Касмічныя прамяні, выпрацоўваныя высокаэнергетычнымі крыніцамі астрафізікі, могуць дасягаць паверхні Зямлі. Выяўляючы гэтыя хутка якія рухаюцца часціцы, мы можам паставіць адноснасць Эйнштэйна на выпрабаванне. Крэдыт малюнка: супрацоўніцтва ASPERA / AStroParticle ERAnet.

Як даказаць адноснасць Эйнштэйна менш чым за 100 долараў

З нестандартнымі матэрыяламі і трохі сухога лёду вы можаце выявіць часціцы, якія не існуюць, калі б адноснасць не была рэальнай.

"Эксперыменты, якія мы будзем рабіць з LHC [Вялікім адронным калайдарам], былі праведзены мільярды разоў касмічнымі прамянямі, якія трапілі ў зямлю. … Іх робяць бесперапынна касмічныя прамяні, якія дзівяць нашы астранамічныя целы, такія як Месяц, Сонца, як Юпітэр і гэтак далей і гэтак далей. А зямля ўсё яшчэ тут, сонца яшчэ тут, месяц яшчэ тут. " -Джон Эліс

Ідэя адмысловай адноснасці па-ранейшаму застаецца адной з самых складаных для людзей, якія ахінаюць галаву. Мы так прывыклі думаць пра прастору і час як нерухомыя, нязменныя сутнасці - вы можаце ўзяць карту і гадзіны ў любым месцы, у рэшце рэшт - што цяжка ўявіць, што яны змяняюцца ў залежнасці ад таго, як вы рухаецеся. І ўсё ж гэта несумненна: калі вы падарожнічаеце паблізу хуткасці святла, дыстанцыя скарачаецца ў вашым кірунку руху, тады час будзе павялічвацца ўсё больш і больш, чым хутчэй вы рухаецеся. Гэта такая дзіўная ідэя, што сёння, больш за стагоддзе, многія да гэтага часу не прымаюць яе. Але гэта не толькі так, але вы можаце даказаць гэта за менш як 100 долараў і менш за адзін дзень працы.

Гатовая камера ў воблаку можа быць пабудавана за адзін дзень з даступных матэрыялаў і менш за 100 долараў. З яго дапамогай можна даказаць справядлівасць Эйнштэйна, калі вы ведаеце, што робіце! Крэдыт малюнка: карыстальнік Instructables ExperiadingPhysics.

Усё, што вам трэба зрабіць, гэта стварыць сабе хмарную камеру. Вы можаце не ўбачыць уласных вачэй асобных субатамных часціц, так як даўжыня хвалі святла, якую нашы вочы могуць успрымаць, практычна не ўплывае на іх. Але калі вы створыце пар з алкаголю - чысты, 100% спірт, як ізапрапілавы альбо этылавы спірт (нічога менш за 90% не атрымаецца!) - хутка рухаецца, зараджаная часціца створыць след, які вы самі візуальна можаце ўбачыць! Па меры таго, як зараджаная часціца рухаецца праз пары спірту, яна іянізуе шлях часціц алкаголю, якія дзейнічаюць як цэнтры кандэнсацыі. Тое, што вы заводзіце, - гэта сцежка, досыць вялікая і доўгая, што вы можаце бачыць яе няўзброеным вокам.

Хоць ёсць чатыры асноўныя тыпы часціц, якія можна выявіць у воблачнай камеры, доўгія і прамыя сляды - гэта касмічныя мюоны касмічных прамянёў, якія можна выкарыстоўваць, каб даказаць, што спецыяльная адноснасць правільная. Малюнак: Wikimedia Commons карыстальнік Cloudlabs.

Воблачную камеру вы можаце пабудаваць у сябе дома менш чым за 100 долараў. Ёсць некалькі падрабязных інструкцый, але вось просты пракат:

  • Пачніце з атрымання прамавугольнага акварыўмнага акварыума, які мае добрыя, трывалыя ўшчыльнення па ўсіх баках і не прасочваецца.
  • Выражыце тры вялікія кавалачкі тоўстай ізаляцыйнай пены аднолькавага памеру: два з прамавугольнымі адтулінамі, досыць вялікімі, каб акварыум змяшчаўся ўнутры, адзін, які вы пакінеце цвёрдым для вашай "падставы".
  • Адрэжце кавалак ацынкаванага сталёвага ліста такога ж памеру, што і пенапласт. Прыкладзеце чорны карткі альбо матавы чорны фетр, альбо распыліце яго матавай чорнай фарбай, для памеру паверхні акварыума.
  • Пакладзеце металічную пласціну паміж двума верхнімі пластамі пенапласту; дадайце двухбаковы пласт пластыліну для лепкі для рэзервуара. Дадайце ваду або частку спіртавы раствора ў пазу, каб, калі пакласці ёмістасць на яе, паветра не можа патрапіць ці выйсці.
  • Змяніце акварыум, дадаўшы пласт лямца або губчатай матэрыялу ў аснову акварыума. Замацаваць гэта добра; гэта будзе дагары нагамі! Як толькі гэта будзе ўстаноўлена, вы гатовыя сабраць усё гэта разам.
  • Пакладзеце сухі лёд у першыя два пласта (цвёрдая аснова і полы прастакутнік) цеплаізаляцыйнай пены, а затым пакладзеце металічную пласціну (чорны бок уверх), а потым апошні пласт пенапласту. Затым пакладзеце ваду / спірт у гліняную канаўку, адначасова замочваючы / насычаючы лямцавы / губчаты пласт у рыбацкім ложку спіртавым растворам. (Савет пра: выкарыстоўвайце больш спірту для насычэння лямцавай / губчатай праслойкі, чым вы думаеце, што вам трэба; не будзьце скупымі тут!) Перавярніце рыбацкую ложку і пакладзеце краю ўнутр металічных канавак, каб у вас была герметычная герметычнасць усіх вакол з парай спірту ўнутры.
  • Выключыце ўсе святло, каб ён знаходзіўся ў цёмным памяшканні, ззяйце яркім ліхтарыкам (альбо праектарам) праз рэзервуар, змесціце цёплы і цяжкі прадмет (як складзены ручнік, свежы з сушылкі) на рэзервуар, і пачакайце каля 10 хвілін.

Ваша ўзнагарода за гэтую працу? Вы ўбачыце з'яўленне перанасычанай пары спірту, і на дне дна вы пачнеце бачыць прыблізна адну форму "сцежкі" ў рэзервуары кожную секунду: больш ці менш у залежнасці ад памеру вашага рэзервуара.

Вось як можна ўбачыць адноснасць для сябе. Усе часціцы, якія робяць практычна вертыкальныя сляды, - гэта касмічныя прамяні: яны ствараюць, калі высокія энергетычныя часціцы (у асноўным пратоны) трапляюць у верхнюю атмасферу пры вялікіх энергіях. Яны ўтвараюць каскад высокаэнергетычных часціц, многія з якіх няўстойлівыя і распадаюцца. Пераважная большасць часціц, якія ствараюць сляды ў вашым дэтэктары, - і крыху больш дасканалая ўстаноўка, якая мае дэфлектарныя магніты і дэтэктар энергіі / калорыметр унізе можа вымераць гэта - будуць мюонамі.

У той час як касмічныя прамяні звычайна сустракаюцца з высокаэнергетычных часціц, гэта, у асноўным, мюоны, якія спускаюць яго да паверхні Зямлі, дзе іх можна правільна выявіць. Імідж: Альберта Іскерда; ласкава Франсіска Баррадас Солас.

Мюоны - гэта няўстойлівыя часціцы: больш цяжкія стрыечныя браты электрона, якія інакш ім ідэнтычныя. Але паколькі яны нестабільныя, мюон можа распадацца на электрон (і нейтрына і антынейтрына, якія нябачныя) праз кароткі прамежак часу: у сярэднім 2,2 мікрасекунды. Рэдка ў вашай воблачнай камеры вы ўбачыце вертыкальную дарожку з «перагібам» у ёй; вось на самай справе мюон распадае перад вашымі вачыма! Калі вы бегаеце і глядзіце сваю воблачную камеру каля гадзіны, вы, верагодна, злавіце пару такіх падзей.

V-вобразная дарожка ў цэнтры выявы, хутчэй за ўсё, распадаецца на мюон да электрона і двух нейтрына. Высокаэнергетычная дарожка з перагібам у ёй сведчыць аб распадзе часціц у паветры. Крэдыт малюнкаў: шатландскае Roadshow на навуцы і тэхналогіі.

Але той факт, што ўвогуле можна ўбачыць касмічныя мюоны, дастаткова, каб даказаць, што адноснасць рэальная. Падумайце, дзе створаны гэтыя мюоны: высока ў верхняй атмасферы, прыблізна ад 30 да 100 кіламетраў над паверхняй Зямлі. Падумайце, як доўга жыве мюон: у сярэднім каля 2,2 мікрасекунды. І падумайце аб абмежаванні хуткасці Сусвету: хуткасці святла, альбо каля 300 000 кіламетраў у секунду. Калі ў вас нешта рухаецца са светлавой хуткасцю, якая жыве ўсяго 2,2 мікрасекунды, да раскладу яе трэба зрабіць толькі 0,66 кіламетра. З такім сярэднім тэрмінам службы менш, чым 1 на 10 ° мюоны павінны выйсці на паверхню. Але ў рэчаіснасці амаль усе яны гэта зніжаюць.

Пры досыць высокіх энергіях і хуткасцях, адноснасць набывае важнае значэнне, што дазваляе значна больш мюонам выжыць, чым без эфекту пашырэння часу. Малюнак: Frisch / Smith, Am. Ж. фіз. 31 (5): 342–355 (1963) / Wikimedia Commons карыстальнік DH

Чаму? З нашага пункту гледжання (або арыенціру) з-за часовага пашырэння. Чым бліжэй вы рухаецеся да хуткасці святла, тым павольней выглядае ваш гадзіннік. І гэтыя мюоны касмічных прамянёў валодаюць такімі высокімі энергіямі, што для падарожжа, які займае каля 300 мікрасекунд ад нашага пункту гледжання, спатрэбіцца толькі 1 мікрасекунда для мюона. Пашырэнне часу дазваляе гэтым часціцам жыць.

З пункту гледжання мюона, гэта скарачэнне даўжыні дазваляе выжыць. Ён "бачыць" Зямлю (і атмасферу Зямлі) як сціснутую ў кірунку руху, да такой ступені, калі ўся атмасфера Зямлі ў нашым рэжыме адпачынку складае менш за 1% ад яе памеру. Для нас адлегласць у 100 кіламетраў можа выглядаць усяго 300 метраў ад мюона. Гэта лёгка зрабіць гэта падарожжа.

Для атрымання дадатковага бонусу ад радыеактыўных дарожак дадайце мантыю датчыка дыму ў ніжнюю частку вашай хмарнай камеры і назірайце за павольна рухаюцца часціцамі, якія выходзяць з яе вонкі. Некаторыя нават адскочаць ад дна! Малюнак: NASA / GRC / Біл Боўлз.

Ідзіце наперад, сумнявальнікі адноснасці, і правядзіце дзень, даказваючы гэта сабе. Расходныя матэрыялы танныя і даступныя, і вы можаце заняцца фізікай для сябе! Каб атрымаць асалоду ад хмарнай камеры, пастаўце невялікую радыеактыўную крыніцу - напрыклад, мантыю з унутранага боку дэтэктара дыму - на металічную пласціну ўнізе і паглядзіце, як выглядаюць павольныя зараджаныя часціцы з іншага боку. таксама. Але калі прыходзяць гэтыя вертыкальныя мюонныя сляды, асабліва ў тых рэдкіх выпадках, калі вы бачыце затухаючыя перагібы, адноснасці ўжо не выклікае сумненняў. Пашырэнне часу і скарачэнне даўжыні рэальна, і менавіта так вы можаце даказаць гэта!

Кампанія "Пачатак з выбуху" заснавана ў Forbes, апублікаванай на "Сярэднім" дзякуючы нашым прыхільнікам "Патрэона". Замовіце першую кнігу Ітана "За межамі Галактыкі" і загадзя замовіце яго наступную, Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive!