Как понять магнитное поле Солнца

Комбинируя прямые наблюдения с компьютерным моделированием, гелиофизики НАСА создали модель движения плазмы в короне Солнца, которая позволит лучше понять природу магнитного поля Солнца

Поверхность Солнца непрерывно бурлит и танцует. Удаляющиеся от нее струи плазмы изгибаются, взметаются петлями, закручиваются в циклоны и достигают верхних слоев солнечной атмосферы – короны, имеющей температуру в миллионы градусов.

Результаты моделирования. Магнитное поле Солнца в 2011 гораздо больше сосредоточено вблизи полюсов. Пятен мало. (Изображение NASA’s Goddard Space Flight Center/Bridgman)

Магнитное поле Солнца в 2014 стало более запутанным и беспорядочным, создавая условия для вспышек и выбросов корональной массы. (Изображение NASA’s Goddard Space Flight Center/Bridgman)

Поверхность Солнца (изображение http://www.nasa.gov)

‹

›

Открыть в полном размере

Это вечное движение, которое нельзя наблюдать в видимом свете, впервые заметили в 1950-х годах, и с тех пор физики пытаются понять, почему оно происходит.

Сейчас уже известно, что вещество, из которого состоит Солнце, движется в соответствии с законами электромагнетизма.

 Изучая магнитное поле Солнца, можно лучше понять природу космоса во всей Солнечной системе: оно влияет как на межпланетное магнитное поле и радиацию, сквозь которую приходится двигаться космическим кораблям, так и на космическую погоду на Земле (полярные сияния, магнитные бури и т.п. зависят от солнечных вспышек).

Но, несмотря на многолетние исследования, окончательного понимания природы магнитного поля Солнца еще нет. Предполагается, что оно возникает от движений заряженных частиц, которые перемещаются по сложным траекториям из-за вращения Солнца (солнечное динамо) и тепловой конвекции, поддерживаемой теплом от термоядерного синтеза в центре Солнца. Однако все детали процесса до сих пор не известны. В частности, неизвестно, где именно создается магнитное поле: близко к солнечной поверхности, глубоко внутри Солнца, или в широком диапазоне глубин.

Как можно увидеть невидимое магнитное поле? По движению солнечной плазмы. И вот, чтобы больше узнать о «магнитной жизни» Солнца, ученые НАСА решили проанализировать движение плазмы через его корону, комбинируя результаты компьютерного моделирования и данные, полученные при наблюдении в реальном времени.

Магнитное поле управляет движением заряженных частиц, электронов и ионов, из которых состоит плазма. Образующиеся при этом петли и прочие плазменные структуры ярко светятся на снимках, сделанных в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Кроме того, их следы на поверхности Солнца, или фотосфере, можно достаточно точно измерить с помощью инструмента, называемого магнитографом, который измеряет силу и направление магнитных полей.

Результаты наблюдений, которые описывают напряженность магнитного поля и его направление, затем объединяют с моделью движущейся солнечной плазмы в магнитном поле. Вместе они дают хорошее представление о том, как выглядит магнитное поле в короне Солнца и как оно там колеблется.

В периоды максимальной солнечной активности магнитное поле имеет очень сложную форму с большим количеством повсюду мелких структур, представляющих собой активные регионы. В минимуме солнечной активности поле слабее и концентрируется на полюсах. Образуется очень гладкая структура без пятен.

По материалам НАСА

Там же можно посмотреть анимацию по результатам моделирования.

Как ученые преобразовали сигналы магнитного поля Земли в звуки – Москва 24, 02.11.2022

Исследователи из Датского технического университета преобразовали радиочастотные сигналы магнитного поля Земли в звуки. Они были получены спутниковой миссией Swarm Европейского космического агентства. О том, как заставить звучать электромагнитное поле и почему это нельзя считать настоящим голосом магнитосферы Земли, рассказывает научный обозреватель Николай Гринько.

Фото: depositphotos/Petrovich99

Хоть мы никак и не ощущаем магнитное поле Земли, оно жизненно необходимо для всех ее обитателей.

По сути, это щит, ограждающий нас от космического излучения и потока заряженных частиц. Само поле создается жидким железом, которое находится в ядре Земли. Двигаясь и вращаясь, металл, словно сердечник динамо-машины, генерирует электрические токи. От них и возникает постоянно меняющееся электромагнитное поле.

У планет, лишенных жидкого ядра, магнитного поля почти нет. Вот почему всем марсоходам необходима повышенная защита от радиации. Иногда мы можем увидеть взаимодействие солнечного ветра с земным магнитным полем: когда они сталкиваются, возникают полярные сияния. Но услышать этот процесс нельзя – разве что в виде слабых помех в радиоприемниках.

Однако датские ученые каким-то образом записали звук магнитного поля. И не просто выложили в Сеть, но еще и сделали элементом инсталляции, включив из подземных динамиков на одной из площадей Копенгагена. Как же это было сделано?

На самом деле абсолютно любые данные можно превратить в звук, такой процесс называется «сонификацией». Для этого используют всевозможные компьютерные программы. Например, в NASA разработали свой инструмент для сонификации – xSonify. С его помощью можно анализировать интенсивность света звезд с течением времени, слушать гамма-всплески небесных тел, изучать изменение радиоактивного фона и многое другое. Сонификацию применяют где угодно: разные ученые с помощью такого метода отслеживали сезонную миграцию сельди, исследовали концентрацию тяжелых металлов в сточных водах, разбирались с динамикой городского смога.

Причем звук, который получается на выходе, может быть абсолютно любым. К примеру, возьмем для программы данные об изменении атмосферного давления в Москве за последний год и зададим алгоритм так, чтобы периоды низкого давления обозначались звуками тромбонов и контрабасов, а высокого – скрипками и флейтами. Разрешив использовать лишь определенные ноты (скажем, только «белые клавиши», без диезов и бемолей), можно на выходе получить настоящую авангардистскую симфонию.

Фото: depositphotos/Syda_Productions

Преобразовывается что угодно и во что угодно.

Оркестром балалаечников можно озвучить распределение цветов на картинах Ван Гога, футуристичными синтезаторами – проиллюстрировать карту нефтяных месторождений, а виртуальным детским хором – пропеть энцефалограмму слона.

Все это делается, чтобы исследователь мог взглянуть на данные с новой точки зрения. Человеческий слух способен фильтровать лишние звуки, игнорировать фоновый шум и фокусироваться лишь на нужной информации. Именно поэтому мы можем легко узнавать голоса людей в оживленной обстановке. Используя методы сонификации, проще концентрироваться и находить в данных незамеченные ранее закономерности.

Еще ученые таким способом популяризируют собственные исследования. В самом деле, опубликованный в открытом доступе график солнечной активности с цифрами и выкладками соберет во много раз меньше просмотров, чем те же самые данные, но преобразованные в звуки – таинственные завывания, глухие удары и загадочные шумы.

Именно так и был создан «саундтрек» магнитного поля Земли. Он состоит из низкочастотного рокота, резких щелчков, хруста и шипения. Мало того, полученный трек звучит в стереоформате, в нем слышна реверберация отдельных звуков и динамическая обработка. Все это инструменты из арсенала музыкальных продюсеров. Появились они в записи потому, что сонификацией занимался датский музыкант Клаус Нильсен.

Словом, многочисленные космические записи, которые можно найти в интернете, – все эти «звуки магнитосферы Юпитера», «как звучит туманность Андромеды» и прочее – всего лишь имитация, оцифровка незвуковых данных. Впрочем, есть и настоящие записи, хотя их очень немного. К таким можно отнести, например, звуки Марса: шум ветра и скрип металлических колес по камням записаны микрофонами на роботах и переданы на Землю в сжатом виде.

Еще один почти настоящий звук – пугающий гул черной дыры, о котором мы уже писали. Астрономы обнаружили медленную вибрацию газовых облаков, окружающих коллапсар, зафиксировали ее телескопами и преобразовали в звуковые волны, сдвинув в слуховой диапазон.

Все остальное – чистой воды сонификация, не имеющая никакого отношения к реальности. Хотя…

Гринько Николай

наукаистории

электромагнетизм — Из чего состоят электромагнитные поля?

спросил 10 лет, 4 месяца назад

Изменено 3 месяца назад

Просмотрено 24к раз

$\begingroup$

Я пытаюсь понять электромагнитные поля, поэтому у меня есть два вопроса, связанных с ними.

1. Из чего состоит электромагнитное поле? Он сделан из фотонов/виртуальных фотонов?

2. Как насчет статического электрического или магнитного поля?

• электромагнетизм
• электростатика
• фотоны
• виртуальные частицы

$\endgroup$

$\begingroup$

Размышляя о фундаментальных сущностях, довольно легко задать вопрос, который, если подумать, окажется противоречивым. Вопросы такого рода принимают форму: из чего сделана [какая-то фундаментальная вещь]?

Противоречие здесь в том, что ответ может быть только в том случае, если фундаментальное не является фундаментальным!

Электромагнитное поле является одним из таких фундаментальных объектов. Это не , сделанное из чего-то другого, а — это то, что есть . В контексте КТП фотоны (реальные и виртуальные) являются, грубо говоря, «возбуждениями» этой сущности. Реальные фотоны связаны с дальним распространением энергии и импульса, т. е. с электромагнитными волнами. Виртуальные фотоны связаны с электромагнитной силой, т. е. с силой Лоренца, а также с затухающими волнами и антенным излучением ближнего поля.

$\endgroup$

7

$\begingroup$

Поля более фундаментальны по сравнению с частицами (так же фундаментальны, как струны). Частицы, такие как электрон, являются возбуждением полей Дирака (извините за это). Возможное связанное обсуждение от M Strassler, которое может быть полезным. http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/the-higgs-particle/360-2/ Вот некоторые моменты: «Поле — это то, что

 1. присутствует везде в пространстве и времени,
2. может быть в среднем нулевым или ненулевым, и
3. могут быть волны.
4. А если это квантовое поле, то его волны состоят из частиц.
 

Например: электрическое поле — это часть природы, которая встречается повсюду. В любой заданной точке пространства и в любое конкретное время вы можете это измерить. Если в каком-то регионе он в среднем отличен от нуля, это может иметь физические последствия, например, ваши волосы встанут дыбом или возникнет искра. Он также может иметь волны — видимый свет является такой волной, как рентгеновские лучи и радиоволны.

 Итак, что такое частица?
 

Волны квантового поля не могут быть произвольной интенсивности. Наименее интенсивная возможная волна, которую может иметь поле, называется частицей, и она часто ведет себя примерно в соответствии с вашим интуитивным представлением о «частице», двигаясь по прямой и неделимо отскакивая от предметов и т. д., поэтому мы даем ему это имя.

В случае электрического поля его частицы называются фотонами; они представляют собой самую тусклую вспышку. Ваш глаз поглощает свет по одному фотону за раз (хотя обычно он ждет, пока прибудут несколько фотонов, прежде чем послать сигнал в ваш мозг). света проходит, вы обнаружите, если вы достаточно экранируете его, что свет проходит через экран маленькими вспышками — одиночными фотонами — все они одинаково тусклые».0005

$\endgroup$

7

$\begingroup$

Электромагнитные поля, в том числе статические электрические и магнитные поля, действительно состоят из фотонов. С точки зрения физики элементарных частиц квантовая электродинамика как модель частиц, несущих электрический заряд и взаимодействующих через фотоны, прекрасно согласуется с экспериментом. Дело в том, что эти эксперименты уникальны тем, что мы отправляем «свободные» частицы с тоннами энергии и рассматриваем взаимодействие с электромагнитным полем как очень маленькое возмущение свободных частиц. Таким образом, картина, которую мы рисуем в нашей голове с частицами, взаимодействующими посредством обмена одним фотоном, является упрощенным случаем, который очень хорошо работает в этой ситуации: 92}$) будет еще сложнее, чем когерентные состояния, поэтому кажется безнадежным пытаться сформулировать его в этих терминах. Обратите внимание, что это резко контрастирует, скажем, с числом электронов, которое всегда четко определено. Таким образом, представление об электромагнитном поле, состоящем из фотонов, подобно тому, как кусок металла состоит из электронов и других частиц, вероятно, является плохой аналогией, чтобы тянуться слишком далеко.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Магнитное поле, по существу, представляет собой облако виртуальных фотонов, находящихся в постоянном движении; это то, чем электроны, создающие поле, «должны» другим соседним электронам (которые получили настоящие фотоны) за то, что их спин-зарядные моменты выровнены в одном направлении.

Магнитное поле является еще более фундаментальной сущностью, чем такие частицы, как электроны, протоны и нейтроны.

$\endgroup$

$\begingroup$

Самая фундаментальная вещь в физике — это то, как мы проводим физику. И физика будет настолько хороша, насколько мы ее проводим.

Мы изучаем физику, используя 1) логику и 2) научный метод.

В этом контексте — научная теория — это просто мы, Люди, пытающиеся дать точное описание нашего понимания нашей реальности и наших экспериментов — путем создания математических моделей, которые лучше всего соответствуют этому пониманию.

Если в какой-то момент наше 1) описание, 2) понимание, 3) эксперименты ошибочны, то же самое произойдет и с нашей физикой.

Итак, лучшая модель, которая у нас есть на сегодняшний день, это модель Вселенной, в которой поля фундаментальны и не «сделаны» из чего-то более простого.

Это не значит, что Вселенная такая, мы просто описываем, такой.

Если окажется, что реальная Вселенная согласуется с нашей теоретической, то это хорошо, и чем больше она будет согласовываться, тем точнее будут наши предсказания об этом мире… И, конечно, если окажется, что теория вообще не описывает нашу реальность, тогда наша теория не так полезна.

Итак, поля в этой модели ни из чего не состоят. Но, может быть, в будущем модель, в которой поля состоят из чего-то, а не из ничего, окажется еще более точной при описании нашего понимания нашей реальности…

Так что пока мы не знаем, из чего состоят поля. у наших моделей они ни из чего не сделаны.

$\endgroup$

$\begingroup$

Электромагнитные поля состоят из фотонов. Величина и направление напряженности электромагнитного поля в любой точке прямо пропорциональны величине и направлению силы фотона в этой точке. Силовые линии — это пути, по которым движутся фотоны (а поскольку, согласно квантовой физике, фотон проходит все возможные пути, то силовые линии этого фотона также имеют более одного направления).

Поскольку фотоны испускаются только при ускорении заряда, стационарное электромагнитное поле невозможно. Стационарный заряд не будет иметь поля.

Однако здесь есть два исключения. Почему заряды, движущиеся с постоянной скоростью, притягиваются или отталкиваются друг от друга, когда они не испускают фотоны?

А на поверхности земли, если один магнит находится на земле, а другой подвешен над ним, оба покоятся друг относительно друга, но когда подвешенный магнит отпускают, магниты все равно отталкиваются.

Кроме того, эта точка зрения объясняет отталкивание между двумя ускоряющимися зарядами, но не объясняет притяжение.

$\endgroup$

$\begingroup$

Если я правильно понимаю КТП, вы можете думать об электронном поле как о всепроникающем бурлящем котле (так называемые вакуумные флуктуации) преждевременных, не готовых к началу времени (потенциальных?) электронных энергетических шаров, имеющих энергию ниже минимальная (но не нулевая) квантовая энергия, необходимая для взрослого электрона. Если их ударить с достаточной энергией, они могут начать вибрировать на минимальном уровне квантовой энергии взрослого электрона, что вызывает рябь в поле (подобно камню, брошенному в тихий пруд). Эта пульсирующая волна и есть то, что мы называем настоящим электроном.

Теперь я понимаю, что это нетрадиционная идея, но если каждая элементарная частица имеет свое собственное вакуумное поле (поле фотона, поле электрона и т. д.), то в каждом поле должно быть что-то уникальное, что позволяет ему создавать связанную с ним частицу. Недостаточно сказать: «поле такое, какое оно есть». Таким образом, в каждом поле должно быть что-то особенное, и это то, о чем я говорил выше, чтобы попытаться дать какую-то теорию о том, из чего «состоят» поля. Поскольку пока никто не знает, почему бы не попробовать.

Как сказал Брайан Скиннер http://www.ribbonfarm.com/2015/06/23/where-do-electric-forces-come-from/, «для физика построение таких «историй происхождения», возможно, самая важная часть профессии. Для физики абсолютно неотъемлемо то, что ее разработчики никогда не довольствуются каким-либо уровнем описания реальности. К каждому закону, уравнению или теореме мы всегда должны спрашивать: «Да, но почему это именно так». ?» Это дерзкое вопрошание там, где оно удается, в конечном счете всегда превращает один вопрос в другой, но по пути оно может коренным образом переписать то, как мы воспринимаем природу. резюмируя все результаты, которые были до этого».

$\endgroup$

1

электромагнитное излучение — Электромагнитные поля состоят из фотонов или они фундаментальны?

спросил 4 года, 4 месяца назад

Изменено 4 года, 4 месяца назад

Просмотрено 784 раза

$\begingroup$

Я прочитал эти вопросы:

Виртуальное фотонное описание полей B и E

Как виртуальное фотонное облако создает дискретные линии магнитного поля в стержневом магните?

Как виртуальные фотоны порождают электрическое и/или магнитное поле?

Из чего состоят электромагнитные поля?

Где Альфред Центавр говорит:

Электромагнитное поле является одним из таких фундаментальных объектов. Он не сделан ни из чего другого, он просто такой, какой он есть.

И где DJBunk говорит:

Электромагнитные поля, в том числе статические электрические и магнитные поля, действительно состоят из фотонов.

Итак, вопрос в том, из чего они сделаны, из фотонов или фундаментальны.

Вопрос:

1. Кто из них прав, электромагнитные поля состоят из фотонов или они фундаментальны?

• электромагнитное излучение
• фотоны
• квантовая электродинамика
• корпускулярно-волновой дуализм
• виртуальные частицы

$\endgroup$

1

$\begingroup$

С современной точки зрения фундаментальным объектом является квантовое электромагнитное поле. Элементарные возбуждения этого поля называются фотонами. Квантовые поля — очень сложные объекты, но при определенных обстоятельствах, когда имеется много фотонов, их можно приблизительно описать классическим полем, называемым классическим электромагнитным полем, которое просто присваивает каждой точке пространства-времени несколько чисел. Это область, которую изучал Максвелл.

Так что здесь нет противоречия. Есть два понятия «электромагнитное поле», которые имеют принципиально противоположный статус по отношению к фотонам.

$\endgroup$

$\begingroup$

Кто из них прав, электромагнитные поля состоят из фотонов или они фундаментальны?

Классическое «электромагнитное поле» не может быть определено так, как классически определяется электрическое или магнитное поле (или гравитационное). Нужна пробная частица для измерения силы поля, а я не могу определить пробную частицу, которая будет измерять силу электромагнитного излучения. Можно определить электрическое поле и магнитное поле в точке пространства-времени, и уравнения Максвелла связывают их как одну сущность, которая ведет себя по-разному в зависимости от скорости наблюдателя. Для проверки электрических и магнитных полей необходимы два разных вида пробных частиц. и это часть путаницы.

Начнем с того, что, исходя из наших нынешних знаний, все классическое возникает из лежащего в основе квантово-механического уровня, фундаментальными являются фотонные частицы, представленные в квантовой теории поля фотонным полем, на котором операторы рождения и уничтожения генерируют реальные фотоны.

И классические уравнения Максвелла, и квантово-механические являются математическими моделями. Математически было продемонстрировано, что классические поля возникают из квантово-механических, и существует плавная непрерывность, идущая от частиц (фотонов) к электромагнитным волнам (классическим). Можно также показать, что в предельном случае статического поведения эта непрерывность существует, и виртуальные фотоны могут математически моделировать статические поля.

Как физики, мы принимаем то, что предсказывают и описывают строгие математические модели, если нет экспериментальной фальсификации. Итак, на данный момент фундаментальным является фотонное поле с его операторами рождения и уничтожения (операторное поле). Виртуальные фотоны — это плата за использование математики, так как их нельзя измерить, но что касается теории, то все держится на одном месте, без каких-либо экспериментальных фальсификаций.

$\endgroup$

5

$\begingroup$

Что ж, вы находитесь на грани того, что можно считать скорее философской гранью физики, чем абсолютной. Перемещение заряда в пространстве действительно вызовет излучение поля в том или ином направлении, и это электрическое поле в его возбужденном состоянии, где фотоны являются возбуждениями этого поля. Однако статическое электрическое поле , которое я сам склонен просто принять в качестве градиента потенциала, является пространством. Это область, в которой другие заряды, помещенные внутрь нее, ощущают на себе силу.

Статическое электрическое поле – это электрическое поле в его основном, невозбужденном состоянии, здесь поле не производит никаких фотонов.