Ёросику

Друзья, я вернулась. И не одна. Иногда здесь будет писать мой папа о своих изысканиях в области физики (под аватаркой "панда").
Тем, кто впервые заглянул на огонёк, добро пожаловать! Ёросику, как говорят японцы!

Что заставляет механическую систему быть необратимой во времени?

Почему-то никто не хочет видеть (понимать), что любая макроскопическая система состоит не только из атомов, но и из электронов в атомных оболочках, которые представляют собой отдельную, внутреннюю термодинамическую подсистему, обменивающуюся энергией с внешней — атомной, молекулярной, макроскопической системой. Обменивается энергией так, чтобы оказаться с ней в термодинамическом равновесии. Такой обмен энергией заставляет макроскопическую систему забывать о предыстории своего существования (движения) и, тем самым, делать необратимыми изменения во времени, происходящие с макроскопической системой.

И до сих пор не утихают споры о том, что нужно сделать с механической системой, чтобы сделать её необратимой. А нужно всего-то включить в рассмотрение ещё одну внутреннюю подсистему. Но ведь спорить, наверное, гораздо интереснее, не так ли?

Посмотреть обсуждение, содержащее этот комментарий

"Когерентные структуры" мира духовного с материальным миром. Мой комментарий

В блоге И-П случился хороший вопрос от axsmyth по поводу моего замечания, что «чисто духовной составляющей тоже быть нехорошо — не получается изменять материальный мир так, как бы хотелось».

Он прозвучал так: «Прикольная мысль. Понравилось. Но вот заковыка: будучи духовной составляющей, можно вполне влиять на другие духовные частицы, сопряжённые с материальным и, таким образом, всё же воздействовать на материальный мир. Правда, неясно зачем».

Понравился и сам вопрос, и то, что получилось в результате ответа. Чтобы ответ не затерялся, решил опубликовать отдельный маленький пост. Надеюсь, вам он понравится.


А вот теперь Вы, как мне кажется, идёте в верном направлении.

Зачем влиять на что-либо? Таков уж закон неравновесной термодинамики — стремиться к равновесному состоянию. Который тесно связан с принципом наименьшего действия, который проявляет себя как в неравновесных условиях потока, так и продолжается в равновесном состоянии — как минимум воздействия на окружающее пространство. А принцип наименьшего действия, пожалуй, самый фундаментальный из всех остальных.

Так и духовная составляющая не может не стремится к своему потенциальному равновесию, но не может его достичь, поскольку она похожа на замкнутый поток, не испытывающий трения и, следовательно, диссипации. Как некий сверхпроводящий контур, как спин — незатухающий момент импульса элементарной частицы. И хороша может быть такая бытовая аналогия: "Крутится как белка в колесе".

Также, как обычный материальный поток разделяется на части и образует различного рода "когерентные" структуры, чтобы скорее прийти к равновесию, духовная составляющая делает то же самое. И через отдельный организм, и через родственные коллективы, и через влияние одних коллективов на другие. Вот только не знаю, могут ли образовываться структуры внутри самой духовной составляющей? Похоже, что могут, но не ясно, что может влиять на их образование? Наверное, такое может быть, если духовная составляющая неоднородна внутри себя или оказывается неоднородной через связь с материальным миром.

Получается, вопрос "зачем?" не совсем корректный. Правильно будет "как?". Как организовать материальный мир, чтобы максимальным был не просто перенос духовной составляющей, а её совместный перенос вместе с духовной составляющей? Ясно, что образование совместных структур с материальным миром требует определённой работы в термодинамическом смысле. Но затраты на работу, видимо, компенсируются увеличенным потоком самой духовной составляющей. Видимо, вместе с материальным миром духовная составляющая переносится быстрее.

И, как Вы понимаете, вопросы всё равно остаются. Нашего знания явно недостаточно, чтобы на них ответить.

Посмотреть обсуждение, содержащее этот комментарий

Отметим день российской науки

публикацией соображений о том, почему известных на Земле источников энергии недостаточно для возникновения на ней органической жизни. Эти соображения связаны с догадкой, чем "руководствуется" термодинамическая система, когда стремится перейти в своё равновесное состояние. Раньше в этом блоге уже высказывалась мысль, что неравновесная система будет переходить в равновесное состояние максимально быстрым способом. Причём своим движением к равновесию система сама будет создавать физически допустимые условия или структуры, способствующие скорейшему переходу. Сейчас в научной литературе такие структуры часто называют "когерентными", а во времена Пригожина их называли "диссипативными".

Но на образование этих структур накладывается одно дополнительное условие. Оно имеет дифференциальный характер и заключается в том, что любая образующаяся структура, помогающая скорейшему переносу тепла, массы, заряда и т.д. не может возникать и увеличиваться произвольно. Её возможное приращение и увеличение переноса не должно оказаться меньше возникающих при этом потерь этого переноса, связанных с потерями на трение или другие каналы диссипации. Так или иначе, озвученный выше принцип максимального переноса связан с экстремальными свойствами действия и основанными на них принципами. Вспомните принцип наименьшего действия в классической механике. Но развивать тему действия мы пока не будем.

Скажем лишь то, что жизнь на Земле, как и на других подобных планетах невозможна потому, что в соответствии с озвученным принципом максимального потока или переноса того, что вызывает неравновесность, эти потоки никоим образом не выбирали бы долгий путь превращения в живых организмах, а скорейшим образом диссипировали бы в обыкновенное тепло на поверхности Земли. Часть из которого излучалась бы обратно в Космос. Поэтому вывод может быть только один: существует ещё одна дополнительная причина в виде некого, пока неизвестного нам потока, который поддерживает жизнь на Земле и необходимые для этого структуры, наблюдаемые нами как всевозможные организмы.

Озвучим по поводу сказанного элементы дискуссии, состоявшейся недавно в блоге Иванова-Петрова, и посвящённой вопросу "Живые или нет?".

[Spoiler (click to open)]

Там я писал: "Многим не понравится, но жизнь по аналогии с квазичастицами - это возбуждённое состояние некой "духовной" ипостаси (своего рода ещё одного пространства) в нашем физическом мире. В мире, структурированном (самой ипостасью), чтобы это состояние могло поддерживаться какое-то время. Как и для квазичастиц в физике, для поддержания жизни должен существовать некий (неравновесный) поток, принадлежащий этой ипостаси. Тогда человек, животные, растения, одноклеточные организмы будут просто разными возбуждёнными состояниями, отличающиеся своей сложностью. А самовоспроизведение, о котором здесь пишут, будет дополнительной опцией или свойством состояния, чтобы не делать каждый раз одну и ту же работу. И не терять уже полученные результаты и достижения".

Меня спросили (snk1965): "Витализм? В физике аналогичную функцию раньше выполнял теплород. Для своего времени, вполне плодотворная модель была". Ответом было: "Нет, не "витализм" — там субстанция нематериальная. А у меня вполне материальная, что-то вроде ещё неоткрытого пространства. В истории физики можно много такого найти: сначала не было и уже вот есть. А идею теплорода я очень уважаю. Мы ещё можем к ней вернуться в лице субстанции, состоящей из квантов действия".

Такой ответ не устроил, и последовало возражение: "Не уверен, что для поддержания жизни требуется что-то, кроме того, что уже в нашем пространстве есть. Остался открытым лишь вопрос первичной инициации. Какая-то запредельная сложность даже на уровне простейших, отсутствие промежуточных протожизненных организмов. Вот на этом поле можно свободно спекулировать". Я подумал, что аргументированная позиция, подобная той, что приведена в начале этого сообщения, позволит задуматься и посмотреть на проблему в новом свете: "А я как раз недавно пришел к пониманию того, чего не хватает для поддержания жизни на Земле. Не хватает именно того, что уже есть: Солнце, воздух и вода наши лучшие друзья, а ещё тепло Земли. Если бы эти неравновесные причины (источники) были единственными, их диссипация шла бы гораздо более простым и быстрым путём без всяких изысков по долгому превращению одного вида энергии в другой, что имеет место в живых организмах.
Живые организмы своим существованием противоречат одному из фундаментальных принципов неравновесной термодинамики: максимальному переносу действия или, другим языком, - минимальному пути и скорейшему переходу из неравновесного состояния в равновесное. Пригожин шёл, шёл к этому, да не дошёл, а я вот сподобился. Может и другие сподобятся со временем. Одно могу сказать в утешение, что для стационарных процессов этот принцип максимального переноса действия переходит в принцип минимума действия или кратчайшего пути и минимального времени. А этот принцип хорошо известен уже многим студентам. Поэтому требуется иной источник неравновесности, иной поток чего-то, что поддерживало бы жизнь. Вот он и был назван.
О первичной инициации жизни было и будет много разговоров, моделей и спекуляций. И прекратить их может только создание хотя бы простейшей жизни в пробирке. Но до этого ох как далеко. Мы не понимаем сейчас многих простейших вещей в физике, что уж говорить о биологии. Многие говорят о первичных каталитических реакциях, и они правы. Только для того, чтобы они привели хотя бы к коллективу совместно действующих реакций, уже понадобится некое внешнее вмешательство или "ипостась", о которой говорилось в начале. А чтобы создать хотя бы подобие совместно действующих клеток (по отдельности они погибнут), потребуются совсем уж запредельные усилия
.

Впрочем, мой "развёрнутый" ответ оппонента не убедил. Что и следовало ожидать, поскольку убеждённого в своей собственной позиции человека всегда бывает трудно переубедить. Требуется время. Значит, придётся подождать.

Был еще один интересный момент в это дискуссии у Иванова-Петрова. Уважаемый trita высказался так: "Нет и не может "быть" ничего неживого. "Есть" и "живое" это синонимы. "Энергия" и "жизнь" — синонимы. Небытие не может наблюдаться, а всё что наблюдаемо — бытие. То есть вопрос что есть "живое" он самый простой, так как всё есть живое. Но вопрос что есть "жизнь" ответа внутри бытия не имеет, он трансцендентен этот ответ, буквально. "Жизнь" и "Бог" синонимы". Это утверждение заставило меня сильно задуматься, а существует ли на самом деле способ отличить живое от неживого? И то, и другое состоят из одних и тех же известных в физике частиц, подчиняются одним и тем же физическим законам. Но наше сознание как-то умудряется почти безошибочно определить: вот этот организм живой, хотя может и спит, а этот - уже мёртвый и начинает как-то по особому пахнуть. В чём на самом деле разница, можно ли её четко определить, а ещё лучше - измерить каким-нибудь прибором? И прихожу к неутешительному ответу: "Таким прибором может быть только сам какой-нибудь живой организм".



За сим откланиваюсь. Искренне ваш, Дулин Михаил.

Как "железный занавес" может стать благом для российской науки. Мой новый комментарий

У Иванова-Петрова мне сделали замечание, что «нельзя делать науку, будучи отрезанным от информационных ресурсов...». Короткого ответа не получилось, поэтому — вот следующий пост, тесно связанный с предыдущим, но имеющий содержание совсем иного плана.

Конечно нельзя. Но терпимо.

Вот мне, например, долгое время приходилось работать (анализировать) собственную базу данных своего института по тепловому расширению простых веществ, представляющих элементы таблицы Менделеева. Составленную из оригинальных работ нашей лаборатории, которые были в своё время как полагается опубликованы, ссылки на аналогичные работы зарубежных авторов тоже присутствовали. Удивительным образом мне оказалось достаточно собственных экспериментальных данных. Данные других авторов только мешали, они вели себя "кто в лес, кто по дрова". Попытка получить "средние по больнице закономерности", как это было сделано в самой лучшей американской базе данных тоже ни к чему хорошему не привели. Вся наша база данных могла быть описана единой и достаточно простой зависимостью, а американская — даже близко нет. То есть, если бы 10 лет тому назад "железный занавес" опустился, мы бы ничего не проиграли.

Наоборот, в условиях гипотетической изоляции, когда зарубежные публикации не играли для нас никакой роли, удалось получить ряд новых фундаментальных знаний. Именно потому, что мы нашли единую закономерность для многих элементов. Для всех — сказать нельзя, поскольку ряд элементов вообще никем не исследован. Мы узнали, что электронная подсистема в атомах и молекулах работает как отдельная самостоятельная термодинамическая система; узнали, отчего происходит плавление твёрдого тела и что собой представляет жидкое состояние; узнали, что твёрдое и жидкое состояния являются разными пространствами с разной симметрией; узнали, что является дискретным элементом этих пространств и ещё многое другое.

Мы ничего бы этого не узнали, если бы не отгородились гипотетическим занавесом от западной науки, где базы данных хоть и сделаны хорошими учёными, но представляют собой все-таки "среднее по больнице". Их нельзя за это винить, потому что выполнение экспериментов для этой базы — дело трудное и, как оказывается, сильно зависит от метода исследования и конкретной экспериментальной установки. Часто говорят: "не было счастья, да несчастье помогло". А в нашем случае нам помогла уверенность в своих силах и вера в то, что наша база данных — самая лучшая!

Посмотреть обсуждение, содержащее этот комментарий

Что происходит с наукой у нас и за рубежом? Мой комментарий

Моё изложение будет очень субъективным, ведь я не нахожусь внутри западной науки, не поддерживаю тесных контактов с западными учёными, сужу фактически только по публикациям и по своей оценке полученных в мире результатов.

Сразу скажу, что речь пойдёт не о новых технологиях и созданных на их основе устройствах — там с этим более-менее хорошо, а о новых знаниях как таковых. О том, что собственно и представляет здание науки. А вот с этим на Западе плохо, но и у нас не очень хорошо, поскольку И-П уже упомянул, что 30 лет назад мы стали ориентироваться на Запад.

Последнее открытие на Западе, которое с полным правом можно назвать фундаментальным, произошло в 80-е годы прошлого столетия и было связано с эффектами целочисленного и дробного эффекта Холла, за которые заслуженно дали аж две Нобелевских премии. Но это уже был конец фундаментальной физики, поскольку эти два эффекта так и не получили должного объяснения. Обсуждение этих эффектов всё ещё продолжается, но существующие представления в рамках квантовой механики, квантовой теории поля исчерпали себя, не говоря уж о классической механике. Эти представления стали "шорами" на глазах современных учёных, они не дают возможности подойти к пониманию пространства, времени, их дискретных элементов, основных экстремальных принципов, связанных с действием, на основе которых возникают и развиваются явления природы. А эти два эффекта Холла приоткрывают завесу. Но их к сожалению не видят. Не видят законов, по которым квант действия, известный как постоянная Планка h, целочисленно распределяется по элементам системы (там — это электроны проводимости), или заряд электронов вынужден дробиться и размещаться по дополнительным пространствам, чтобы как можно эффективней ослабить сильное магнитное поле. Дальше всё: выдуманный бозон Хиггса на никчёмном и дорогом Большом адронном коллайдере; сомнительные гравитационные волны, которых не должно существовать; чёрные дыры, которые основаны на классическом (!?) представлении о пространстве; тёмная материя и тёмная энергия для объяснения наблюдаемых и не очень точных астрофизических наблюдений; бесплодные струнные модели для объяснения Всего и неубедительная петлевая квантовая гравитация для её объяснения как отдельного фундаментального пространства. Грустно всё это и безрадостно.

Почему так происходит? Уж точно не из-за отсутствия светлых голов. И там и тут их предостаточно. Но увы, погоня за длинным рублём и комфортной жизнью всё портит. Как объяснить гранто- и фондо-держателям необходимость дополнительных и, возможно, немаленьких трат на исследования пространства в таких уже давно исследованных и отчасти забытых областях, как физика твёрдого тела, физика жидкого состояния, газа и плазмы. Как можно подвергать сомнению общую теорию относительности, квантовую механику и квантовую теорию поля? Как можно бороться с захватившими все позиции по фундаментальной физике теоретиками: струнщиками, петлевиками, элементарщиками? Была бы гонка вооружений и холодная война с Советским Союзом, их можно было бы подвинуть необходимостью создания вооружения на новых физических принципах. А сейчас-то как?

Что с этим делать? А ничего не сделаешь — то, что происходит, это объективный процесс. Нужна в первую очередь политическая воля ведущих государств, которые думают о будущем, а не желание "денежных мешков" увеличить свою прибыль здесь и сейчас. А светлые головы были всегда, есть сейчас и будут в будущем. Им надо просто дать возможность создавать новое знание. Но последнее относится уже к науке "социология", очень капризной даме, знаете ли.

Посмотреть обсуждение, содержащее этот комментарий

Международная награда - выдающемуся учёному!



Имею честь поздравить Сергея Константиновича Годунова с присуждением ему международной престижной премии SAE/Ramesh Agarwal Computational Fluid Dynamics Award!

Эта премия (имени Рамеша Агарвала в области вычислительной гидродинамики) присуждается Обществом автомобильных инженеров (SAE International) за значительный вклад в научные исследования по вычислительной гидродинамике и приложениям в ведущих отраслях транспортной индустрии – аэрокосмической, автомобильной и других.

Мне особенно приятно это сделать, потому что буквально год назад мы вместе с ним обсуждали проблему уменьшения энтропии в газах в области ударной волны. И пришли к выводу, что это уменьшение только кажущееся и проявляется оно при численных расчётах потому, что не учитывается временный уход тепла, а значит - и энтропии, во внутреннюю подсистему электронных оболочек атомов и молекул, составляющих газ. Недооценка этого довольно значительного ухода приводит к тому, что сразу после прохождения ударной волны буквально на первом, втором шаге численного счёта газ ведёт себя так, как будто обладает пониженной энтропией. На следующих шагах эта энтропия возвращается газу от электронной подсистемы, и всё становится в порядке. Но наличие самого провала при счёте подвергает исследователей в шок и заставляет их искать ошибку. Которой на самом деле нет! Дело доходит до того, что многим приходится вводить в газ искусственную вязкость, которой тоже нет. А оказывается, что роль такой "вязкости" успешно выполняет электронная подсистема, которую до сих пор почему-то рассматривают неспособной принимать тепловые возбуждения. Электронные переходы - пожалуйста, а тепловые - ни-ни. А электронные переходы требуют уж очень высоких температур...

Я очень рад, что Сергей Константинович сохраняет феноменальную работоспособность на 92 году свой жизни. И не просто способность работать, а открывать что-то совершенно новое, что не под силу оказывается молодым. И новые награды, я думаю, не заставят себя ждать. Пожелаем же лауреату здоровья, успехов и новых достижений!

Ваш, Дулин Михаил.


P.S.: Оказывается, это событие произошло в середине прошлого года, а я и не знал. Всё равно приятно.

За пределами петлевой квантовой гравитации 24. Заключение. Всё только начинается

Начало здесь.


ГЛАВА 13. ТАЙНА

"Я изложил свои взгляды на природу вещей в свете того, что мы знаем на сегодняшний день. Я резюмировал развитие некоторых ключевых идей фундаментальной физики, описал великие открытия, сделанные физикой XX столетия, и описал картину мира, возникающую из исследований в области квантовой теории гравитации. Уверен ли я во всем этом? Нет."

"Понимание пределов нашего знания – это также осознание того факта, что наши знания могут оказаться ошибочными или неточными. Только благодаря пониманию того, что наши знания могут оказаться неверными, можно освобождаться от ложных идей и учиться. Наука рождается из акта смирения – из отказа от слепого доверия нашему прошлому знанию и нашей интуиции; из сомнения в том, о чем все говорят; из отказа доверять накопленному знанию наших отцов и дедов. Мы ничему не научимся, думая, будто уже знаем всё самое важное, и полагая, что всё уже записано в книгах или известно старейшинам. В те столетия, когда люди свято верили в правильность своих знаний, им мало чему удалось научиться. Если бы Эйнштейн, Ньютон и Коперник полностью доверяли знанию своих отцов, они никогда не поставили бы его под сомнение и никогда не смогли бы продвинуть наше знание вперед. Если бы не эти сомнения, мы до сих пор поклонялись бы фараонам и верили, что Земля покоится на гигантской черепахе."

[Spoiler (click to open)]

"Науку порой критикуют за претензию на объяснение всего и мнение, будто в ней есть ответ на все вопросы. Это любопытное обвинение. Как знают исследователи в лабораториях по всему миру, при занятиях наукой вы ежедневно сталкиваетесь с пределами своего неведения – в бесчисленных вещах, которых вы не знаете или не можете сделать. Это прямая противоположность претензии на всезнание. Мы не знаем, какие частицы могут быть открыты в ЦЕРНе в следующем году, или что обнаружит наш следующий телескоп, или какое уравнение действительно описывает мир; мы не знаем, как решать уравнения, которые у нас есть, и порой не понимаем, что они означают; мы не знаем, верна ли красивая теория, над которой сейчас работаем. Мы не знаем, что было до Большого взрыва; мы не знаем, как устроены грозы, бактерии, наш глаз, клетки нашего собственного тела, наш мыслительный процесс. Ученый живет с постоянным осознанием нашего глубокого неведения, в прямом контакте с бесчисленными ограничениями, которые сдерживают наше понимание."

"Но если мы ни в чем не уверены, как мы можем полагаться на то, что говорит нам наука? Ответ прост. Наука заслуживает доверия не потому, что она дает нам непреложные истины. Она заслуживает доверия потому, что она дает лучшие ответы из тех, которыми мы располагаем на настоящий момент. Наука – это самое большее, что мы знаем на сегодня о тех проблемах, с которыми нам приходится сталкиваться. Именно ее открытость и то, что она постоянно ставит под вопрос имеющиеся знания, гарантирует, что ответы, которые она предлагает, являются лучшими из имеющихся: если вы найдете лучшие ответы, именно они и станут наукой. Когда Эйнштейн нашел лучшие ответы, чем Ньютон, он не опроверг способность науки давать лучшие ответы из возможных, напротив, он ее подтвердил."

Как красиво и возвышенно пишет Ровелли о науке. Но так ли всё на самом деле? Имеем ли мы свободный доступ к научной информации? Конечно, нет. Сначала плати (немаленькие деньги) за любопытную статью в журнале, потом читай. Когда ещё незабвенные Ильф и Петров писали: "Вечером стулья, а утром деньги? Хорошо, но деньги вперёд!" Мир не меняется. Может быть, мы можем свободно опубликовать свою статью в научном журнале? Опять нет проблем, но деньги вперёд. А в известном журнале? Извините, но известный журнал только для известных людей. Поэтому нам достаются сказки и только сказки. И про науку вообще, и про квантовую гравитацию в частности.

"Таким образом, ответы, даваемые наукой, хороши не тем, что они окончательные. Они хороши тем, что они не окончательные. Эти ответы заслуживают доверия потому, что это лучшее, чем мы располагаем на сегодняшний день. И они лучшие из всех имеющихся потому, что мы не воспринимаем их как окончательные, а рассматриваем их как открытые для улучшения. Именно осознание нашего неведения делает науку заслуживающей доверия."

По своей второй профессии Карло Ровелли - философ. Читая последнее предложение хочется воскликнуть: "Молись и кайся! Верь и надейся! И воздастся тебе". Ну, как, скажите на милость, ответы могут быть "хороши тем, что они не окончательные"? Можно было бы понять, что неокончательные ответы вдохновляют учёных на поиск новых, более глубоких ответов, но радоваться тому, что "наше неведение делает науку заслуживающей доверия" - это выводить науку из под огня любой критики и позволять ей оставаться "вещью в себе".

"И то, что нам нужно, – это как раз возможность доверия, а не неизменность. У нас нет и не будет абсолютной уверенности ни в чем, если только не впадать в слепую веру. Наука дает наиболее правдоподобные ответы просто потому, что наука и есть поиск наиболее правдоподобных ответов, а не тех, которые претендуют на непреложность и неизменность."

Прямо, проповедник на кафедре. Иезуит какой-то: "нам нужно доверие, а не неизменность", "у нас не будет уверенности, если не впадать в слепую веру" или "наука даёт правдоподобные ответы потому, что ищет правдоподобные ответы".

"Хотя наука опирается на прежние знания, суть ее состоит в непрерывном изменении. История, которую я рассказал, охватывает тысячелетия и следует нарративу науки, который собирает и хранит стоящие идеи, но без колебаний отбрасывает их, когда обнаруживается что-то, работающее лучше. Природа науки состоит в критичности, бунтарстве и неудовлетворенности в отношении априорных концепций, почитания и сакрализации неприкосновенных истин. Поиск нового знания строится не на культивировании уверенности, а на культивировании радикального недоверия к уверенности."

Опять Ровелли "заносит". Природа науки состоит вовсе не "в критичности, бунтарстве и неудовлетворенности", а в умении задавать природе "правильные" вопросы, ответы на которые подтвердят, а лучше - опровергнут существующие представления.

"Это означает отказ в доверии тем, кто претендует на владение истиной. Именно поэтому между наукой и религией часто возникают конфликты. Это происходит не потому, что наука претендует на знание окончательных ответов, но по прямо противоположной причине: потому что дух науки состоит в недоверии к любым претензиям на обладание окончательными ответами или привилегированным доступом к Истине. Это недоверие вызывает беспокойство в некоторых религиозных кругах. Вовсе не религия тревожит науку, а, наоборот, некоторые религии обеспокоены научным мышлением."

"Принятие принципиальной ненадежности нашего знания означает принятие того, что мы живем, погруженные в неведение, а значит, в тайну, принятие жизни с вопросами, на которые мы не знаем ответов. Возможно, мы просто не нашли пока или – кто знает? – никогда их не найдем."

"Жить без уверенности трудно. Многие предпочтут любую уверенность, даже безосновательную, той неуверенности, которая возникает в результате осознания собственных пределов. Неведение пугает. От страха мы можем рассказывать самим себе успокаивающие истории: где-то там, за звездами, есть зачарованный сад с добрым отцом, который приглашает нас присоединиться к нему. И это успокаивает, независимо от того, правда ли это."

"Сам я предпочитаю открыто смотреть в лицо нашему неведению, признавая его и стараясь заглянуть чуть дальше в попытке понять то, что мы способны понять. Я делаю это не только потому, что признание нашего неведения позволяет избегать суеверий и предубеждений, но прежде всего потому, что признание собственного неведения кажется мне самым верным, самым красивым и, главное, самым честным шагом."

Ну, наконец-то Ровелли сказал то, за что можно ему поаплодировать. Сказал то, что и должен был сказать настоящий учёный. Сказал то, что "красной канвой" пролегало через всю его книгу. То, что вызывало к этой книге жгучий интерес и любопытство узнать, как на самом деле устроен мир, пусть и существующий, возможно, только в голове самого автора.

"Попытки заглянуть и пойти дальше кажутся мне самым главным делом, дающим чувство жизни. Это как любить или смотреть в небо. Любопытство, побуждающее узнавать, открывать, заглядывать по ту сторону холма, пробовать на вкус яблоко – это то, что делает нас людьми. Дантовский Улисс напоминает своим соратникам: «Вы созданы не для животной доли, но к доблести и к знанью рождены»."

"Этот мир удивительнее и сложнее любых сюжетов, рассказанных нашими праотцами. Я хочу познакомиться с ним поближе. Чтобы принять неопределенность, не следует бояться чувства таинственного. Ведь мы погружены в таинственность и красоту нашего мира. Мир, раскрываемый квантовой гравитацией, новый и странный, остается полным загадок, сохраняя при этом простую и ясную красоту."

"Этот наш мир не погружен в пространство, и он не развивается во времени. Мир состоит только из взаимодействующих квантовых полей, роение которых порождает – через плотную сеть взаимных связей – пространство, время, частицы, волны и свет."

"Это мир без бесконечности, где не существует бесконечно малого, поскольку есть минимальный масштаб явлений, ниже которого ничего нет. Кванты пространства перемешаны в виде пространственно-временной пены, а строение вещей появляется из взаимной информации, которая состоит в корреляции между областями мира. Мы знаем, как описать этот мир с помощью системы уравнений, которые, возможно, еще придется уточнять."

"Это колоссальный мир, в котором еще многое надо прояснять и исследовать. Моя заветная мечта состоит в том, чтобы кто-то – например, один из молодых читателей этой книги – смог посвятить себя этой задаче и лучше понять этот мир. Где-то там, за поворотом, огромные миры ждут своих первооткрывателей."



Вот и закончилось наше расследование и критика петлевой квантовой гравитации, которая с такой теплотой и любовью представлена в книге Карло Ровелли. Теперь мы узнали не только то, что хотел сказать автор книги, но и альтернативную точку зрения на гравитацию и весь остальной мир. А это очень важно: увидеть мир с двух совершенно разных сторон. Одно дело - узнать современную точку зрения на одну из самых фундаментальных проблем физики - гравитации, а другое дело - увидеть "болевые точки" этой проблемы и даже услышать, в чём их недостаток. Даже если "советы постороннего" окажутся неприемлимыми для кого-то, это лучше, чем советов не будет совсем.

Повторим кратко нашу точку зрения. Весь мир состоит из одних и тех же дискретных элементов - квантов действия, известных под именем постоянной Планка h. Из них состоят и фотоны, и элементарные частицы, и заряд, и кванты магнитного потока, и масса частиц, и не открытый пока, а только предполагаемый квант потока кривизны пространства. Чем-то похожий на спин - другое свойство, которым обладают все частицы: полуцелым для фермионов и целым для бозонов. Квант действия - это не обычное свойство природы, которое можно потрогать или измерить. Квант действия - это "вещь в себе", которая не проявляет себя, пока не окажется возмущённой. А после возмущения становится тем, что мы перечислили выше: частицами или их определёнными свойствами. Это как в Библии: "Земля была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою". А затем произошло возмущение: "И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош, и отделил Бог свет от тьмы".

Само электромагнитное пространство состоит из "непроявленных" квантов действия, но которые "проявляются", когда возбуждаются фотоны. Протоны и нейтроны составляют своё пространство внутри атомного ядра, отличающееся от электромагнитного. Электроны в атоме - своё, отличающееся от ядерного. Элементы одного типа или одного пространства предпочитают держаться вместе в соответствии с принципом наименьшего действия, известным из механики, но которое мы расширяем до принципа наименьшего возмущения пространства. Атомы в кристалле тоже составляют своё, но уже комбинированное, сложное пространство, где стараются придать кристаллу наиболее компактную форму в соответствии с известным набором кристаллических структур.

Гравитация не является самостоятельным пространством. Это, пожалуй, самое серьёзное отличие от модельных представлений Ровелли. Как и квант действия, альтернативой которому у него выступает странный планковский объём, настолько маленький, что ни одна элементарная частица туда поместиться не может. Гравитация есть всего лишь искривление уже существующего электромагнитного пространства со всеми вытекающими отсюда следствиями. Почти такими же искривлениями, которые вызываются постоянным электрическим зарядом или постоянным магнитным потоком. При таком подходе гравитация перестаёт быть одним из фундаментальных взаимодействий. Их роль выполняют всего два фундаментальных пространства: электромагнитное и ядерное. А пространство "электронных оболочек" в атоме оказывается промежуточным, оно выполняет роль своего рода границы между ними. Слабое взаимодействие получается здесь лишним. Это "взаимодействие" мы относим к неравновесным процессам, которые происходят с участием элементов ядерного пространства. А для всех неравновесных процессов мы предлагаем ещё один принцип максимального переноса действия, который хорошо подходит для термодинамики, расширяя её до неравновесной.



Ну, вот. Всё, что хотели сказать, кажется, сказали. По крайней мере, самое главное. Надеюсь, вам было интересно. А если нет - не судите строго. Всё только начинается для новой области дискретных физических пространств. Всё ещё только впереди.

Искренне ваш, Дулин Михаил.

Маска, кто вы? Продолжение ответов на новогодние загадки

Новогодние вопросы здесь.

Начало ответов на них здесь.



Третий вопрос прозвучал так: "Как вы думаете, что будет являться основным дискретным элементом в термодинамике?"

Термодинамика. Непонятная наука. Тепло, энтропия, невозможность существования "вечного двигателя". Так хотелось многим подвижникам облагодетельствовать человечество и дать ему неиссякаемый источник энергии. А тут - термодинамика со своими началами (правилами), первый из которых говорит о законе сохранения энергии, а второй - о невозможности передать тепло от более холодного тела к более горячему. Да и Парижская академия наук в 1775 году взяла и перестала рассматривать проекты вечных двигателей. А вдруг можно? Ведь, не всё же учёные так хорошо знают. Вдруг, откроется что-нибудь неведомое? Вон, они предсказывают "тепловую смерть" Вселенной и ссылаются при этом на термодинамику. Неужели мы все когда-нибудь умрём и Вселенная превратится в сплошной хаос? Неужели это произойдёт?

[Spoiler (click to open)]

Давайте разбираться. Тем более, что и новогодний вопрос был задан не просто так, а с какой-то "тайной" целью. И в недавнем обсуждении книжки Карло Ровелли "Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле" автор блога уже рассказывал немного о своих взглядах на термодинамику, особенно неравновесную.

Но давайте будем идти по порядку. Сначала скажем, что термодинамика - это наука эмпирическая. То есть, все её законы или начала были установлены из опыта. Вот почему не прекращаются попытки создать вечный двигатель! Мы так часто ошибаемся в своих опытах. И тут можем ошибиться. Но почему-то термодинамика всегда оказывается права. Что в ней такого, что она интуитивно, в соответствии с опытом "ухватила" такие глубокие знания о природе, которые не удавалось "добыть" самым маститым учёным? Вот и Эйнштейн с этим соглашается. Неужели "квант действия" (постоянная Планка), который так любит автор блога, поможет нам. А почему бы нет?

Возьмём первое начало термодинамики. При отсутствии внешних полей и химических реакций оно записывается как дифференциальное уравнение сохранения энергии в системе:
dU = TdS - PdV,
где U - "внутренняя" энергия в том смысле, что система, состоящая из многих частиц, покоится; T - так называемая температура; S - энтропия; P - давление в системе; V - её объём. Уравнение состоит из двух членов TdS и PdV, и их число не является произвольным. Именно два, потому что член TdS связан с существованием времени в системе, а pdV - существованием самого метрического пространства. Вспомним, что мы писали ранее о фотонах, из которых "составлено" электромагнитное пространство: "Каждый фотон с энергией E и импульсом p представляет собой сразу и дискретный элемент времени τ = h/E, и дискретный элемент пространства λ = h/p. "Каков поп, таков и приход", - говорили в старину, и не нужно удивляться тому, что термодинамика (и её первое начало) отражает свойство пространства, в котором система вынуждена существовать.

Мы уже писали раньше в сообщении 23, посвященному обсуждению книги Ровелли, что отдельные "кусочки" времени (τi = h/Ei) в системе "складываются" вместе так, чтобы энтропия в равновесной системе всегда достигала своего максимума, а в неравновесной - максимально быстро стремилась бы к максимуму, выступая как некий аналог "внешнего" времени для такой системы. Это свойство экстремальности энтропии мы рассматривали, как проявление принципа наименьшего действия в системе многих взаимодействующих частиц. А само определение энтропии S давали в сообщении 22 как "логарифм числа всевозможных распределений имеющегося в системе числа квантов действия N по всему числу M частиц" в системе. Таким образом, член TdS является чрезвычайно важным для термодинамики, он не просто описывает "тепловой хаос" в системе, а наоборот - её способность внутренне упорядочиваться в ответ на внешнее воздействие, будь то "контактный" нагрев или охлаждение, влияние внешнего поля или даже случившуюся внутри химическую реакцию.

Член PdV отражает изменение внутренней энергии системы, связанное с совершением работы ей самой над окружением (поэтому мы имеем в уравнении знак "-") или работы окружения над ней. То, что этот член тоже связан с переносом квантов действия или их перераспределением в пространстве, занимаемой системой, можно показать следующим образом. Давление P - это сила F, действующая на единичную площадь стенки s; изменение объёма dV, умноженное на единичную площадь стенки, даст смещение стенки dx = sdV по направлению к своей нормали; сама сила F - это сумма изменений за некоторое малое время τ импульсов всех молекул pi, тоже рассматриваемых по отношению к нормали. Если мы умножим член PdV на это время τ, мы получим изменение или перераспределение квантов действия в системе, соответствующее объёму dV или смещению стенок на величину dx. Если умножить на это малое время τ все остальные члены дифференциального уравнении первого начала термодинамики, мы получим фактически закон сохранения полного числа квантов действия в системе, который мы уже озвучивали в сообщении 23.

Остаётся рассмотреть остальные начала термодинамики. К трём существовавшим ранее началам ученые решили добавить ещё одно - нулевое, и оно звучит примерно так: "Изолированная термодинамическая система обладает свойством самопроизвольно приобретать состояние своего равновесия и быть там сколь угодно долго при неизменных внешних условиях. В этом равновесным состоянии система обладает такой измеримой величиной, как температура."

После того, как Людвиг Больцман, рассматривая поведение газов, определил энтропию как некое их статистическое свойство, было бы излишним вводить ещё и температуру. Хотя, это могло быть вызвано исключительно практическими соображениями: мы не знаем, как и каким прибором измерять энтропию, так пусть хоть температура будет измеримой. А если мы с вами опять посмотрим на первый принцип для сохранения энергии, то увидим, что это уравнение является равноправным относительно своих двух членов. И если уж необходимо формулировать нулевой принцип термодинамики, то надо постулировать также понятия объёма и давления. Но мы ведь так не делаем. Почему? Глупость какая-то. Уж если что-то дополнительно постулировать, так это достаточность двух членов в этом уравнении или двух независимых переменных в уравнении состояния системы без внешних полей и химических реакций. Или вообще ничего больше не постулировать. А посмотреть на уравнение и сказать, что давление P - это частная производная (∂U/∂V)|S при постоянной энтропии, а температура T - частная производная (∂U/∂S)|V при постоянном объёме. В наших представлениях температура приобретает физический смысл потока квантов действия при двух заданных параметрах состояния системы S и V. А давление тоже определяется потоком квантов действия, но представленных в другой своей ипостаси - пространственной, в виде импульсов, умноженных на свой характерный размер. В отличие от временной ипостаси, представленной в виде энергии, умноженной на характерный интервал времени.

Если система изолирована и не может отдавать тепло, этот поток возвращается обратно в систему без потерь. Если два тела находятся в контакте, то поток от более нагретого тела оказывается больше, чем от менее нагретого. Эта ситуация составляет суть второго начала термодинамики в виде постулата Клазиуса: "Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому". Для нас это становится очевидным после определения температуры как потока квантов действия, и ничего постулировать, а потом обосновывать уже не нужно. Добавим лишь, что и давление между двумя системами, соединёнными подвижной перегородкой, выравнивается точно также, как и температура. А если ещё рассмотреть системы, в которых существуют потоки вещества, электрического заряда или чего-то подобного, то станет ясно, что установление в них равновесия ничем или мало чем отличается от выравнивания температуры и давления. Ко второму началу термодинамики относят также и достижение энтропией максимума, как только система становится равновесной, но этот случай мы уже разобрали раньше.

Третье начало термодинамики формулируется как "Существование предела энтропии при стремлении температуры к абсолютному нулю и независимость процессов в этой области от энтропии". Существует и следствие из этого утверждения, которое иногда принимают в качестве третьего начала. Оно звучит так: "Недостижимость абсолютного нуля температур".

Ну что тут можно сказать? Давайте снова посмотрим на уравнение сохранения энергии: dU = TdS - PdV. Мы уже обсуждали, что оба члена в правой части уравнения не могут существовать друг без друга. Первый отвечает за распределение квантов действия по времени, второй - по пространству. Ситуация в точности соответствует фотону в электромагнитном пространстве: если уж фотон возник, то у него есть и своё характерное время h/E, и своё пространство h/p. И никак по отдельности. Так и в термодинамике: невозможно представить себе ситуацию, когда полная энергия системы, связанная с энтропией, равна нулю, а связанная с объёмом, - нет. Тогда уж и давление P в системе должно быть равно нулю, и её полная энергия - тоже. А это значит, что мы просто не можем забрать последнюю порцию энергии у системы, ведь для этого нужна внешняя система, сама уже находящаяся при абсолютном нуле температуры. Что является абсурдом: зачем нам охлаждать систему до абсолютного нуля, если мы уже имеем нужную нам систему. А передать энергию от охлаждаемой системы к более тёплой мы тоже на можем: это запрещает второе начало термодинамики. Ну, и не будем забывать, что при абсолютном нуле все другие потоки - частиц, заряда или любимых нами квантов действия от рассматриваемой системы тоже становятся равными нулю.

Так что же: третье начало термодинамики справедливо, и абсолютный нуль недостижим? Здесь мы плавно подходим к ответу на один из последних новогодних вопросов: "Что представляют собой такие явления как сверхтекучесть и сверхпроводимость с позиций дискретного физического пространства?"

Оказывается, в дискретных пространствах при некоторых внешних условиях можно наблюдать состояния вещества, для которых абсолютный нуль температуры, казалось бы, становится достижим. Но неожиданно выясняется, что достижим он не для всей системы, а только для её некоторой части. Это был сюрприз: невероятное стало возможным! Думаю, именно это происходит с гелием, когда он переходит в сверхтекучее состояние. Во-первых, можно наблюдать, что количество сверхтекучей фазы в гелии увеличивается с уменьшением температуры ниже 2,17 K. При температуре 1 K он становится сверхтекучим почти полностью. Во-вторых, кажется, что в этом состоянии вязкость гелия становится нулевой: он течёт без трения по любой поверхности, протекает через очень мелкие поры и обладает очень высокой теплопроводностью. Считается, что в этом состоянии гелий имеет нулевую энтропию, которая остаётся таковой вплоть до абсолютного нуля температуры.

Мы не будем обсуждать существующее объяснение состояния сверхтекучести. Выскажем лишь свою точку зрения на этот счёт. Мы уже не раз писали, что с увеличением или уменьшением температуры состояние системы изменяется кардинальным образом тогда, когда структурные единицы системы уже не могут поддерживать своё прежнее состояние и вынуждены перейти в новое, так как в нём они меньше возмущают элементы окружающего пространства, чем раньше. То есть, работает принцип наименьшего действия в расширенной формулировке. По идее, гелий вообще должен был бы избавиться от своего жидкого состояния и перейти в твёрдое, как это делают большинство элементов таблицы Менделеева. Но этого не происходит, и можно пока только полагать, что в твёрдом состоянии гелий возбуждал бы окружающее пространство сильнее, чем в жидкой. Вместо этого жидкий гелий, находясь в нормальном состоянии, находит другой выход. Он просто "отказывается" от части своего пространства с симметрией жидкого состояния, не получая ничего взамен. Он создаёт "дырку" в своём пространстве, где нет ничего: ни пространства, ни времени. И атомы гелия как-то там существуют, поскольку элементов другого, своего собственного пространства они не потеряли. Хоть они и продолжают существовать, состояние их оказывается принципиально неопределённым (хвала Гейзенбергу с его принципом неопределённости). Всё это выглядит фантастично, но мы вынуждены так поступать, если уж взялись рассматривать разные пространства с точки зрения квантов действия. Хотя, нужно признать, что идея "дырки" не нова: возбуждение электрона в полупроводнике и его переход в зону проводимости оставляет в валентной зоне пустое место - "дырку".

Тогда и отсутствие вязкости, и высокая теплопроводность гелия объясняется очень просто: в одной области пространства нормальный атом гелия попадает в "дырку", а в другой области, которая может располагаться очень далеко от первой, происходит обратное превращение атома гелия (уже другого, но поскольку они неотличимы, мы думаем, что перемещается один и тот же атом) снова в нормальное состояние. Это как в биллиарде: мы ударяем по первому шару в длинной цепочке шаров, а вылетает и продолжает движение последний. Термодинамика регулирует этот процесс. При неизменных условиях сколько атомов гелия превратилось в некое состояние, столько же их вернулось обратно. При этом температура гелия в сверхтекучем состоянии оказывается всегда меньше, чем в нормальном, и это наблюдается в эксперименте. В этом отношении теплового равновесия не существует, и это квантовый эффект. Только постоянная концентрации атомов гелия в разных состояниях поддерживается их динамическим поведением.

Думаю, то же самое происходит и со сверхпроводимостью. Но в таком состоянии не обязательно температура должна быть нулевой. Достаточно образования специального пространства (и это не обязательно будет "дырка"), в котором электроны в силу дискретности кванта действия не могут передать его стенкам канала, окружающим новое пространство, и вдоль которого они перемещаются под действием приложенного внешнего напряжения. Об этом мы уже немного писали в новогоднем поздравлении, где и были заданы вопросы. Но в некотором смысле пространство нового состояния электронов всё равно можно рассматривать как "дырку", "щель" или "трещину" в основном пространстве, окружающем электроны, когда температура становится ниже некоторого предела. В принципе, этому не нужно удивляться. Мы уже знаем случаи, когда при затвердевании жидкости (расплава) у образца в твёрдом состоянии образуются трещины, каверны при условии, что плотность вещества у него возрастает. Также не нужно удивляться пространственному разделению разных компонент, если жидкость представляет собой раствор. А ещё можно вспомнить кавитацию в жидкости, когда её локальная завихрённость становится настолько высокой, что достигается физический предел вращения, о котором мы говорили в первой части ответов на вопросы, и в жидкости происходит внутренний отрыв течения с образованием пузырька - "дырки". Считается, что полость пузырька заполнена молекулами пара жидкости, но, тем не менее, существование таких полостей никто не отрицает, и даже стараются их образование тщательно изучить, чтобы от них избавиться. Так как они наносят большой вред тем поверхностям предметов, которые эту кавитацию вызывают. Но борьба с кавитацией проходит с переменным успехом, поскольку не очень понятно, что это такое.



Ну, кажется всё. Надеюсь вам было интересно, хотя такой текст трудно читать. Трудно встать на необычную позицию автора, к тому же не являющуюся общепринятой. Но се ля ви, как говорят французы. Таков путь в неведомое.

Искренне ваш, Дулин Михаил.

Маска, кто вы? Ответы на новогодние загадки

Ну, вот наступил новый 2021 год, а значит, приходит время отвечать на вопросы-загадки, заданные в предыдущем сообщении в самый канун года уходящего.



Первым был вопрос: "Почему кристалл устойчив как целое и не распадается на отдельные атомы или молекулы?"

Этот "простой" вопрос учёные задают себе очень давно. Наверное, древние греки и средневековые алхимики, держа в руках кристалл - это красивое и волшебное творение природы, спрашивали себя, что это за неведомая сила находится внутри кристалла, способная создать такие совершенные формы, заставить свет играть всеми цветами радуги, сделать кристалл твёрдым и хрупким одновременно?

Тогда и сейчас ученые не сомневались и не сомневаются, что существуют какие-то силы, очень даже немаленькие, чтобы кристалл имел именно такую форму и твёрдость, как например у алмаза, недостижимую у других простых веществ при обычных температуре и давлении. Даже пространство внутри кристалла казалось необычным до такой степени, что их носили как амулеты, отгоняющие нечистую силу и приносящие счастье, а в прозрачные кристаллы вглядывались, чтобы увидеть или угадать свою судьбу.

[Spoiler (click to open)]

Сейчас учёные считают, что пространство у нас везде одно - электромагнитное, и в нём в соответствии с ограниченным набором кристаллографических групп упорядоченно располагаются атомы или молекулы, составляющие кристалл. Противоположных сил, которые удерживают атомы (ионы, молекулы) в узлах кристаллической решетки, всего две: одна не даёт им слишком близко приблизиться друг к другу, а другая, наоборот, удалиться. Физический смысл первой силы понятен: фермионы, из которых состоит электронная оболочка атомов, не могут "входить" друг в друга, как могут бозоны. А вот вторая сила... кажется загадочной. Мы знаем только одну силу, которая безусловно притягивает материальные частицы друг к другу - это сила гравитации, но она слишком слаба, чтобы так сильно притягивать атомы друг к другу, да и очень разную прочность кристаллов (на разрыв) объяснить этим тоже нельзя. Ещё мы знаем условное притяжение частиц с зарядом разного знака и намагниченных тел со стороны разных полюсов, а также притяжение друг к другу электрических диполей. Но это как-то работает для двух частиц. А вот когда они расположены в виде цепочки, то эффективно "работают" только крайние частицы в цепочке. Остальные не работают, для них электрические и магнитные силы уравновешиваются. Например, попытка объяснить в рамках классической физики тепловое расширение кристаллов ангармоническим (несимметричным) потенциалом, создаваемым силами притяжения и отталкивания в узлах кристаллической решетки, не увенчалась успехом. Возможное смещение центра колебаний в таком потенциале для любого атома бесконечной цепочки, оказывается, строго компенсируется противоположным смещением своих соседей. Получается строгий ноль, а в эксперименте кристаллы всё расширяются и расширяются. В некоторых современных учебниках об этом прискорбном результате пишут, а в некоторых, особенно старых, по-прежнему объясняют тепловое расширение ангармонизмом.

Надежда остаётся на квантовую механику, но и она не даёт вразумительного ответа. Единственное, на что там можно обратить внимание, это обменное взаимодействие электронов. Для тождественных частиц оно приводит к уменьшению их энергии в системе, а значит - к более тесному расположению и большему перекрытию волновых функций электронов. Но это слишком частный случай, чтобы объяснить существующее разнообразие кристаллов. Остаётся одно: самим объяснить устойчивое состояние кристаллов, исходя из того, что любое пространство состоит из дискретных элементов - квантов действия h, которые следуют принципу наименьшего действия. Но этот принцип нам придётся расширить от "минимального пути и времени" для траектории классической частицы до "плотной упаковки элементов одного пространства по отношению к другому, его окружающему". Тогда всё становится просто. Нейтральные атомы и молекулы собираются вместе потому, что по отдельности они возмущают окружающее пространство сильнее, чем пространство своих соседей, когда они вместе. Но такое бывает при не очень высоких температурах. С её повышением может получиться так, что возмущение соседей оказывается уже сильнее, и кристалл предпочитает превратиться в пар, проходя через или минуя жидкое состояние. Электроны тоже "не любят" чрезмерно возбуждать окружающее пространство, даже находясь внутри атома. Поэтому они переходят на незанятые места в незаполненных оболочках соседних атомов или хотя бы "объединяются" с соседними электронами, создавая совместное пространство или, как говорят, ковалентные связи. В металлах электроны внешних атомных оболочек создают даже общее пространство на весь кристалл, в котором могут относительно свободно перемещаться, делая кристалл проводящим. А при высоких температурах уже получаются отдельные атомы как у металлов, так и неметаллов, которые затем отделяются от атома, создавая состояние, называемое плазмой. Сначала частично ионизованной, а потом и полностью.

Этот вопрос был очень трудным, и я надеюсь, что не просто его объяснил, а объяснил верно.

Второй вопрос был в какой-то мере продолжением первого и касался того, что является критической величиной для фазового перехода жидкости в пар и перехода ламинарного течения жидкости в турбулентное?

Это тоже был, как вы понимаете, очень трудный вопрос. Но я так люблю своих читателей, что задаю, а потом стараюсь объяснить только трудные вопросы. Легкие вопросы мало чего стоят, это просто игра в угадайку. Хотя, тем кто внимательно читал посты прошлого года, я оставил один "ключик", назвав который, вы бы отгадали почти все загадки-вопросы. Этим "ключиком" были два слова "квант дейcтвия". Ну ладно, пошутили, а теперь ответ на второй вопрос.

Выше при ответе на первый вопрос я писал, что "с повышением температуры может получиться так, что возмущение своих соседей окажется сильнее, и атомы в кристалле предпочтут превратиться в пар". Пока температура достаточно низкая, атомы и молекулы в конденсированном состоянии - твёрдом или жидком - связаны с соседями тем, что разделяют с ними один общий квант действия. Не делят, а разделяют! Это очень важно, поскольку квант действия неделим, но может принадлежать нескольким частицам. Желающих узнать об этом побольше можно отослать к публикациям в научных журналах о целочисленном квантовом эффекте Холла. Довольно часто этот эффект упоминается и в моих кратких публикациях в этом Живом Журнале. Упоминания разбросаны, но их можно найти по поиску в журнале. Так вот, с повышением температуры некоторые из атомов или молекул вдруг, из-за флуктуаций становятся обладателем собственного одного кванта действия. Теперь их ничто не связывает со своими соседями, и они отправляются в свободное "газовое путешествие". Для жидкости этот процесс называется испарением, а для твёрдого тела - сублимацией. Когда температура становится настолько высокой, что достигает значения температуры плавления, каждая молекула в жидкости получает свой "личный" квант действия и уже не может существовать в прежнем конденсированном состоянии. Рубикон пройден, жидкость становится паром.

С переходом ламинарного течения жидкости в турбулентное дело обстоит сложнее, но там критической величиной тоже оказывается квант действия h. Сейчас ламинарное течение принято рассматривать как поступательное движение элементов или даже слоёв жидкой сплошной среды, которые движутся за счёт разницы в гидродинамическом давлении, и которые испытывают трение с соседними слоями из-за разницы в своих скоростях. При такой постановке вопроса турбулентное или вихревое течение жидкости не может возникнуть иначе, кроме как от возникновения некоторой (колебательной) неустойчивости в слоях жидкости. При таком подходе турбулентность возникает в решении некоторой ламинарной задачи, если оказывается, что малое возмущение, искусственно внесённое в течение, неограниченно растёт на фоне невозмущённой задачи. Критерием возникновения турбулентности становится некоторое критическое безразмерное число, характеризующее течение жидкости в целом, как единого состояния. Так, течение жидкости в трубе характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re = U*d/ν, являющимся отношением инерционных сил к силам вязкого трения, где U - средняя (по расходу) скорость жидкости, d - характерный поперечный размер трубы, ν - кинематическая вязкость. Хотя эксперименты показывают, что турбулентность в жидкости возникает на самом деле в некоторой локальной области - как правило, вблизи стенок трубы.

Наш взгляд на возникновение турбулентности принципиально отличается от существующего. Он основан, как уже можно догадаться, на кванте действия, как дискретном элементе возбуждённого состояния некоторого пространства, которое представляет собой в данном случае жидкое состояние. Современная наука рассматривает жидкость как неупорядоченное в целом плотное состояние атомов или молекул, которые, тем не менее, упорядочены локально в малой области, близкой по структуре к твердому телу, и которые могут совершать случайные прыжки из одной локальной области в другую. Такой подход очень близок к тому, что рассматривал Яков Френкель ещё в 1925 году. Мы тоже рассматриваем жидкость как пространство твёрдого тела, но к которому глобально при плавлении добавилось новое пространство, в котором вращательные движения стали свободными и перестали быть ограниченными размерами кристаллической решетки. Как мы уже писали выше при ответе на первую часть вопроса, в конденсированном состоянии "несколько атомов или молекул обладают одним общим квантом действия". Они же, совместно как целое, участвуют в обязательном вращательном движении, вызванном трением при ламинарном движении "слоёв" вязкой жидкости относительно друг друга. Хотя это вращение и не видимо глазом из-за их упорядоченного расположения. Только ненулевая циркуляция для малого элемента в слое указывает на вращение. Эти элементы вращаются до тех пор, пока на какой-нибудь атом или молекулу в этом элементе не придётся один квант действия в виде момента импульса h/2π. Если бы это происходило вблизи свободной поверхности, могла бы отделиться некая капля, или отдельные атом (молекула) могли бы перейти в пар, как описано выше. Но в трубе, вблизи её стенки перейти казалось бы некуда, но и вращаться частица быстрее h/2π не может. Это, мы полагаем, есть физический предел вращения одиночной частицы. Что же ей в такой ситуации делать? Ответ вам покажется фантастическим: частица одна или с соседями, все близкие к физическому пределу своего вращения, сообща отдают (или создают, если хотите) квант действия в ближайшую, менее напряженную область жидкости, где ещё нет таких жестких условий для течения. И где создаётся индивидуальный вихрь или множество вихрей рядом, которые сливаются друг с другом и распространяются по всему сечению трубы, вызывая турбулентность. Явление создания вихря как нового элемента пространства к уже имеющимся - это чисто квантовое явление. У него нет аналогов в классической физике. Поэтому нет ни одного шанса, что проблема турбулентности будет когда-нибудь решена в рамках старой парадигмы классической физики. Не верите? Тогда посмотрите, как происходит отрыв жидкости (или газа) на закруглённых поверхностях. Там отрыв тоже связан с достижением физического предела вращения. А вопрос рождения новых пространств в (сверх)критических условиях мы немного рассмотрим при ответе на четвёртый новогодний вопрос.



Что-то пост получается длинным. Давайте продолжим ответы на вопросы немного позже.