שאלה

[Comfortably Morbid]

שאלה

האם יש תהליך שבו אנרגיה הופכת לחומר?

 

[נברא]

בוודאי

אתה יכול לייצר זוגות של חלקיק ואנטי חלקיק מתוך הואקום פשוט באמצעות הפעלת שדות חזקים. מה שנדרש הוא שהאנרגיה העומדת לרשותך לצורך התהליך (אותה אתה מפיק מתוך השדה) מספיקה להעלות את הצמד חלקיק-אנטי-חלקיק "מעל קליפת המסה" שלו כלומר מעל (או שווה ל-) פעמיים mc^2 באשר m היא מסת המנוחה ו-c מהירות האור. חומר וירטואלי (הנמצא מתחת לקליפת המסה) נוצר ומתאיין כל העת בואקום.

 

[AnarchistPhilosopher]

לך תסביר להדיוט מה זה חומר וירטואלי...

תסביר גם לי.

 

[נברא]

אין לי כ"כ מה לתרום בעניין הזה...

אם להזדקק לנפנופי ידים, אז בהקשר שלנו חומר וירטואלי הוא חלקיק חומרי שקיים בכוח אך לא קיים בפועל (יש גם חלקיקים לא חומריים שקיימים רק באופן וירטואלי... אבל הם מאוד מאוד מורגשים - נשאי הכוח!). משמעות הדבר היא ששדה בוזון חסר מסה נושא עימו פוטנציאל להפוך לצמד שדות חומר-אנטי-חומר מסיביים, אבל מימוש הפוטנציאל מותנה בקיומם של כמה תנאים... הפוטנציאל הזה עצמו הוא לא רק תאורטי; יש לו חלק בבניית ההסתברות הכוללת להתרחשותו של תהליך כלשהו, כמו אינטראקציה. מהיבט יותר פילוסופי, מושג הוירטואליות היא נדבך בפורמליזם שמתאר אינטראקציות בין שדות קוונטיים ושמתחייב מהקונסיסטנטיות של הפורמליזם. אבל המשמעות "המוחשית" של הוירטואליות היא יותר חמקמקה... אולי קל יותר להבין כיצד דברים כאלו יתכנו דווקא במסגרת היחסותית ובמובן מסויים זה גם מה שעושה תורת שדות קוונטים ברקע של שדה כבידה חלש.... (אני מקווה שלא קישקשתי יותר מידי... מומחי הפורום מוזמנים לתקן או להשלים...)

 

[AnarchistPhilosopher]

שדה כבידה חלש?

חשבתי שתורת השדות עובדת רק עם מרחב שטוח כמו ב-SR בלי להתחשב בכבידה. למרות שראיתי כבר ספרים בנושא שנקראים QFT In curved spacetimeת אבל קטונתי מלהתחיל לקרוא אותם. האם לזה הכוונה?

 

[נברא]

כן.

 

[GOTN]

זה לא מדוייק

על מנת שיווצרו זוגות של חומר ואנטי חומר צריכה להיות נוכחת איזושהיא מסה M ואז את האנרגיה הדרושה ליצירת זוגות ניתן לקבל מהנוסחא: ( E=2mc^2 * (1+m/M כאשר m היא מסת החלקיקים, c מהירות האור ו-M המסה הנוכחת (כלומר, זה לא ריק מוחלט)... שים לב שכאשר M שואף ל-0 (אנחנו שואפים לריק מוחלט) האנרגיה הדרושה שואפת לאינסוף

 

[נברא]

נכון כשמדובר במאיצי חלקיקים אבל לא באופן כללי

במרחב מינקובסקי אתה זקוק לנוכחות של נוקלאון כדי לשמר תנע (הנוקלאון מקבל את התנע של הפוטון המקורי). זו באמת הסיטואציה במאיצי חלקיקים או בקרינה קוסמית שמפגיזה את תקרת האטמוספרה. אולם במסגרת של יחסות כללית אין שימור אנרגיה או תנע במובנם המקובל משום שאז אין אינווריאנטיות תחת הזזות בזמן או במרחב ומשפטי נטר לא תופסים. לכן במקרה זה מתאפשרת יצירת זוגות גם ללא נוכחות גרעין חומרי בסביבה. דוגמא ליצירת זוגות ללא נוכחות גרעין בריוני היא קרינת הוקינג קרוב לאופק הארועים. אפשר להרחיק לכת אפילו יותר: תאורטית, במערכות מאיצות (ובפרט ביחסות כללית) הואקום הוא בעיני המתבונן. קוראים לזה אפקט אונרו. ואקום שנראה ריק לחלוטין לצופה אינרציאלי יראה מלא בחלקיקים לצופה מאיץ...

 

[AnarchistPhilosopher]

זה אומר שבאופן תיאורטי במערכת מסויימת תוכל

לראות איזה גוף (אפילו מאקרוסקופי) ובמערכת עם תאוצה כלשהי הגוף ייעלם? רוח רפאים?!

 

[דניאל החכם]

לפי דעתי זה אומר משהו אחר

פוטון יכול לההפיך לזוג חלקיק ואנטי חלקיק (בלי חומר בשביל להעביר אילו תנע) בשדה גרויטציה כי במערכת המנוחה של החלקיקים התנע לא נשמר כי מופעל כח חצוני (זה כאשר מדובר במונחי יחסות פרטית)

 

[דניאל החכם]

וכמובן גם פוטון וירטואלי../images/Emo8.gif

 

[AnarchistPhilosopher]

למה זה לא אומר מה שרשמתי?

"ואקום שנראה ריק לחלוטין לצופה אינרציאלי יראה מלא בחלקיקים לצופה מאיץ" יש פה גם כן בעיה במשפט הזה, כי אין דבר כזה מערכת אינרציאלית יש דרגות שונות של קרבה לאינרציאליות, אפשר להגיד שצופה שמאיץ ביחס לצופה אחר במערכת כלשהי שנעה במהירות או בתאוצה (כי אין דבר כזה מערכת אינרציאלית, לפי ההגדרה מערכת שבה אין כוחות מדומים, כלומר חוק ניוטון השני מתקיים, למשל אני נמצא במנוחה ביחס לכדוה"א, אבל אני מאיץ ועוד איך). אז למשל אם אני אאיץ ביחס לכדוה"א אני אתחיל לראות חלקיקים (לא עקבתי איזה סוג חלקיקים) לכן באופן תיאורטי ייתכן שאראה אפילו גוף מאקרוסקופי, טוב זה תלוי איזה חלקיקים אני אתחיל לראות (אפשר בכלל לראות חלקיקים?!).

 

[דניאל החכם]

אתה צודק

(לא קראתי את המאמר בויקיפדיה לפני שהגבתי) אפשר בהחלט לראות חלקיקים (טעונים לפחות) אם הם מאיצים תראה פוטונים אמיתיים, אם לא תוכל למדוד כוחות משיכה/דחיה מפוטונים וירטואליים.

 

[נברא]

למה אין דבר כזה "מערכת אינרציאלית"?

מבחינה פיזיקאלית מערכת אינרציאלית היא מערכת שבה לא נמדדים כוחות מדומים. מבחינה פורמלית, מערכת אינרציאלית היא מרחב-זמן שטוח. כל מערכת בנפילה חופשית היא באופן לוקאלי אינרציאלית. לכן, למשל, תחנת החלל היא בקירוב מעולה מערכת אינרציאלית כלומר כוחות הגיאות במערכת הזו הם לא מדידים. כל מערכת מבודדת הנמצאת הרחק מכוכבים היא בקירוב מצויין אינרציאלית (למשל חלליות פיוניר במסען מחוץ למערכת השמש). אני ממש לא מומחה לאפקט אונרו אבל ככל שאני מבין, אם תאיץ ביחס למערכת אינרציאלית, אכן תראה שהמרחב הריק של המערכת הזו מלא בחלקיקים אלא שהפיזור שלהם יראה לך אחיד והקרינה הכוללת מהם תהיה קרינת גוף שחור. המציאות הזו היא באמת מוזרה ומרתקת אבל ככל שידוע לי היא קונסיסטנטית לחלוטין במסגרת תורת היחסות.

 

[AnarchistPhilosopher]

בקירוב גם כדוה"א הוא מערכת אינרציאלית...

אני בתגובה שלי כמובן התייחסתי באופן גלובלי ולאו דווקא מקומי, שים לב לזה שציינתי שמדובר בעניין יחסי. האם קיימת מערכת שתמיד נעה במהירות קבועה ולכן אין בה כוחות מדומים? כל המערכות בסופו של דבר סוטות מלהיות אינרציליות, ההבדל ביניהן הן עד כמה הן קרובות או רחוקות, אבל אינרציאליות עצמה לא מושגת, ככל הידוע לי. האם זה אומר בהכרח שיש דבר כזה מערכת אינרציאלית בטבע, אם היא לא מושגת?

 

[נברא]

מערכת אינרציאלית, כמו כל דבר אחר בפיזיקה

היא קונספט. במקרה הזה, קונספט חיוני ביותר. לולא הקונספט הזה כל תורת היחסות הכללית בנוייה כמגדל באוויר. מערכת יחוס איננה "משהו גלובלי" אלא... מערכת צירים. לא מזמן גילו חלל ריק (void) ביקום בגודל של קרוב למיליארד שנות אור. כל מה שנע שם סתם (אבן, חייזר, פרוטון...) מגדיר מערכת יחוס אינרציאלית ולא באופן לוקלי כלומר מגדיר מערכת צירים מסויימת במרחב מינקובסקי. מעבר לזה, אין כל הבדל בין מערכת התמד "גלובלית" לבין כל מערכת צירים שצמודה לגוף שנמצא בנפילה חופשית, אפילו לעבר חור שחור. במקרה האחרון תמיד תוכל למצוא סביבה מספיק קטנה כך שכוחות הגאות בה יהיו בלתי מורגשים בכל דרגת דיוק שתחפוץ וזה יאפשר לך לפרוש בסביבה הזו מערת צירים במרחב מינקובסקי. מערכת אינרציאלית היא הדבר הכי "חזק" שיש כיוון שהיא מהווה סרגל מדידה למרחב זמן עצמו בכל מקום ומקום. זה נכון אפילו במתמטיקה טהורה. כל יריעה מתוארת באמצעות 'אגד משיקי' של מרחבים וקטורים (הם המרחבים המשיקים ליריעה בנקודות השונות). למעשה אין כל דרך להשוות אובייקטים גאומטרים במקומות שונים על היריעה אלא אם אתה מדביק את המרחבים הוקטורים זה לזה באופן 'חלק'. כך גם בנוי המרחב-זמן של היחסות הכללית. כך גם בנויים מרחבי הסימטריה הפנימית במקרה של הכוחות הלא כבידתיים וכ'.

 

[AnarchistPhilosopher]

ריק לגמרי? אין חלקיקים בכלל? אין קרינה?

 

[נברא]

קרינת רקע תמיד יש

הכוונה לחלל עצום כמעט ללא גלקסיות וללא חומר בין הגלקסיות כך שהמרחב-זמן באיזורים אדירים בגודלם (סקלות של עשרות מליוני שנות אור) הוא שטוח בכל קנה מידה מדיד. אבל שוב, לא זה מה שמשנה. כל מערכת בנפילה חופשית היא מערכת התמד באופן לוקלי. לכן הקונספט של מערכת התמד הוא קונספט בסיסי מבלעדיו אין יחסות ואין כלום... תוכל לקרוא על הריק הגדול כאן (בטח יש מקורות מעודכנים יותר).

 

[AnarchistPhilosopher]

אני לא מבין...

מערכת בנפילה חופשית זו מערכת עם תאוצה, ולכן נרגיש את כוח דלמבר שהוא כוח מדומה, דוגמא קלאסית היא מעלית.

 

[נברא]

???

בוא נניח שאתה במעלית ופתאום נקרע הכבל... האם במהלך נפילת המעלית תרגיש כוחות דלמברט? או נניח שאתה אסטרונאוט בתחנת החלל... כידוע, התחנה נמצאת בנפילה חופשית לכדה"א. האם תרגיש כוחות דלמברט? יש רק סיטואציה אחת שעשוייה להעיב. אם המעלית נופלת לחור שחור תרגיש שכוחות הגאות מפעילים עליך מיטת סדום... אבל אם הייתי מספיק קטן, גם את זה לא היית מרגיש בכלל.