?

Log in

No account? Create an account

[sticky post] 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!
25 марта 2019 г. в 10:50 в 417 ауд. Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН на 680-ом заседании семинара состоится следующий доклад:

М.Н. Дулин.
"О дискретных моделях физических пространств".
на итальянском острове Сан-Серволо встретились на одной из конференций по квантовой электродинамике в начале 2000-х, чтобы обсудить такую проблему, как измерение радиуса протона. Правда, сумасшедший дом был уже давно закрыт, а здание переоборудовано на современный манер, но сумасшедшие идеи все равно приходили в головы физиков. Так начинается статья Яна Бернауэра и Поля Рандольфа "Проблема радиуса протона", опубликованная в журнале "В мире науки", 2014, №4, с.4, посмотреть которую можно по ссылке http://spkurdyumov.ru/uploads/2014/04/problema_radiusa_protona.pdf .

В этот раз сумсшедшая идея пришла в голову Полю Рандольфу, который решил, что использование "мюонного" водорода, где вместо электрона находится его тяжелый собрат - мюон, будет хорошим способом, чтобы по излучению света при переходе мюона с возбужденого уровня 2p на уровень 2s измерить лэмбовский сдвиг уроовня 2s и, тем самым, определить радиус протона. А Ян Бернауэр, в свою очередь, попробует более точно измерить радиус протона путем рассеяния на нём (в условиях газообразного водорода) электронов под малыми углами, Так, чтобы как можно точнее измерить полное сечение рассеяния.

Вот тут у меня первый раз закрались сомнения по поводу здравомыслия современных физиков. В молодости я много лет провёл, исследуя оптические свойства металлических наночастиц, и прекрасно знаю, что классическая оптика однозначно говорит, что полное сечение рассеяния света такими частицами НАМНОГО ПРЕВЫШАЕТ их геометрическое сечение (площадь). А тут полагать, что разные сечения СОВПАДУТ для сугубо квантовой частицы - протона? Второй раз я засомневался по поводу интерпретации лэмбовского сдвига. По современным представлениям этот сдвиг вызван двумя причинами. Одна - это взаимодействие электрона с ФЛУКТУАЦИЯМИ ВАКУУМА, а другая - с тем, что s-состояние электрона в атоме имеет нулевой орбитальный момент, и его волновая функция имеет НЕНУЛЕВОЕ значение ВНУТРИ протона. От такой интерпретации самому можно сойти с ума. Ну, какие могут быть флуктуации вакуума, которые никто не видел, и даже не известно, что такое есть сам вакуум? А волновая функция, не имеющая физического смысла из-за ненулевой плотности заряда электрона в ядре - протоне? К счастью, автор имеет несколько другие представления о пространстве и физическом смысле волновой функции, которые он не один раз уже озвучивал в этом блоге. И это спасает его от окончательного помешательства.

Как всегда спасает положение то, что атом водорода устроен так, что его ядро отвечает ОДИНАКОВО на рассеяние внешнего электрона и на "движение" в нём электрона внутреннего. Поэтому до сих пор "размер" протона в атоме водорода оказывался ОДИНАКОВЫМ при измерении методом рассеяния и спектроскопическим методом. Но не в случае с "мюонным" водородом!

Работа Поля Рандольфа и его команды представляла собой захватывающий триллер. Несколько лет они настраивали свою спектроскопическую установку, чтобы в подходящий момент использовать "окно" в работе соседнего ускорителя и запустить мюоны в газообразный водород, чтобы часть мюонов заместила электроны и образовала экзотические атомы. Но они в самом начале допустили одну большую ошибку. Они предполагали, что радиус протона окажется таким же, что и раньше, только измерения будут точнее. Поэтому заранее настроили свой лазер, возбуждающий переход мюона с уровня 1s на уровень 2p, на ожидаемую длину волны, а не на ту, которая оказалась в реальности! И чуть не погубили весь многолетний эксперимент. Их спасла случайность. Оставалась только одна неделя до закрытия проекта, когда самый здравомыслящий из из группы Альдо Антоньини предложил перенастроить установку на МЕНЬШИЙ радиус протона. И они победили! В этом эксперименте "радиус" протона действительно оказался меньше.

Но тогда в шоке оказалось остальное сообщество, следившее за их экспериментом. Как это можно объяснить? Какая новая физика может скрываться за этим результатом? Так и не догадавшись в чём дело в год выпуска этой статьи авторы решили поставить эксперимент так, чтобы рассеяние на "мюонном" водороде также осуществить мюонами.

Я не знаю, чем закончился и закончился ли этот эксперимент, но именно это решение было самым здравомыслящим из всех, приходивших в головы экспериментаторов! Я уверен, что, если этот эксперимент всё-таки был осуществлен, то он покажет точно ТАКОЙ же результат, что и спектроскопический. А значит, радиуса протона как такового НЕ СУЩЕСТВУЕТ. Его радиус обязательно будет РАЗНЫМ в РАЗНЫХ условиях эксперимента. Почему это так, и что определяет метрический масштаб электромагнитного пространства - об этом я расскажу как-нибудь в следующий раз.

Искренне Ваш, Дулин Михаил.
Евгений Рудный себя в журнале https://evgeniirudnyi.livejournal.com/200069.html предлагает нам познакомиться с замечательным физиком Мартином
Лопесом Корредойром.



Вот только некоторые цитаты из его книги "Сумерки эпохи науки" (The Twilight of the Scientific Age), которые мне особенно понравились и запали в душу:

"Наука не является исключением: она делается людьми, чьи мотивации определяются другими факторами нежели просто стремлением к знаниям. Мы не машины и мы не боги; мы просто животные, очень своеобразные животные, которые очень умные и любопытные. Мы приводим научные учреждения в движение, но мы подвержены множеству внешних и внутренних влияний."

"В не очень отдаленном будущем общества, втянутые в множество проблем, связанных с выживанием, могут начать рассматривать исследования как занятия, не приносящие дохода, и поэтому могут отказаться от исследований в области чистой науки."

"Наука признана обществом и в настоящее время это один из центров власти, который дергает за ниточки, управляющие обществом. Это новая церковь. Философы много раз сравнивали науку с религией. Я не думаю, что такое сравнение правильное. Наука — это деятельность, очень отличная от религии. В основах концепций науки лежит эмпирический базис и это далеко выходит за пределы веры в религии. Тем не менее, с точки зрения социологии при рассмотрении только социальной организации действительно можно увидеть определенное сходство."

"Индивидуальная креативность приговорена к исчезновению в пользу большой корпорации администраторов и политиков-ученых, которые ищут пути получения денег от государств на мегапроекты с возрастающей ценой и уменьшающимися результатами."

"Конец науки будет означать конец современной европейской культуры, сумерки эпохи, начатой в Европе где-то в пятнадцатом веке, и которая в настоящее время распространилась на весь мир: эпоха науки."
Недавно в Институте полупроводников СО РАН, Новосибирск прошел семинар, на котором профессор А. Гайнер рассказывал, как он это себе представляет, о существующих проблемах квантовой механики, и почему измерения чего-либо в природе носят классический характер. Выступление именно здесь было ещё и потому, что Александр был в далёких 60-х одним из первых выпускников Физ. Мат. Школы, окончил НГУ и долго работал в Академгородке. Сейчас он преподаёт в одном из университетов Бразилии и может позволить себе задуматься о фундаментальных проблемах физики.

Совсем не просто публично заявить о недостатках квантовой механики. Которая представляет собой концепцию устоявшихся представлений о природе и имеет математический аппарат, единственный в состоянии получать более-менее правильные результаты по расчету квантовых свойств исследуемых объектов. Непросто об этом говорить, но приходится. Дело в том, что квантовая механика в лице своего представителя - волнового уравнения Шрёдингера - ОБРАТИМА ПО ВРЕМЕНИ, полностью унаследовав это свойство от механики классической. А в процессе ИЗМЕРЕНИЯ вероятностные свойства, приписываемые системе до измерения, становятся уже определёнными и полностью меняют состояние системы и применяемую для её описания волновую функцию. Вот этого СКАЧКА и его ПРИЧИНЫ как раз и нет в обратимой по времени квантовой механике.

Как тогда быть? Как объяснить и описать процесс измерения? И как, вообще, объяснить наблюдаемое нами КЛАССИЧЕСКОЕ поведение объектов, состоящих, хоть и из большого числа, но всё же КВАНТОВЫХ атомов и молекул? Это большая проблема, над которой долгое время "бьются" учёные, но ничего пока сделать не могут. (Как, впрочем, и над проблемой описания неравновесных и необратимых процессов с помощью обратимых по времени уравнений классической механики.)

Многие физики понимают, что сложившиеся представления и аппарат квантовой механики лучше не трогать. А "центр тяжести" проблемы перенести на описание самого прибора или даже - нашего СОЗНАНИЯ, с помощью которого мы понимаем, что измерение произведено и каков его результат. Но совсем не трогать квантовую механику не получается. Ещё со времён Эйнштейна многие считали, что "Бог не играет в кости", и квантовая механика в том виде, как её создали Гейзенберг и Шрёдингер, неполна и требует изменений. Сам А. Гайнер пришёл к выводу, что в уравнении Шрёдингера должна рассматриваться не комплекснозначная волновая функция, а её модуль. И что квантовые состояния должны описываться вещественнозначной волной, подобно волне на поверхности воды в ветреную погоду. Тогда в самой квантовой механике, по его мнению, не останется случайности, противником которой был Эйнштейн, и вся случайность измерения будет осуществляться исключительно прибором!

На этом месте я хочу остановиться и не развивать дальше точку зрения, предложенную Александром для "улучшения" квантовой механики. Тем более, что я с ней категорически не согласен. Почему не согласен, я напишу ниже, а пока продолжу о том, как Гайнер представляет "случайность" внутри прибора, и почему коллектив из большого числа атомов или молекул ведёт себя классически при обычных комнатных температурах.

По Гайнеру "случайность" в приборах, если я правильно понял, обусловлена взаимодействием измеряющего элемента с фактически классической волной, присущей измеряемой системе. При этом, от квантовой механики как-бы ничего не остаётся: мы измеряем некую локальную характеристику "волны", которая нам ничего не скажет, пока мы не получим или ансамбль измерений на "идентичных" системах, или набор результатов, сделанных в разное время для одной и той же системы. Вот такая вот попытка сведения квантовой механики к классической волновой. Не первая и не последняя.

А вот, как происходит локализация волновой функции по Гайнеру для квантовой частицы в большом коллективе себе подобных, но не идентичных частиц. Многие и Александр, в том числе, считают, что "волновой пакет", которым характеризуется отдельная частица, расплывается по времени, будучи взятым в уравнении Шрёдингера в качестве начального условия. (Вот из-за этого "расплывания" многие ученые и я, в том числе, категорически не могут принять формулировку "волнового пакета" как характеристики свободной частицы.) Но столкновения с окружающими частицами волею докладчика приравниваются к взаимодействию с измеряющим прибором, и тогда волновая функция рассматриваемой частицы вновь локализуется, но уже в другое состояние. Такой вот незамысловатый процесс редукции волновой функции, и причина классического поведения больших ансамблей частиц. И вот почему существующую квантовую механику необходимо дополнить классической концепцией "измеряющего прибора"!


А теперь - как всё происходит на самом деле. На протяжении многих страниц этого блога я пишу о том, что окружающий нас мир ДИСКРЕТЕН не потому, что в материальном мире существует дуализм частица-волна, и эта волна обязана обладать собственными состояниями и собственными значениями энергии, будучи ограниченной теми или иными "стенками". А потому, что любые взаимодействия в этом мире сопровождаются передачей или обменом ЦЕЛЫМ числом квантов ДЕЙСТВИЯ. Тех самых, которые открыл Планк в начале прошлого века, и которые носят теперь его имя. Не ЭНЕРГИИ, не ИМПУЛЬСА, перенос которых тоже осуществляются дискретно, а, именно, ДЕЙСТВИЯ! Потому, как квант действия всегда ПОСТОЯНЕН, а кванты энергии и импульса могут быть СКОЛЬ УГОДНО МАЛЫМИ. Только постоянство кванта действия сможет объяснить нам многие КРИТИЧЕСКИЕ явления, такие как ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, ОТРЫВ ПОТОКА и ТУРБУЛЕНТНОСТЬ в гидродинамике, дискретность давно известных нам ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ или модного сейчас СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ в связи с началом работы в нашей стране над проектами mega-science,

Нужно вспомнить, что в начале прошлого века были предложены всё-таки ДВА разных подхода к описанию наблюдаемых квантовых явлений. Один - Гейзенбергом с именем матричная механика, а другой Шрёдингером с именем волновая. Многие пришли к выводу, что обе механики идентичны, но это не совсем так. Они оказались идентичными в некотором формализованном операторном представлении, но их источник, их основания были разными. Механика Гейзенберга показывала, что переход между двумя состояниями, какими бы сложными оно не были, всегда сопровождается изменением ровно на ОДИН квант действия. А за сложность состояний мы платим их описанием в виде (бесконечных) рядов, соотношение между которыми устанавливает численная МАТРИЦА. Ещё ДИРАК подчеркивал принципиальную важность ДВУХ ЧИСЕЛ (двух рядов), для описания изменения состояния квантовой системы. В волновой механике Шрёдингера этого нет, там - совсем другое. Основным в ней является не ПЕРЕХОД, как у Гейзенберга, а СОСТОЯНИЕ. Это всё-таки ОДНО ЧИСЛО, если выражаться словами Дирака. Или МНОГО, если рассматривать набор всевозможных состояний. У Шрёдингера состояние описывается некой волновой функцией, изменение которой и описывается уравнением его имени. Это потом ей придумали интерпретацию в виде "плотности вероятности", а по существу она является ОБОБЩЁННОЙ ФУНКЦИЕЙ, теория которых была разработана математиками в функциональном анализе. Особенность обобщённой функции (функция Дирака - хороший пример) заключается в том, что для такой функции не имеют смысла её конкретные значения в данный момент времени или в данной точке пространства. Физический смысл имеют только её ИНТЕГРАЛЬНЫЕ значения по некоторой области изменения переменных. А именно, её значения через интервалы, в точности равные целому числу квантов действия! Такая особенность и определяет близость (если не тождественность) описания процессов с помощью волновой функции и матрицы Гейзенберга.

Теперь можно утверждать, что никакой "случайности" не содержится в волновой функции. Её там просто нет. "Случайность" в природе существует совсем по другой причине. В этом блоге можно найти несколько сообщений, в которых так или иначе мы обращаем ваше внимание на квантовый эффект Холла. Целочисленный и дробный. Я не буду их сейчас подробно описывать, это заняло бы очень много места и времени. Озвучу лишь основной вывод: квант действия, который мы передаём системе извне, например, при нагревании распределяется в ней многими способами. Он может быть передан одному структурному элементу в системе, двум, трём или всем элементам. (Причём, мы принципиально не можем определить частное состояние элементов, обладающих одним "общим" квантом.) В термодинамическом смысле распределение каждого кванта будет равнозначным для системы, и все они в равновесии будут иметь равные вероятности. В упомянутом выше квантовом эффекте Холла кванты действия распределяются немного иначе, но это потому, что квазидвумерная система электронов во внешнем постоянном магнитном поле является неравновесной (хоть и устойчивой в механическом смысле). Там кванты действия распределяются так: в слабых полях квант действия, равный произведению заряда электрона на квант магнитного потока, распределён по очень многим электронам. Они хоть и объединены одним "общим" квантом, но в силу их многочисленности могут немного изменять свои энергию и импульс, взаимодействуя с собой и окружающей решеткой твёрдого тела. В общем, их поведение выглядит довольно классическим. Другое дело - сильные магнитные поля. Там каждый квант действия соответствует только одному электрону, или только двум, трём электронам - в менее сильных полях. Бывают и промежуточные состояния, когда, например, два кванта действия соответствуют ровно трём электронам одинаково по всей двумерной поверхности образца. Но такие случаи, хоть и видны, но имеют гораздо менее выраженный характер на графике зависимости холловского сопротивления от величины магнитного поля.

То есть, как происходит взаимодействие квантовой системы с классическим прибором? Пусть квантовая система передала прибору один квант действия. Из чисто термодинамических соображений этот квант имеет возможность распределиться по атомам измеряющего элемента прибора очень многими способами. Его выбор тоже будет термодинамическим: будет реализовано то состояние, которое из-за существующих динамических флуктуаций атомов прибора имеет в данный момент наименьшую вероятность. Квант действия не определяет сам все возможные вероятности. Он просто встраивается в систему как единое целое со всеми остальными уже присутствующими квантами, исходя из могучего ПРИНЦИПА НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ. Основного принципа, которым руководствуется Природа при учёте взаимодействия выделенных систем со своим окружением. Этот принцип хорошо известен нам из классической механики в виде принципа Лагранжа, определяющего траекторию частицы, исходя из минимума интегрального действия вдоль её траектории. Так возникает некоторая случайность в отклике прибора на произведённое измерение.

Осталось ответить на вопрос, почему система из многих частиц ведёт себя классически, если её температура достаточно далека от абсолютного нуля. Ответ можно найти при рассмотрении описанного выше процесса передачи кванта действия от одной системы к другой. Сама передача одного кванта системе, состоящей из большого числа атомов, равносильна тому, что приобретённая системой энергия и импульс окажется обратно пропорциональной полному числу в ней атомов. То есть, будет очень маленькой, а последовательная передача многих квантов будет выглядеть как НЕПРЕРЫВНЫЙ процесс. В отличие от передачи одного кванта действия между системами, состоящими из очень малого числа частиц. Там изменения энергии и импульса будут обязательно дискретными и достаточно большими. То есть, квантовыми.

Таким образом, для описания Природы не нужен никакой коллапс волновой функции. Да и сама волновая функция была бы не нужна, если бы не нужда в вычислениях так необходимых для нас свойств исследуемых квантовых систем.

Надеюсь, Вам было интересно.
Искренне Ваш, Дулин Михаил.
Известного блогера ivanov_petrov спросили (https://ivanov-petrov.livejournal.com/2170198.html): "Как вы успеваете все это находить. Было бы интересно послушать про ваш алгоритм поиска информации".

И вот какой ответ получили: "Способ всем известный - по цитатам и отзывам ищу литературу и читаю. Для такого способа - метод "грибных мест" - надо иметь мощные фильтры, иначе погибнешь под завалами литературы. Обычно кто так пытается действовать, быстро остается далеко позади - у него очереди на 10 лет вперед, и всё. У меня фильтры - рекомендации от тех, в ком убедился, ссылки из признанных достойными книг, соображения популярности и моды мало влияют. Стараюсь не сканировать книгу, а читать с пониманием - это экономит время. Потому что множество книг на 30-50 странице проявляют свою никчемность и я их закрываю - в том числе и книги знаменитостей. Ясно же, что в Жж я говорю о едва одной из 100 прочитанных книг и одной из 1000 статей. Когда улавливаешь мысль автора и понимаешь зерно его рассуждений, вся книга читается очень легко и быстро - потому что вместо нескончаемых страниц, забитых невнятными подробностями, я вижу ясную схему - вот его мысль (в ней дай боже три страницы), вот аргументация от такого возражения, вот подкрепление на этот случай, вот полемика с тем авторитетом - все это второстепенно и не требует такого внимательного чтения."

Выводы делайте сами, дорогие читатели.
Вы не представляете, как я рад своим читателям.
Уж как они ругали меня в комментариях, а я рад.

deep_econom и celen_me указывали на ошибку в постановке задачи,
pyka_npu3paka и снова celen_me журили меня в излишней простоте задачи, годной только для студентов матфака, а я всё равно рад.
Только мудрый evgeniirudnyi поддержал меня, указав на работу прекрасного математика: Galperin G. A., Playing pool with π (the number π from a billiard point of view), Regular and Chaotic Dynamics, 2003, vol. 8, no. 4, pp. 375-394.

Дело в том, что меня мало интересовала правильность представленного решения. Хотя и остаюсь при мнении, что решение правильное, а условие задачи - неточное. Меня интересовал вопрос: "Откуда берётся число π, если никаких вращений в задаче не предусматривается? Только - линейное движение и зеркальное отражение." И вот что получилось.

celen_me представил уравнения сохранения энергии и импульса
p[n+1]^2 + a*q[n+1]^2 = p[n]^2 + a*q[n]^2
p[n+1] + q[n+1] = p[n] - q[n]
для шаров с соотношением масс a = M/m иначе, использовав замену переменных:
x = p
y = q*sqrt(a)
и
cos(fi) = (a-1)/(a+1)
sin(fi) = 2*sqrt(a)/(a+1),
где fi - новый параметр задачи, означающий поворот векторов x и y на угол fi. При этом
cos(fi)^2+sin(fi)^2 = 1.

Вот где возникает вращение! Отношения масс задают угол, а два закона сохранения (энергии и импульса) - возможность вращения, но в другой системе координат! Но мы ведь знаем, что закон сохранения энергии связан с однородностью времени, а закон сохранения импульса - однородностью пространства. Так при чём здесь вращение?

Для меня всё выше сказанное означает подтверждение гипотезы о том, что всё в природе состоит из квантов действия, которые по размерности являются моментом импульса и поэтому изначально допускают вращение. И Время, и Пространство, и Законы сохранения таковы потому, что окружающее нас электромагнитное пространство состоит из одинаковых квантов действия h, заполняющих его плотно и равномерно. А однородность Времени дополнительно определяется постоянством скорости света c и нулевой массой фотонов. Что выражается в линейном законе дисперсии фотонов: E=pc.

А вы говорите простая задачка... Вот почему я всё ещё рад.

И снова о числе "пи"

Недавно в Институте математики, Новосибирск проходил семинар, на котором в качестве "лирического отступления" рассказали об одном удивительном результате, касающегося числа "пи". Вернее, о последовательности цифр при записи числа "пи" в десятеричной системе исчисления.

Требуется небольшой рисунок, но при отсутствии подходящего графического пакета и умения с ним работать, попробую изобразить его в одной строке при помощи трёх символов: | o O.

| - это (абсолютно) упругая стенка;
о - маленький (абсолютно) упругий шарик;
О - большой (абсолютно) упругий шарик.

Условия задачи: все три объекта расположены на горизонтальной поверхности без трения.
Стенка | прочно закреплена, маленький шарик о покоится, большой шарик О на него налетает (лобовой удар в одномерной задаче). Скорость большого шарика не имеет значения, важно отношение масс большого шарика к малому M/m.
Вопрос: сколько раз ударится маленький шарик о стенку, пока не заставит большой шарик двигаться в обратном направлении (от стенки)?
Чтобы не мучить читателей, сразу перейду к ответу, который со слов докладчика был получен при решении задачи путём численного моделирования. А поломать голову вы ещё успеете.
Ответ будет зависеть от отношения M/m следующим образом.

M/m = 10, число столкновений = 3;
M/m = 100, число столкновений = 31;
M/m = 1000, число столкновений = 314;
M/m = 10^4, число столкновений = 3141;
M/m = 10^5, число столкновений = 31415;
M/m = 10^6, число столкновений = 314159;
M/m = 10^7, число столкновений = 3141592;
...
M/m = 10^n, число столкновений состоит из n цифр, последовательность которых точно повторяет n значащих цифр числа "пи".

Как такое может быть? Мы знаем, как получить число "пи" из отношения длины окружности к её диаметру путём замены окружности периметром правильного вписанного или описанного многогранника при "бесконечном" увеличении его сторон. Но чтобы величина числа "пи" зависела от числа ударов маленького шарика о стенку, да ещё в десятеричной системе, такое просто не укладывается в голове. Как может универсальное число, можно сказать, мировая константа зависеть от "произвольного" выбора экспериментатором двух шариков, да ещё от "произвольного" способа записи полученного числа соударений, - вопрос, который не даёт спокойно спать. Может, мы чего-то не знаем о законах природы? Или о самой математике?
Конечно, - привести его в контакт с более горячим телом, или обеспечить перенос энергии к нему каким-либо другим способом. Так говорит нам школьная физика, да и взрослая - тоже. Но каков механизм переноса, и что происходит при этом с нагреваемым телом? Существующая классическая концепция молекулярно-кинетического состояния вещества расскажет нам, что при нагревании атомы и молекулы движутся всё быстрее, вращаются сильнее и колеблются интенсивнее. А при радиационном переносе энергии фотоны, хоть и движутся с одинаковой скоростью, но их становится всё больше и больше, и они обладают большей энергией. Но попробуйте спросить, что такое фотон, что такое электрон, каковы их размеры и размер атомов в газе, вам будет нелегко найти черную кошку в тёмной комнате, особенно когда её там нет ответы на такие простые вопросы.

Написать этот пост неожиданно заставила заметка (https://ss69100.livejournal.com/4229019.html), а вернее - приведённый там комментарий с буквально следующими словами: "На солнце происходят явления, которые начали полностью изменять жизнь на нашей планете. В атомах водорода начала выгорать оболочка 3-го слоя. Шестой по счету слой получается, если считать от 8-го наружного слоя. Разница в уровнях энергий с предыдущим 4-ым слоем примерно 20 МэВ. Т.е. на землю уже!!! начали поступать более высокоэнергетические (высокочастотные) кванты!"

Ужас, ужас! Какой кошмар! Энергетические оболочки вокруг протона, то бишь атома водорода! - Чушь конечно. Поэтому появилось желание написать возражение на то, что "внутри Солнца водород излучает всё более коротковолновые фотоны со своего 3-его электронного уровня, вместо первоначально 8-го". Но мысль о наличии нескольких "энергетических" оболочек вокруг протона в плазме, тем не менее, не давала покоя. И вот что подумалось.

Я уже писал в этом блоге (https://vida-louca.livejournal.com/20500.html) о том, что происходит с дискретным пространством в сжимаемом и, следовательно, нагревающемся газе, для простоты - одноатомном. То, что происходит в пространстве твёрдого тела (https://vida-louca.livejournal.com/15863.html) или в пространстве, занимаемом жидкостью (https://vida-louca.livejournal.com/16066.html), я тоже себе представляю. Даже представляю, с чем связано испарение атомов или молекул, какие особенности существуют при их конденсации. А вот что происходит с газом дальше при нагревании, как образуется частично ионизованная или полностью ионизованная плазма, я раньше не думал. И вот понимание того, что газ отличается от жидкости и тем более - от твёрдого тела тем, что каждая его молекула обладает одним целым квантом действия h (известным как постоянная Планка), общим с тем же квантом h окружающего электромагнитного пространства, пришло впервые. И это даёт очень специфическую картину нагрева газа. Хотя электронная подсистема при этом продолжает использовать внешние кванты от нагревателя на увеличение своего подпространства.

Получается, что число квантов действия h или число занимаемых "ячеек" в окружающем пространстве точно равно N - числу атомов или молекул газа. И оно не меняется в процессе нагрева. Полная величина действия, если не учитывать электронную подсистему, как-будто бы сохраняется, но энергия и температура газа, тем не менее, увеличивается. Как это может быть? А вот как: квант действия представляет собой двухпараметрический объект (https://vida-louca.livejournal.com/18411.html). Что-то вроде прямоугольника равной площади при возможном изменении его сторон. То есть квант действия представляет собой или произведение характерной энергии на характерное время Et, или - произведение характерного импульса на характерный пространственный масштаб px. Здесь можно вспомнить об аналогичном соотношении неопределённости Гейзенберга и сразу забыть, когда по отдельности величины E и t, также как p и x в квантовой механике не могут быть определены в принципе. И вот при нагреве от внешнего источника (теплового бассейна) мы просто "заменяем" одни кванты действия, принадлежащие атомам, на другие. С большей характерной энергией (меньшим временем) и большим характерным импульсом (меньшим масштабом, занимаемым самим атомом/молекулой). Тем самым увеличивая полную энергию и давление в газе в полном соответствии с классической термодинамикой. У атомов есть ещё своё подпространство электронных оболочек, о которых было написано (https://vida-louca.livejournal.com/20500.html) и (https://vida-louca.livejournal.com/15863.html), и которое проявляет себя в неидеальном поведении газа. Это электронное подпространство продолжает приобретать дополнительные кванты действия при нагреве, и немного увеличивается в размерах точно также, как оно вело себя раньше при нагреве твёрдого и жидкого состояния. Пока газ остаётся газом, это расширение можно не учитывать, поскольку оно оказывается малым или несущественным при рассмотрении тепловых свойств газа. Но оно будет принципиально влиять на переход газа в состояние плазмы.

Раньше я думал, что при нагреве газа, жидкости, твёрдого тела всё происходит примерно одинаковым образом. Каждый квант действия, переданный извне (тепловым бассейном), распределяется среди ВСЕХ N элементов нагреваемой системы так, как это происходит в целочисленном квантовом эффекте Холла (https://vida-louca.livejournal.com/19471.html). Кстати, этот эффект - прекрасный экспериментальный результат, заслуженно получивший Нобелевскую премию, но незаслуженно объяснённый через дискретные уровни Ландау. Или по альтернативному сценарию - каждому атому добавляется второй квант действия, потом третий и так далее, как это происходит с дробным квантовым эффектом Холла (https://vida-louca.livejournal.com/19471.html), тоже получившим свою Нобелевскую премию и опять объяснённым неправильно. Но оказывается, нагрев газа обладает своей собственной спецификой, описанной выше.

Когда же нагрев газа приведёт к тому, что "размер" атома сравняется с "размером" потихоньку увеличивающегося пространства "электронных оболочек", тогда наступит критический момент (критическое явление). "Выступающее наружу" пространство электронов (фермионное, в отличие от бозонного фотонов) будет ВЫНУЖДЕНО занять дополнительно один квант действия окружающего пространства. То есть, один электрон станет собственником одной "ячейки" пространства, а однократно ионизованный атом станет обладателем другой! Ну и так далее: двукратным, трёхкратным и больше ионизованным, а что будет совсем далеко - я ещё не думал.

Чуть не забыл то, с чего начал. Вот оказавшиеся "свободными" электроны в плазме как раз могут "надевать" на себя несколько целых квантов действия, как это действительно происходит с ними в условиях дробного квантового эффекта Холла в очень сильных магнитных полях. То есть, иметь те самые "энергетические оболочки", которые в начале этой записи я назвал ЧУШЬЮ. Как в той поговорке: "Сказка ложь, да в ней намёк - добрым молодцам урок".

Искренне ваш - Дулин Михаил.
Сейчас в Новосибирске проходит конференция по горению топлива. Казалось бы, ну что можно обсуждать на конференции по горению?

Конечно, это практические применения: горелочные устройства различного типа; эффективность и экологичность сгорания различных топлив; перспективы их применения в тех или иных технологических процессах. Это автомобильные, самолётные и ракетные двигатели. Это газовые турбины и топочные котлы различного назначения, которые приносят электричество и тепло в наш дом.

Но не только. А много ли мы знаем, что такое горение? Какие химические реакции участвуют в этом процессе и каков, собственно, их механизм? Что нового мы можем здесь узнать?

Школьники, студенты, молодые и не очень учёные скажут, что молекулярно-кинетические представления позволяют сказать почти всё об участниках реакций и даже записать соответствующие уравнения для скоростей их реакций. Например, знаменитое уравнение Аррениуса, в котором скорость реакции экспоненциально зависит от обратной температуры (1/Т). Чем выше температура Т, тем легче электронам преодолеть некий энергетический барьер Е при столкновении реагирующих молекул и образовать новые молекулы, которые и являются продуктами реакции.

Но так ли всё происходит на самом деле? Именно так, особенно для низкомолекулярных разреженных газов и при высоких температурах. Но не всегда. Как рассказал нам на пленарном докладе Олег Пенязьков, академик Национальной академии наук Беларуси, модельная установка по сжатию горючих газов (водород, метан) в круглой трубе показала аномально большую задержку воспламенения газа при малых начальных температурах. Мало того, что получались сильные отклонения от закона Аррениуса, так эти отклонения имели большой случайный разброс от среднего значения при одних и тех же начальных условиях в эксперименте. Ну, никакого разумного объяснения! Ни очистка газа, ни полировка трубы - ничего не помогало. Пока не сделали торец трубы прозрачным и не поставили туда скоростную видеокамеру. И что же? Взору предстала замечательная картина: в случайном месте по сечению трубы, в разные моменты времени вспыхивала звёздочка - точка, от которой воспламенялось всё пространство трубы, занятое газом. Как будто вспышка сверхновой звезды в космическом пространстве.

Так что же происходило на самом деле? Почему газ так долго не воспламенялся, несмотря на сильную степень сжатия? И почему это происходило именно при низких начальных температурах газа? Оказалось, звёздочка загоралась от одной из случайных пылевых частиц, которые оставались в газе даже после его тщательной очистки. Это удалось выяснить после специального засевания газа посторонними частицами, которые теперь уже позволяли контролировать процесс воспламенения.

Теперь уже не оставалось сомнений, что посторонняя частица выступает в роли катализатора процесса зажигания. Но почему? Какую помощь оказывает в общем то "мусорная" частица процессу переноса электронов?

И тут самое время вспомнить про старую, добрую камеру Вильсона, послужившую многим учёным, исследовавших треки, образовавшиеся из сконденсировавшегося пара после пролёта через него заряженных частиц, например - электрона. Процессы конденсации пересыщенного пара и зажигания газовой смеси оказываются настолько похожи, что заставляют думать о них как о метастабильном состоянии, готовом совершить фазовый переход, но не готовом передать окружающей среде избыточную энергию в первом случае и передать энергию электронам в готовых прореагировать атомах - во втором.

Так с какими фундаментальными для природы вещами мы столкнулись на этот раз? Ни для кого не секрет, что мы не умеем описывать или описываем плохо фазовые переходы как таковые. Из первых принципов, с микроскопической точки зрения. Фактически, единственное, что у нас есть - это знания о молекулярном строении вещества и очень грубые предположения об их взаимодействии. Силовом взаимодействии посредством некоторого потенциала, которого никто не видел, то есть
не измерял прямым способом. Причем потенциала с упрощенным попарным взаимодействием, который сразу "отметает" любые случаи нелокального взаимодействия. Мне могут возразить, что давно существует классический метод описания гомогенной конденсации пара, который с привлечением понятия поверхностного натяжения позволяет проводить некоторые расчёты скорости конденсации, которые иногда оказываются приемлемыми. Вот именно иногда, а иногда отличающимися на много порядков. Да и квантово-механические расчёты попарного взаимодействия иногда удаются - здесь мне напомнят профессора Оганова из Сколково - но удаются только при температуре абсолютного нуля и при правильном выборе базиса волновых функций.

Но мы что-то отвлеклись на бесполезную критику, поскольку всё равно ничего лучшего для расчетов никто ещё не придумал. Давайте вернёмся к экспериментам Олега Пенязькова и подумаем как его "маленькое" открытие может превратиться в "большую" ступеньку на пути познания природы. Я имею в виду понимание того, что собой представляет физическое пространство, каким оно бывает, и что с ним происходит во время химических реакций.

Почему-то никто не задумывается над тем, что собой представляют электроны, окружающие атом, в каком пространстве они находятся. По умолчанию предполагается, что они как-то движутся в "обычном" трёхмерном пространстве, так удобном - как писал Пуанкаре - для распространения электромагнитных волн. Взаимодействуют между собой и ядром за счёт кулоновского потенциала, но при этом вынуждены подчиняться квантовым правилам, налагаемым на их энергию, орбитальный момент и спин. В таком представлении электроны не могут участвовать в тепловых процессах испарения-конденсации, поскольку их энергии перехода с уровня на уровень неизмеримо больше характерных тепловых энергий. И только для электронов незаполненных внешних оболочек допускается возможность "подбарьерного" перехода в процессе химической реакции.

Всё изменится, если предположить пространство "электронных оболочек" и окружающее трёхмерное "электромагнитное" пространство разными. Разными по составу (их элементы фермионы или бозоны), обладающими разной симметрией, разной скоростью возбуждения, но термодинамически вынужденными взаимодействовать друг с другом. Тогда в экспериментах Пенязькова задержка воспламенения будет связана с тем, что после быстрого сжатия газа пространство электронной подсистемы в атомах осталась "замороженным" при начальной низкой температуре так, что высокой энергии молекул газа требуется время, чтобы "нагреть" электроны или "заполнить" электронное подпространство. И уже в "заполненных" электронных подпространствах осуществить перенос электрона, необходимый для реакции горения. Присутствие пылевой частицы как катализатора благоприятно тем, что электрону молекулы реагента термодинамически выгодно взаимодействовать с частицей, состоящей из большого числа собственных атомов и выступающей в роли теплового бассейна. После того, как первая реакция произошла, её энергии может оказаться достаточно уже для прямого, безбарьерного переноса электрона между реагирующими молекулами. О чём можно судить по яркому излучению,
характерному для атомов с высокой температурой (высоким уровнем возбуждения).

С этих же позиций можно было бы разобрать и процесс конденсации пересыщенного пара, но наша задача сегодня другая - показать, что результаты Олега Пенязькова, прозвучавшие сегодня в докладе, могут стать веским аргументом при создании новых, ещё непривычных и во многом непонятных представлений об окружающих нас физических пространствах.

Искренне Ваш, Дулин Михаил.