Физика и прорывные технологии.

© Верин О.Г.

Контакт с автором: [e-mail]

В то время как теоретическая физика все глубже и безнадежнее погружается в пучину математических абстракций и мистики, прикладная физика, призванная обеспечить насущные потребности человечества в чистой энергии и современных технологиях, как никогда остро нуждается в практичной теории и наглядных моделях, которые могли бы лечь в основу эффективных исследований.

Положение усугубляется тем, что в последние десятилетия на базе весьма сомнительных теорий реализуются грандиозные проекты, на которые отвлекаются колоссальные людские и материальные ресурсы.

Что можно противопоставить этому расточительству, которое может окончательно обескровить науку?

___________________________________________________________________

Без всякого преувеличения, сложившееся положение таково, что человечество именно сейчас, в эти “смутные” для физики времена, уже вступило на путь самоуничтожения. Пагубное влияние устаревших технологий и неэффективной техники на окружающую среду и климат планеты становится все более очевидным.

Сможет ли наука в ближайшее время указать пути решения этих проблем?

К счастью, эти вопросы могут быть решены без привлечения таких впечатляющих “достижений” новейшей физики как 11-мерные, 20-мерные и прочие “конструкции” Вселенной, без использования “бозонов Хиггса” и колоссального по размерам и стоимости адронного ускорителя.

Какие же наглядные физические представления должны стать основой для развития “чистой” энергетики и современных технологий?

Попытаемся кратко сформулировать исходные положения.

Во-первых, для понимания Природы чрезвычайно важна идея, которая была высказана еще в 1945 г Фейнманом и Уиллером [1] о том, что вокруг элементарных частиц должны иметь место уходящие и приходящие волны.

Позднее в своих “Лекциях” [2] Фейнман счел необходимым вернуться к этой мысли еще раз. Можно сказать, что каждая частица должна иметь потенциалы, содержащие в себе как уходящие, так и приходящие волны:

(1)

 

По сути, сформулированный принцип выражает единство и взаимосвязь всех частей Вселенной, так как волны, связанные с каждой частицей, образуют поражающую воображение сложнейшую, всеобъемлющую интерференционную картину взаимодействий.

Во-вторых, частотный принцип формирования вещества, фактически являющийся следствием предыдущего утверждения. Именно постоянный взаимный обмен волнами между частицами вещества обеспечивает равновесное состояние материи, важнейшим следствием которого является удивительный на первый взгляд факт существования в окружающем нас мире такого огромного количества совершенно идентичных друг другу электронов (протонов, нейтронов). Действительно, каким реальным физическим механизмом (не прибегая к мистике и “постулатам”), кроме резонансной взаимной “настройки” взаимодействующих друг с другом частиц, можно объяснить такое точное “выравнивание”, идентичность их параметров?

В обычных условиях мы просто не замечаем огромных частот колебаний, реально присутствующих на уровне микромира! В качестве наглядной модели, все элементарные частицы можно рассматривать как особые колебательные системы, характеризуемые собственными частотами [3,4,5]:

- частота нуклонов, или Главная частота Вселенной (ГЧВ) - 1,60·10²³ Гц;

- частота электронов - 2,47·10²⁰ Гц.

Частотные свойства элементарных частиц оказались “зашифрованными” иносказательным языком квантовой теории: “свободные” частицы описываются волновыми функциями с циклическим комплексным множителем (e ^{- iωt}), частота которого пропорциональна полной энергии, то есть, массе частицы [6].

Этими основами физической картины мира можно ограничиться. Двух указанных ключевых представлений вполне достаточно для решения прикладных задач. Они не являются каким-то “откровением” и для любого непредвзятого читателя совершенно понятны. Важно то, что неукоснительное следование соответствующим простым физическим моделям дает возможность отбросить мистику и во многом разобраться.

В качестве примеров такого анализа рассмотрим некоторые прямые следствия из указанных механизмов взаимодействия частиц вещества.

1. Особая природа электрона.

Частота (и масса) электрона в сотни раз меньше соответствующих параметров протона и нейтрона. Каким же образом осуществляется в этом случае взаимосвязь электронов с остальным веществом, и какова причина столь разительного отличия частот электрона и нуклонов? Ведь, как и все части Вселенной, эти частицы должны находиться в равновесном взаимодействии!

Обратим внимание на то, что нуклоны являются сложными частицами, состоящими из разных кварков. Поэтому, следуя частотному принципу формирования вещества, естественно предположить, что нуклоны, состоящие из двух разновидностей кварков (с близкими частотами), имеют внутренние “биения” с некоторой разностной частотой. Именно с этой относительно низкой частотой биений и оказывается связанным электрон.

В пользу такого вывода говорит и тот факт, что нуклоны могут рассматриваться как одна частица с разными изотопическими спинами - при определенных условиях протон и нейтрон могут превращаться друг в друга. Кроме того, эти взаимные превращения происходят как раз с участием электрона, а разность масс нейтрона и протона с точностью до одного процента удивительным образом оказывается равной двум с половиной массам электрона, что вряд ли можно отнести к простому совпадению.

Таким образом, опосредованное взаимодействие электронов с нуклонами через частоту биений кварков объясняет “слабость” этой связи. Взаимные превращения электрона, протона и нейтрона осуществляются, как известно, за счет “ слабого взаимодействия ” (с участием нейтрино или антинейтрино). Отметим, что относительная свобода перемещений электронов также стала возможной как раз благодаря слабой “привязанности” к нуклонам.

2. О возможных “дополнительных” измерениях Вселенной.

Ось частот можно условно считать “кандидатом” на дополнительное (пятое) измерение.

Дело в том, что на разных частотах вполне могут существовать “параллельные миры”, не взаимодействующие с нашим миром (например, с частотами в полтора раза отличающимися от ГЧВ, то есть, от частоты нуклонов). Такое вещество практически не будут взаимодействовать с обычным веществом. Прямым указанием на такую возможность является открытие так называемых “странных” частиц с очень большим временем распада. Частоты ряда “странных” частиц как раз удовлетворяют указанному соотношению.

Кроме того, чем больше частоты “параллельных миров” будут отличаться от ГЧВ, тем меньше их связь с обычным веществом. Следовательно, такие миры могут существовать параллельно (на разных частотах), подобно частотно разделенным радиоканалам.

3. Волновые свойства частиц в микромире.

Волновые свойства частиц также следуют из частотного принципа их взаимодействия.

Как это происходит?

Движущаяся частица в сравнении с неподвижными частицами имеет, как известно, несколько повышенную частоту (энергию). Поэтому, учитывая наличие взаимной связи (посредством уходящих и приходящих волн), между частицами с близкими частотами, как между связанными маятниками (рис. 1), начинается перекачка энергии. Направление этой передачи энергии, очевидно, определяется относительной фазой колебаний маятников. Но так как эта относительная фаза изменяется пропорционально разности частот маятников, то и направление перекачки энергии периодически меняется с разностной частотой. Если разделить скорость движения частицы на указанную разность частот, то получится известное выражение для длины волны де Бройля λ = h/p (p - импульс движущейся частицы, h - постоянная Планка) [3,4].

Таким образом, волновые свойства связаны с периодическим изменением направления перекачки энергии между частицами. Поэтому квантово-механическая функция, например, движущегося электрона описывает процессы передачи энергии (а, следовательно, массы!) электрона.

Рис. 1. Взаимодействие двух маятников с близкими собственными частотами колебаний (начальный момент).

Взаимодействие маятников посредством нити, на которой они подвешены, приводит к периодической перекачке энергии колебаний между маятниками.

В реальности взаимодействие происходит не между двумя отдельными частицами, а сразу между огромным количеством частиц. При этом роль “ниточек”, через которые осуществляется взаимодействие, выполняют те самые уходящие и приходящие волны (внешние переменные поля частиц), а “маятниками” являются их внутренние колебания.

Например, при движении электрона относительно дифракционных решеток или кристаллов возникают направления, в которых фазы взаимодействия (перекачки энергии!) совпадают одновременно для большого количества электронов. В электроны решетки в какой-то момент оказывается перекачанной (частично или полностью) энергия движущегося электрона. Можно сказать, что эти электроны переходят в возбужденное (внутреннее!) состояние.

Однако любая система стремится к равновесной собственной энергии, и поэтому неподвижные электроны, в свою очередь, освобождаются от избыточной энергии, становясь своеобразными ретрансляторами. Но так как электроны-ретрансляторы расположены в упорядоченной структуре, то “материализация” произойдет в одном из интерференционных максимумов (рис. 2). Кстати говоря, частица может начать образовываться даже в нескольких интерференционных максимумах одновременно, но в результате конкуренции и установления нового равновесия “победит” только один из “претендентов”.

В основе интерференционных процессов на самом деле, как мы видим, лежит взаимная перекачка энергии между всеми электронами.

　

Рис. 2. Телепортация электрона в интерференционный максимум.

Именно этот процесс и описывает квантовая механика [7], однако в нем нет, как видим, никакой мистики. Просто в квантовой механике выброшены все переходные процессы, без которых, очевидно, в природе ничего происходить не может. В итоге переходного процесса масса, заряд и прочие параметры “скакнувшей” частицы, действительно, останутся теми же, что и до скачка, так как они определяются вновь достигаемым равновесием с окружающим миром.

4. “Холодный” термояд.

Проблема получения дешевого и экологически чистого источника энергии может быть решена, как известно, путем синтеза легких ядер. Однако решение проблемы термоядерного синтеза затянулось на многие десятилетия, и перспективы на ближайшие годы следует признать весьма неопределенными.

Поэтому более предпочтительным представляется решение вопроса не “в лоб”, а образно выражаясь, “в обход”.

Исходя из рассмотренного механизма “телепортации” частиц в пространстве, можно попытаться найти способ осуществления реакции синтеза легких ядер, не прибегая к температурам порядка сотен миллионов градусов.

Такая возможность может быть реализована за счет использования периодических структур (рис. 3). Амплитуды взаимодействия от многих ионов водорода могут быть сфокусированы (суммированы) посредством некоторой периодической структуры вблизи, например, ядра дейтерия, в результате чего произойдет ядерная реакция синтеза. В этих экспериментах важно взаимное соответствие всех характеристик частиц, обеспечивающих сложение амплитуд.

Рис. 3. “Холодный термояд”. Сложение амплитуд взаимодействия одновременно от многих одинаковых частиц создает благоприятные условия для реакции ядерного синтеза.

Количество частиц до и после их рассеяния периодической структурой не изменится (на рисунке изображена только одна рассеянная частица). Но энергия в результате интерференции будет распределена между частицами не равномерно, вследствие чего некоторыми частицами может быть преодолен потенциальный барьер, и произойдет реакция синтеза.

Очевидно, эта задача технологически довольно сложна, так как здесь должны быть одновременно выполнены несколько условий, обеспечивающих интерференцию амплитуд взаимодействия. В частности, важна синфазность и пространственная упорядоченность частиц первичного потока.

5. Электронные оболочки атомов.

Вернемся к анализу процессов передачи энергии в системе связанных между собой маятников. В случае двух маятников с немного отличающимися частотами, энергия колебаний попеременно перекачивается то к одному, то к другому маятнику. Направление перекачки зависит от относительной фазы колебаний маятников, а относительная фаза, в свою очередь, изменяется со временем пропорционально разности частот маятников. Эти процессы, как мы видели, лежат в основе волновых свойств частиц.

А теперь представим себе замкнутую цепочку последовательно связанных между собой маятников с одинаковой частотой. Направление и скорость перекачки энергии в этом случае также зависят от относительной фазы колебаний соседних маятников. Но тут происходят другие, не менее интересные процессы:

- Исходя из условия обеспечения стационарности потока энергии в закольцованной системе маятников разность фаз соседних маятников должна быть по всему кольцу одинаковой, а общий набег фазы по кольцу - кратен 2π.

- Несмотря на то, что сами маятники не имеют вращательного движения, в закольцованной системе маятников будет существовать циркуляция механического импульса (пропорционального передаваемой по кольцу энергии). Соответственно маятники будут испытывать центробежную силу.

Перечисленные свойства этой простой модели делают более понятными принципы построения электронных оболочек атомов.

Самый “парадоксальный” вывод: электроны в атомах неподвижны!

Электроны находятся в равновесных положениях под действием электростатической силы притяжения к ядру и центробежной силы, возникающей согласно модели из-за наличия потока энергии (и импульса) циркулирующих в электронной оболочке (рис 4). При этом в полном согласии с квантовой механикой пространственное изменение фазы электронов оказывается связанным с “оператором” импульса, а “набег фазы” в электронной оболочке кратен 2π!

Важно, что электроны в разных оболочках, имеют разные энергии, а, следовательно, и частоты. Поэтому переходы электронов (“перекачка”) между оболочками возможны только при наличии возмущений, связывающих между собой сложные колебательные системы оболочек.

Рис. 4. Вращение потока энергии (массы, импульса и заряда) в электронной оболочке атома. Фазы электронов отмечены точками.

Каждый из неподвижных электронов оказывается интегрированным в общее поле “своей” оболочки.

Рассмотренная модель электронных оболочек с неподвижными электронами дает возможность по-настоящему разобраться в свойствах атомов.

Действительно, любому здравомыслящему человеку весьма затруднительно представить себе систему из многих десятков заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по каким-то немыслимым траекториям. Это тем более невероятно сложно, если учесть большие электростатические силы расталкивания, существующие между электронами.

Еще более сложно представить себе электронные оболочки из электронов, перемещающихся в пространстве по вероятностным траекториям.

Модель с неподвижными электронами оболочек снимает эту проблему и делает понятным наличие момента импульса и незатухающих токов.

Становится также ясным, почему образуются химические соединения в виде довольно правильных пространственных структур. Дело в том, что электроны оболочек, находясь в равновесных положениях, отталкиваются друг от друга и в результате занимают вершины соответствующих (воображаемых) многогранников. Такие электронные оболочки атомов в виде “многогранников” создают условия для образования сложных пространственных “конструкций” химических соединений.

6. Коллективные свойства частиц при низких температурах.

Только что рассмотренная модель электронных оболочек атомов с неподвижными электронами является одновременно иллюстрацией механизма возникновения особых коллективных свойств частиц.

Таких коллективных свойств довольно много, но мы рассмотрим наиболее важные для практического использования.

Наиболее “загадочные” явления – макроскопические квантовые состояния. Они имеют место в существенно больших масштабах, чем в пределах одного атома. Например, явление сверхпроводимости [8]. В этом случае огромное количество электронов вещества оказываются связанными друг с другом подобно электронам в составе электронной оболочки атома. Поэтому в такой огромной системе возникает удивительный эффект: электроны могут “перекачиваться” в другое место посредством этого общего поля, образуемого “уходящими и приходящими” волнами.

Как это происходит? электроны сверхпроводимости оказываются интегрированными в общий сложный резонанс поля в объеме вещества, вследствие чего электроны имеют возможность быть “перекачанным” в другое место (в более энергетически выгодное). Таким образом, возникает весьма эффективный особый механизм переноса массы частиц вещества (рис. 5).

 

Рис. 5. Бозе-конденсат (взаимная корреляция поля и частиц).

 

Совершенно аналогичный механизм переноса вещества имеет место и при возникновении явления сверхтекучести – эти макроскопические квантовые эффекты являются родственными.

Взаимная корреляция поля и частиц разрушается тепловым движением, поэтому макроскопические квантовые эффекты наблюдаются при достаточно низких температурах.

7. Коллективные свойства частиц при высоких температурах.

В каких случаях макроскопические квантовые состояния возможны при достаточно высоких температурах?

Во-первых, это происходит в тех случаях, когда электроны вещества, участвующие в образовании сверхпроводящего состояния оказываются “защищенными” от тепловых колебаний. Например, как мы видели, в составе электронных оболочек атомов электроны оказываются в потенциальной яме ядра, и на уровне этой энергии (взаимодействия с ядром) тепловые возмущения оказываются незаметными. Поэтому электроны имеют возможность занять фиксированные положения в пространстве и интегрироваться в общий резонанс.

Собственно по этой же причине высокотемпературными сверхпроводниками становятся не металлы (в которых электроны имеют возможность свободного перемещения), а очень прочные соединения типа керамики, которые в обычном состоянии даже не являются проводниками, то есть, электроны в таких соединениях оказываются сильно связанными.

Во-вторых, макроскопические квантовые состояния могут быть созданы “принудительно” путем внешнего воздействия, например, излучением. Фактически такая закачанная извне энергия также делает тепловые колебания малозаметными, в результате чего проявляются коллективные свойства частиц.

Примерами таких “принудительных” состояний являются плазменно-пылевые “кристаллы Фортова”, которые были получены в космосе на МКС в состоянии невесомости, а также образование под воздействием комбинационного лазерного излучения ранее неизвестного квазикристалла из молекул воздуха в опытах томских исследователей Илиодорова и Еньшина [9,10,11].

Механизм этих явлений, чрезвычайно важных для понимания коллективных свойств частиц, можно проиллюстрировать простым мысленным экспериментом.