непопулярность статьи :)

                +2
                На гугл Scholar вообще прекрасно: кроме самоцитат, некто цитирует статью в манускрипте «The Charge Structures of Aether and Substance». Не вина авторов и не характеристика статьи, конечно, просто забавно.
        +1
        del
          +1
          Таким образом, в глубине вновь открытой нейтронной звезды, давление ядра которой может быть в два раза выше, чем у остальных, наиболее эффективной формой нейтрона может быть куб.

          Вообще-то наиболее плотная упаковка сфер будет не в кубы, а в шестигранники. И если те же апельсины сложить максимально плотными слоями и хорошенько умять, они станут похожи на шестигранники (скокототамэдры).
            0
            зависит от начальной компоновки, если их складировать изначально кубами, то они в кубы и сожмутся (я про апельсины)
              0
              Это ж если что-то будет обеспечивать устойчивость числа соседей у каждого апельсина равную 6 соседям и не даст ей увеличится до 12. Но плотность такой упаковки будет ~52%, а у «автора» 74%, так что истина где-то рядом, но, наверное, не в «кубах».
              +2
              1) С каких пор куб — не шестигранник?
              2) Почему самая плотная упаковка: это именно шестигранник, а не четырёхгранник, в частности правильный тетраэдр?
                0
                Чем больше в упаковке соседних шаров, которых касается средний шар, тем упаковка плотнее.

                Тетраэдр (правильный четырёхгранник), как мне кажется, самая неплотная из простых регулярных упаковок.

                Как предположил Кеплер, и как впоследствии доказали, самая плотная упаковка шаров, упаковка с 12 соседями и плотностью pi/(3*sqrt(2)) ~ 0,74048048… Типа, неправильными додекаэдрами.
                  +2
                  В статье речь не о шарообразных нейтронах, а о нейтронах, сжатых в полиэдры.
                  Поэтому плотная упаковка шаров — немного не по теме.
                  И хотя тетраэдрами, в отличие от кубов, нельзя замостить пространство, но именно при сильном сжатии получается тетраэдральная структура (пример — алмаз).
                    +3
                    «The atomic nucleus is a close-packed system analogous to a cold quantum liquid. Its hadronic components are very incompressible, as revealed by the nuclear radius scaling with the mass number as rA ≃ r0*A−1/3, with unit of length r0 ≃ 1.2fm. Nucleons there are quite optimally packed, as the (charge) nucleon radius has been precisely determined [1] in electron scattering, and is approximately 0.88 fm. If we (grossly) think of the nucleon as a solid sphere, 74% of the nuclear volume is occupied, near the Keplerian limit [2] reached by hcp or fcc lattices...»

                    Как бы, начальное состояние в статье это плотная упаковка в атомных ядрах, вероятно, нерегулярная, хотя, возможны и регулярные ГЦК и ГП (ГПУ). Из которой должны получаться неправильные додекаэдры, мне так кажется, ибо кто ж им даст расширится в 1,5...2 раза по сравнению с атомным ядром?
                    именно при сильном сжатии получается тетраэдральная структура (пример — алмаз)
                    На мой непросвещённый взгляд, в алмазе тетраэдральная структура появляется в результате того, что углерод является четырехвалентным неметаллом, поэтому упаковка с четырьмя соседями оказывается устойчивой. Что до коэффициента компактности у кристаллической решётки алмаза, то он всего — 0,34.
              +2

              а есть ли вообще такое понятие, как форма нейтрона? у него есть чётко определённые границы?

                0
                Речь идет о квантовой волновой функции, которая описывает положение нейтрона в пространстве. В свободном состоянии она примерно сферическая, а при определенных условиях, возможно, становится кубической.
                  +2

                  мне это непонятно. волновые функции задают плотности вероятности нахождения где-то частицы; получается, эти плотности вероятности умеют механически взаимодействовать друг с другом как обычные ньютоновские тела, в том числе и упруго сжиматься?

                    0
                    Не совсем, хотя результат похожий. Нейтроны подчиняются принципу Паули: в одинаковом состоянии не может находится больше одного нейтрона. В том числе, два нейтрона не могут находится в одной точке пространства (т.е. их волновые функции не могут перекрываться). В звезде на нейтроны действует сила тяжести, которая их пытается сжать как можно ближе. Это приводит к двум эффектам. Во-первых, форма волновых функций меняется, чтобы избежать перекрытия. Во-вторых, возникает эффективное давление (давление вырожденности), которое препятствует дальнейшему сжатию.

                    Первый эффект обсуждается в статье здесь. Второй отвечает за то, что нейтронные звезды не коллапсируют в черные дыры, а остаются звездами.
                      +1

                      хм, я, похоже, неправильно понимал про плотность вероятности. я думал, что там что-то вроде нормального распределения: электрон может быть на орбите, но с очень малой вероятностью он может быть и за километр от неё; на самом же деле, похоже, речь только про выбор конкретной точки на орбите. так?


                      но если у нас речь про электрон, то его орбита жёстко определяется его зарядом (который не даёт ему убежать от ядра) и импульсом (который определяет на какую орбиту он сможет попасть), так? а что жёстко фиксирует нейтроны, почему не может один быть тут, а второй — в 10^-20 м от первого? зачем им становиться квадратными? )

                        0
                        думал, что там что-то вроде нормального распределения: электрон может быть на орбите, но с очень малой вероятностью он может быть и за километр от неё;
                        Для свободного электрона (атома) — так. Но когда вы добавляете другие взаимодействия это меняется — распределение уже не нормальное. Самое главное, не стоит думать о нейтроне как о частице. Это волна — локализованное возмущение квантового поля. Волновая функция по сути описывает это возмущение. В целом, нет смысла в котором электрон «на самом деле» находится в одной точке орбиты (по крайней мере в стандартном понимании квантов).
                        на самом же деле, похоже, речь только про выбор конкретной точки на орбите.
                        Не уверен, что понял вас.
                        а что жёстко фиксирует нейтроны, почему не может один быть тут, а второй — в 10^-20 м от первого?
                        Правильно понимать в смысле все же вероятности детектирования в одной точке. Два нейтрона не могут находиться (и наблюдаться) в одной точке пространства (свойство квантов). Это значит, что волновые функции не могут перекрываться. Если это два свободных нейтрона, волновые функции просто перераспределяются так, чтобы не перекрываться.
                        В гравитационном поле есть внешнее воздействие, которое ограничивает размер волновой функции. В атоме, например, электроны занимают разные орбитали (уровни энергии), т.к. на одной орбитали (состоянии) не может быть больше двух.
                          +1
                          Это значит, что волновые функции не могут перекрываться

                          то есть независимо от того как мала вероятность нахождения какой-то частицы в некотором объёме, если эта вероятность ненулевая, то там же находиться другая частица не может? (вернее плотность вероятности равна нулю)


                          Самое главное, не стоит думать о нейтроне как о частице. Это волна — локализованное возмущение квантового поля

                          но, получается, оно конечно? я почему нормальное распределение вспомнил —оно хоть и падает с удалением от «центра», но границ у него нет, думал, что тут тоже что-то такое

                            0
                            то есть независимо от того как мала вероятность нахождения какой-то частицы в некотором объёме, если эта вероятность ненулевая, то там же находиться другая частица не может? (вернее плотность вероятности равна нулю)
                            Частица в точно таком же состоянии (с той же энергией, и тд). Да, не может.
                            но, получается, оно конечно?
                            Не уверен, честно говоря — я думаю, просто хвосты распределения довольно резкие. Есть области, где ВФ точно равна нулю, но в целом она по идее бесконечна.
                            я почему нормальное распределение вспомнил —оно хоть и падает с удалением от «центра», но границ у него нет, думал, что тут тоже что-то такое
                            Думаю, так и есть — границ нет. Просто когда говорят о «форме» имеют в виду первый порядок (типа стандартного отклонения для нормального распределения).
                              +1
                              Думаю, так и есть — границ нет. Просто когда говорят о «форме» имеют в виду первый порядок (типа стандартного отклонения для нормального распределения).

                              хм, ничего не понятно. наверное, всё-таки, квантовую физику нужно изучать несколько лет, а не пробовать понять из объяснений «на пальцах» )))

                                0
                                Хммм, наверное, это я плохой объяснятель все же:)

                                Представьте, что у вас есть двумерное нормальное распределение — колокол такой. Если вы возьмете горизонтальный срез на некоторой высоте — вы получите «форму» распределения. Для нормального этого будет окружность. А если на частицу с изначально нормальным распределением подействовать какой-то силой, распределение может поменять форму. Но это нормально, даже в атоме на высоких уровнях энергии волновая функция выглядит совсем хитро:
                                image
                                  +1

                                  вот взять самую первую картинку. края размыты же. где они кончаются? первое впечатление — нигде, во вселенной не может быть ещё электронов )

                                    0
                                    Хм, тут можно на это посмотреть на двух уровнях сложности. Для простоты мы можем говорить только о детектировании: мы не можем наблюдать электроны в одном состоянии.
                                    Следующий уровень: на самом деле когда две неотличимых частицы находятся в одном состоянии, их нельзя описать по-отдельности. Они находятся в запутанном состоянии. То есть, существует одна волновая функция, которая описывает сразу две частицы, и ее нельзя разделить на две частицы.

                                    Как кот Шредингера, который и жив и мертв, т.е. его состояние = (жив) + (мертв), эти две частицы находятся в странном состоянии. Допустим, для точки А в пространстве, эта функция выглядит так когда это (частица 1 есть в А & частица 2 нет в А) + (частица 2 есть в А & частица 1 нет в А).

                                    С точки зрения наблюдателя, это сводится ровно к первому уровню: мы не можем их наблюдать в одной точке. Что эта запутанность значит для «объективной реальности» — отдельный вопрос, которому посвящены разные интерпретации квантовой механики.
                                      +1
                                      первое впечатление — нигде, во вселенной не может быть ещё электронов )

                                      Уточнение: "нигде, во вселенной не может быть ещё электронов в том же квантовом состоянии". Ну так их и нету. Все другие электроны вселенной находятся в других состояниях.

                              +1
                              Кстати, а почему невозможность нахождения в одной точке ведёт к обрубанию ВФ? Ведь, если логически рассуждать, у нас должна получиться нефакторизуемая функция для двух нейтронов, типа |01>+|10>.
                                +1
                                Кстати, а почему невозможность нахождения в одной точке ведёт к обрубанию ВФ? Ведь, если логически рассуждать, у нас должна получиться нефакторизуемая функция для двух нейтронов, типа |01>+|10>.
                                Строго говоря, так и есть, когда мы говорим о двух неотличимых фермионах, они всегда запутанны. Более того, формально все фермионы во Вселенной запутанны. Но говорить о запутанности сразу получается сложно, а фундаментально это не сильно влияет на объяснения. Условно, т.к. мы не можем отличить одну частицу от другой все равно, мы можем «на пальцах» рассмотреть только одну часть ВФ. А так, в статье они считают все запутанным (ур. 1), и их картинки — это только начальное состояние по сути.
                                +1

                                А я всё же не понял про перекрытие. Что именно под ним имеется в виду?


                                Вот пусть у меня есть два нейтрона на оси x. Есть ненулевая вероятность найти первый нейтрон в точке с координатой 0, второй — в точке 1, но есть и ненулевая вероятность найти второй нейтрон в точке 0, а первый — в точке 1. Разве это не означает, что ВФ перекрываются?


                                Потом уже можно говорить о совместной двухчастичной ВФ, но это будет одна ВФ с интересной формой, и там о перекрытии снова говорить нельзя.

                                  0
                                  Да, как я писал выше, рассмотрение на уровне одиночных ВФ — условность, которую я пытался использовать чтобы не говорить сразу о запутанных состояниях. Возможно, это было не лучшим подходом к попыткам объяснить суть:)

                                  В принципе, вы правы — два нейтрона находятся в запутанном состоянии, и говорить об отдельных ВФ или их перекрытии не имеет смысла.
                      0
                      Когда они построили компьютерную модель под эту идею, они обнаружили, что под давлением, возникающем в глубине нейтронных звезд, нейтроны деформируются из сфер в кубы.

                      «Оптимальная плотность, при который формируются сферы, (в том числе нейтроны) – примерно 74%. Независимо от размещения, между ними всегда есть пространство

                      Здесь какая-то путаница, в переводе ли, в пересказе ли, но путаница.

                      Плотность 74% (~ pi/(3*sqrt(2))) это ж когда каждая сфера касается 12 других сфер, упаковка не обязана быть регулярной, но две самые простые регулярные упаковки с плотностью 74%: гранецентрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная.

                      Но у куба только 6 граней, как бы, поэтому при увеличении давления для «74% упаковки» нейтроны не могут плавно деформироваться в кубы. При плавной деформации должны получаться те или иные неправильные додекаэдры, мне так кажется.
                        +1
                        Да, после прочтения статьи, появилось обоснованное подозрение, что это таки ошибка Dave Mosher при пересказе:
                        Deep inside the super-dense hearts of exploding stars, gravity may squash neutron particles from spheres into cubes.

                        Но в статье изложены результаты вычисления изменения энергии нейтрона при изменении волновой функции вида (kxN + kyN + kzN)1/N при увеличении N от 2 до ∞.

                        Но нет ни слова, ни о том почему в нейтронных звёздах могут получится кубы, ни о том как из плотной упаковки шаров с 12 соседями может получится кубическая решётка с 6 соседями. Вероятно, семейство волновых функций от шараов к додекаэдрам, просто существенно сложнее, чем семейство от шаров к кубам, и у авторов не было возможности рассмотреть сей вариант. Т.е. кубы это для простоты.
                          0
                          Я так понял, они просто от балды решили рассмотреть кубические ВФ, и посчитали, что для поддержания такого состояния потребуется от нейтронной звезды. Оказалось, что вроде реалистично.
                        0
                        Гравитация преобразует частицы материи в простейший, наиболее рационально упакованный объект. Как правило, таким объектом является сфера, похожая на Землю. Сами частицы, однако, не затрагиваются по отдельности; гравитация слишком слаба, чтобы преодолеть сильные связи, которые удерживают нейтроны и другие частицы вместе.
                        Ну, давление, которое превращает углерод в алмаз — создаётся гравитацией Земли, причём довольно малой её частью — алмазы возникают вовсе не в центре Земли.
                        Гравитация звёзд инициирует термоядерный синтез — это, несомненно, затрагивает частицы, ибо при этом происходит как слияние ядер, так и превращение протонов в нейтроны (с захватом электрона и испусканием нейтрино).

                        Таким образом, в глубине вновь открытой нейтронной звезды, давление ядра которой может быть в два раза выше, чем у остальных, наиболее эффективной формой нейтрона может быть куб.
                        Простой куб — это весьма некомпактная упаковка. Компактными являются гексагональная и гранецентрированная_кубическая упаковки — элементом такой упаковки является 12-гранник. Менее компактной является объёмноцентрированная_кубическая упаковка — элементом такой упаковки является октаэдр с восемью гранями. Ну а куб имеет шесть граней.
                          0
                          Простой куб — это весьма некомпактная упаковка.

                          поясните

                          +1
                          Вместо этого ее ядро распадается на сферу шириной не более 15 миль. Эта сфера настолько плотна, что одна чайная ложка вещества, из которого она состоит, весит столько же, сколько и вся масса Земли, умноженная на 18.

                          Массу Земли будет иметь кусок нейтронной звезды размером в сотни метров, а не чайная ложка. Гравитационный радиус Земли около 1 см и чайная ложка схлопнется в черную дыру.
                            –6
                            Протонаука вследствие непонимания сути материи и процессов её эволюции склонна к нагромождению нелепостей и заблуждений. Одной из таких «выдумок» являются так называемые «нейтронные звезды», за которые принимают обычные пульсирующие протозвёзды. Сам же «нейтрон» — это обычный массивный протон, покинувший по тем или иным причинам гиператом, в котором он находился. Как и любой гравитационно-магнитный (то есть аурально-волновой) эфирный гиперкластер, нейтрон в зависимости от внешних факторов испытывает деформации и сжатия…
                              +3
                              Обчитаются своего Головачёва и сжимают друг другу кластеры.
                                +1
                                Простите, но

                                все пропало, пошел рассказывать своему научнику, что он 30 лет изучает то чего на самом деле нет. Попутно загляну в соседнюю лабу — там тоже статьи про нейтронные звезды пишут, скажу что они все не правы. Ну и в конце выкину драфт своего тезиса — кто ж знал что нейтронные звезды на самом деле не такие.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое