Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Размеры нейтронной звезды (ее радиус) порядка 10 км, а средняя Плотность вещества около 10" кг/мз. Это означает, что масса ! смз Вещества такой звезды составляет сотни миллионов тонн! При указанных плотностях средние межчастичные расстояния становятся сравнимыми с квантово-механической длиной волны частиц„ участвующих в тепловом движении. В таких условиях нейтронный газ подчиняется квантовым закономерностям. Поскольку же спин у нейтрона полуцелый, то он является фермионом.
Последнее означает, что нейтроны поодиночке будут последовательно заполнять все квантовые состояния, образуя зону состояний, начиная с нулевой энергии и кончая граничной. Нейтронный ферми-газ с плотностью ядерного вещества, даже при абсолютном нуле температуры, способен создавать давление в 1Ож атм и тем самым противостоять могучим силам тяготения, сжимающим звезду. Отметим важнейшее обстоятельство. Нейтроны с энергией, близкой к граничной, могут образовывать»связанные» (коррелированные) пары. При этом сами энергии спаривающихся нейтронов одинаковы, а спины направлены взаимно противоположно.
В итоге результирующий спин— нулевой, а значит сама нейтронная пара будет бозоном. Энергия спаренных нейтронов меньше, чем суммарная энергия нейтронов свободных. По этой причине в фермиевском энергетическом спектре, вблизи граничной энергии, появится «щель» запрещенных состояний. Это означает, что нейтронные пары как бозе-частицы будут переходить в единое коллективное состояние, которое проявит себя макроскопически как сверхтекучесть нейтронной жидкости. 148 в 17. Чудеса в лабарааюраи Кааацы Если это так, то, угловая скорость вращения нейтронной звезды может изменяться только дискретно (скачком).
Подобные изменения должны происходить, поскольку энергия излучения пульсаров черпается из энергии вращения. Остановимся на этом чуть подробнее. Во вращающейся нейтронной жидкости, как н во вращающемся жидком гелии, будут возникать квантованные вихревые ннтв. Плотность и этих вихрей, т.е. число вихрей на см з, определяется величиной угловой скорости вращения ы. С ростом ы равновесная плотность вихрей возрастает линейно. Однако при изменении ы переход к новому равновесному значению и происходит довольно медленно. Это показали опыты, проведенные в лаборатории Э.Л. Андроникашвили Института физики Академии наук Грузии. С каждой вихревой нитью связан квант момента количества движения. Естественно, он не может быть зарегистрирован в наблюдениях за изменением периода вращения пульсара.
Так что измерения дают гладкие зависимости для изменения ы. Существование больших времен релаксации в зависимости п(ы) может иногда приводить к скачкообразному изменению п при изменении ы. Это означает, что естественное для пульсара уменьшение ы будет сопровождаться распадом огромного количества вихрей. Однако в силу сохранения момента для всей заезды в целом, она испытает резкое увеличение ы. Такие «сбои» в скорости вращения наблюдались у ряда пульсаров, в частности, у пульсара Крабовидной туманности.
Модель пульсара, созданная грузинскими физиками на основе жидкого сверхтекучего гелия, полностью подтвердила явление «сбоя» лля пульсаров. Теперь о сверхтекучести в атомных ядрах. В Э 8.7 уже шла речь о капельной модели ядра. Атомное тяжелое ядро рассматривалось как капля нуклонной жидкости. Естественно, что в такой жидкости могут возникать спаренные состояния соответствующих нуклонов. Здесь ситуация аналогична той, которая возникает в пульсарах. Опытные данные по средним и тяжелым четно-четным ядрам — так называют ялра с четными числами протонов и нейтронов — показывают, что энергии первых возбужденных уровней отделены от основных уровней энергетической щелью в 1 —: 2 МзВ. В то же время у соседних по атомному номеру нечетных ядер зта «щель» на порядок меньше (0,1 за О, 2 МэВ). Вращение ядер как целого отражается на вращательной структуре энергетического спектра.
Анализ этих спектров приводит к выводу, что моменты инерции ядер в 2 —; 3 раза меньше значения, соответствующего вращению ядра как твердого тела. Это указывает на то, что во вращении принимают участие не все нуклоны. Указанная совокупность фактов совершенно естественно приводит к сверхтекучей модели четно-четных тяжелых атомных ядер. Российский физик-теоретик Аркадий Венедиктович Мигдал построил соответствующую теорию. Результаты его расчетов прекрасно описывают экспериментальные данные. Экснтонная капля В кристалле германия, ииеющем форму диска с поперечником в 4 мм, удалось сделать инфракрасную фотографию экситонной капли (светлая область на снимке) диаметром в 0,3 им. При облучении лазером кристалла гериания при температуре, близкой к абсолютному нулю, в последнем образуются многочисленные экситоны — связанные состояния электрона проводимости и «дырки».
<Газ» экситоное диффундирует в область повышенного меканического напряжения (созданного искусственно в кристалле), где энергия связи экситонов становится меньше. Возникает «экситонный конденсат» — капля, испускающая люминесцентное инфракрасное излучение. Кристалл германия прозрачен по отношению к этому излучению Ю 1В. Экзотические жидкости 18.1.
О «неожиданных» свойствах классической жидкости. О квантовой турбулентности. О путях обобщения гидродинамикн Общим свойством жидкого состояния является интенсивное взаимодействие составляющих жидкость частиц (в частности, атомов) и отсутствие так называемого дальнего порядка. Под этим термином разумеют отсутствие строгой упорядоченности вдоль всего объема среды (однако вблизи произвольно выбранного атома некоторая упорядоченность имеется). Такого рода характеристиками обладают классические жидкости. Характер теплового движения в классических жидкостях сводится: 1) к колебаниям атомов около временных положений равновесия, и 2) активированным хаотическим скачкам из этих положений.
Если время 1 внешних силовых воздействий на жидкость соизмеримо со временем т колебательного состояния ее атомов, то жидкость ведет себя как твердое тело. Если же 1 » т, то жидкость проявляет свое обычное свойство текучести (пластичности). На рис. 18.1 показаны отдельные этапы эксперимента со струей вязкой жидкости, деформируемой движушилгся стержнем. В случае (а) стержень перемешается медленно, в случае (б) — быстро; в ситуации (а) струя проявляет пластичность, в ситуации (б) — ломается как ледяная сосулька. Случай (в) соответствует взаимодействию стРуи вязкой жидкости с летящей пулей.
Рассмотрим не менее любопытное явление в квантовой жидкости. В В 17 мы видели, что жидкий 4Не при Т щ 2,2 К переходит из обычного 150 з 18. Знзолшчеслле жодлоолц Рис. 18.1 состояния вязкой классической жидкости в макроскопическое квантовое состояние, которое характеризуется полным отсутствием вязкости. В этом состоянии большинство атомов жидкого «Не, составляет так называемый «бозе-конденсат», В дополнение к материалу э 17, кратко остановимся на явлении квантовой турбулентности в сверхтекучем «Не. Естественно ожидать, что в квантовой жидкости при надкритических значениях параметров движения ряд известных из классической гидродинамики явлений может испытать «квантование».
Так, во вращающемся сверхтекучем Не при некоторой критической скорости вращения возникают квантованные вихри («вихревые нити»), расположенные параллельно оси вращения. Хаотически закрученные клубки вихревых нитей возникают и в неподвижном сверхтекучем гелии, при создании в нем надкритических значений теплового потока. Тепловой поток в сверхтекучем «Не переносится нормальной компонентой, а сверхтекучая компонента создает лишь противоток (без переноса тепла). В условиях надкритичности параметров противотока возникают вихревые квантованные нити в форме колец. Благодаря же взаимодействию нормальной вязкой компоненты с вихревыми нитями сверхтекучей компоненты, сами нити хаотически закручиваются в клубки.
При этом теплопередача резко падает! Сверхтекучий «Не — единственная в природе атомная квантовая жидкость, проявляющая квантовые эффекты в макроскопических масштабах (мы здесь отвлекаемся от свойств жидкого изотопа зНе). С эмоциональной точки зрения эту жидкость можно было бы именовать «экзотической», К другим экзотическим жидкостям возможно отнести: 1) нейтронную жидкость пульсаров и нуклонную жидкость тяжелых атомных ялер (рассмотренных в э 17.4); 2) горячую ядерную материю, возникающую при столкновениях атомных ядер (точнее, многозарядных тяжелых ионов) высоких энергий (см.
в дальнейшем Э 21); 3) космическую и лабораторную плазму (плазма Солнца и солнечный ветер, магнитосфера 151 618. Зкзотаческке жкдкоопо Земли, плазма «Токамаков» и др.), описанию которых посвящены Я !9 и 20; 4) «электронную жидкость» металлов; 5) «экситонную жидкость» полупроводников; 6) полимерную жидкость. Квантовую атомную жидкость удалось описать с помощью «двухскоростной» гидродинамики.
Плотная замагниченная плазма адекватно описывается методами магнитной гидродинамики. Рассмотрение динамики сильно возбужденных состояний ядерного вещества требует релятивистского обобщения пщродинамики. Анализ крупномасштабных течений в земной атмосфере и Мировом океане потребовал разработки методов геофизической гидродинамики. 18,2. Электронная жидкость металлов Металл обладает двумя взаимодействующими подсистемами — ионной решеткой и «газом» свободных электронов.
У этих электронов квантовомеханическая длина волны (см. Э 17. !), связанная с тепловым движением, порядка величины межионных расстояний. Другими словами, электронная подсистема металлов образует квантовый «газ». Поскольку же электроны есть ферми-частицы, то они поодиночке будут последовательно заполнять квантовые энергетические состояния (образующие зону состояний), начиная с «нулевого» значения и кончая некоторым граничным («фермиевская граничная энергия»). При тепловом возбуждении кристалла участие в различных процессах переноса (теплопроводности, электропроводности и др.) принимают лишь граничные электроны (с «размытием» по энергии 7«Т).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
