Скільки важить квант?

Надзвичайно складна, лежача на межі людського розуміння, теорія Ейнштейна викликала (і викликає) чимало суперечок і сумнівів. Головний суддя теорії – досвід, а за життя Ейнштейна не було способів перевірити його теорію на Землі. Відомий один з основних прогнозів загальної теорії відносності. Сила тяжіння (фізики воліють говорити «поле тяжіння») повинна діяти на електромагнітне випромінювання так само, як і на звичайні тіла. Приміром, рухаючись вгору в полі тяжіння Землі, гамма-кванти повинні, по Ейнштейну, втрачати свою енергію, як втрачає її м’яч, кинутий вгору. Втрачати енергію – значить зменшувати частоту. По зміні частоти можна знайти як би вагу кванта. Вага кванта!!! Він такий малий, зміна частоти така мізерна, що лише небачена точність ефекту Мессбауера дозволила квант зважити.

У 1959 році це зробили вчені Паунд і Ребко. Їх досліди настільки важливі, що про них варто розповісти докладніше.

Досліди проводилися всередині вежі висотою 22,5 метра. Джерело квантів знаходилося на дні вежі. Поглинач розташовували у самого верху. Кванти летіли всередині труби, заповненої газоподібним гелієм (повітря поглинає кванти, тому й знадобився гелій).

Джерело квантів було укріплений на сегнетоелектричному кристалі. Якщо на такий кристал подавати змінний електричний струм, він починає коливатися – грубо кажучи, стає то вище, то нижче. Величину і швидкість цих нікчемних рухів джерела можна виміряти дуже точно.

Вчені міркували так. При горизонтальному положенні джерела і поглинача ми спостерігаємо резонанс – кванти сильно поглинаються мішенню. Але помістимо джерело і поглинач один над одним, та ще на великій відстані. Якщо на випущені кванти діє поле тяжіння, то їх частота змінюється і резонанс порушується. Кванти повинні перестати поглинатися. А щоб поглинання відновилося, доведеться штучно змінити частоту квантів – так би мовити, врівноважити вплив сили тяжіння. Але це легко зробити, використовуючи ефект Допплера: змусити джерело рухатися і змінювати його швидкість, поки кванти знову не стануть поглинатися мішенню. Так все і сталося насправді. Зміну частоти було виміряно. Вона, як і очікувалося, виявилася зникаюче малою. Одиниця, поділена на 100 000 000 000 000.

А ЩО ЩЕ?

Квант зважений. Теорія відносності перевірена в одному з основних пунктів. Але цього мало. Ефект Мессбауера відкриває широкі перспективи досліджень хімічних властивостей різних речовин.

Майже всяке ядро володіє магнітним моментом – подібно до стрілки компаса. А стрілка ця, як відомо, змінює свій напрямок в залежності від напрямку поля. Всередині тіл на ядра діють і електричні і магнітні поля. Ці поля змінюють частоти квантів, змінюють ширину їх смужки енергій. Як саме – легко побачити, спостерігаючи резонансне поглинання.

Результати не змусили себе довго чекати. Наприклад, ефект Мессбауера дозволив глибше зрозуміти природу феромагнетизму.

Феромагнетики – це постійні магніти, що запам’ятовують стрічки магнітофонів, комірки пам’яті комп’ютерів. Ефект Мессбауера показав, що всередині феромагнетиків на ядра діють величезні поля. Сила цих магнітних полів майже в мільйон разів більше сили магнітного поля Землі, що відхиляє стрілку компаса.

Ефект Мессбауера фіксує найдрібніші зміни енергії ядра. Ефект поглинання можна спостерігати більш ніж на 70 елементах, у самих різних з’єднаннях. Це і метали, наприклад олово і залізо, і напівпровідник германій, і такі спадкові випромінювачі, як радій та уран.

Вчені вперше в світі побачили резонансне поглинання квантів в полімері. Кванти розповіли про те, як «зшиваються» атоми в довгу молекулу полімеру, цю складну хімічну сполуку. Хімія речовин, фізика твердого тіла, полімеризація – ось можливості нового методу. Навіть в біофізиці ефект Мессбауера повинен допомогти розібратися в загадкових явищах.

Але і це далеко не все. Ядро – і автоматика! Ще недавно ці два слова здавалися несумісними. А зараз новий ефект обіцяє надчутливий контроль малих вібрацій, створення систем, що враховують нікчемні переміщення. Навіть геологи – і ті вирішили застосувати новий метод у пошуках олов’яних руд.

Автор: В. Борисов.