Читая этот текст, Вы должны понимать, что это - всего лишь гипотеза. Правда, я носился с ней достаточно долго, и, вроде бы она не имеет ни внутренних, ни внешних противоречий. На мой взгляд, бесспорным положительным качеством этой теории является то, что она не пытается объяснить всё сразу и не отвергает ничего, что уже было предложено теоретиками от физики.
Если же Вы всё-таки найдёте в ней что-то, противоречащее здравому смыслу, Вы можете написать мне об этом. Критикуя этот текст, прошу действовать по принципу: Хочешь указать на недостатки - сперва оцени достоинства и похвали!
Автор.
Эта гипотеза, даже не гипотеза, а идея, посвящена традиционному "камню преткновения" между классической и квантовой физикой: вопросу излучения электроном электромагнитной волны при движении по орбите вокруг атомного ядра. Точнее, его неизлучению.В своё время Макс Планк смог объяснить излучение абсолютно чёрного тела, введя квантование. Прошло более 100 лет. По-моему, пришла пора пересмотреть физический смысл постоянной Планка.
В работе выдвигается принцип квантования действия во Вселенной.
На основе квантования действия уточняется принцип неопределенности Гейзенберга. Объясняется существование метастабильных электронных уровней в рабочем теле лазера. Объясняется дискретный характер графика охлаждения вещества при температурах, близких к абсолютному нулю. Доказывается невозможность непрерывного изменения энергии тела. Утверждается, что тело, изменив на некоторую величину энергию, на некоторое время (время шока) становится невосприимчивым к дальнейшим изменениям своей энергии. Никакие физические процессы, приводящие к дальнейшему изменению энергии тела, в этот интервал времени не будут происходить.
Речь в этой статье пойдет о действии. Прошу не путать действие и взаимодействие. Взаимодействие - это в той или иной форме контактный или бесконтактный обмен энергией в замкнутой системе тел, а действие - это физическая величина. Интеграл от энергии. По времени.
Человек или любое тело, изменяющее за некоторый интервал времени энергию другого тела, причём не важно какую – кинетическую, потенциальную, внутреннюю, – совершает действие. Я кидаю камень. За некоторое время, время броска, я изменяю его кинетическую энергию. Следовательно, я совершаю действие. Две вагонетки столкнулись. В результате удара изменилась кинетическая и/или внутренняя энергия каждой из них. Вагонетки в течение некоторого времени действовали друг на друга. Они совершали действие. Автомобиль тормозит, вода испаряется, санки спускаются с горки. В любом из этих случаев изменяется энергия тела. Следовательно, совершается действие.
Существуют ли какие либо ограничения на совершение действия? Можно ли совершить бесконечно малое и бесконечно большое действие? Всегда ли его можно совершить? Вероятно, верхнего предела величины действия не существует. А вот существует ли нижний предел? Понятно, что если уменьшать высоту горки, то санки рано или поздно просто не сдвинутся с места. А существует ли подобный предел в атомной физике? На этот вопрос первым попытался ответить еще Гейзенберг. Формализованное выражение его принципа неопределенности гласит:
Фактически, левая часть этого неравенства и есть действие. В любом учебнике физике сказано, что основой для вывода принципа неопределённости послужили опыты по рассеянию электронов на тонкой щели. Электрон, пролетая через узкую щель с начальным импульсом, направленным вдоль направления движения (по оси X), приобретает некоторый импульс в перпендикулярном направлении (в направлении оси Y). Проведя несложные выкладки, можно получить известную формулу:
Или, что равноценно:
Давайте вспомним ту картинку, на основании которой и был выведен известный принцип.
А теперь отдельно рассмотрим изменение импульса, которое получает электрон при прохождении через щель:
В классическом выводе принципа неопределённости Гейзенберга используется треугольник импульсов, который выделен на рисунке 2 зелёным цветом. То есть считается, что электрон получает изменение импульса ТОЛЬКО в направлении, перпендикулярном начальному движению (вдоль оси Y). Насколько это правомочно? В том виде, в каком выведен и существует принцип неопределённости, – безусловно, да. Но согласитесь, что считать, будто электрон, проходя через щель, не изменяет тангенциальной составляющей импульса (вдоль оси X), по крайней мере, бездоказательно.
Итак, будем считать, что на самом деле, электрон, проходя через щель, изменяет свой импульс на дельта p, причём в некотором неизвестном (на данном этапе) направлении. На Рис.2 это изменение импульса выделено синим цветом. Реальные импульсы электрона до и после прохождения щели показаны жёлтым цветом.
Вернёмся к Рис.1. Классический принцип неопределённости может объяснить попадание электрона во второй максимум и максимумы более высоких порядков. Но он не может объяснить попадание электрона в область нулевого максимума. И он не может объяснить наличие минимумов! Факт остается фактом. Минимумы существуют! Объяснить их можно только в том случае, если записать действие в следующей форме через векторы:
Теперь предположим, что действие квантуется. При фиксированной ширине щели (дельта R) это неизбежно приведёт к квантованию длины импульса дельта p. На рисунке допустимые длины вектора дельта p показаны условно радиусами красных окружностей. А, следовательно, при изменении угла альфа, вектор дельта p фиксированной длины неизбежно начнёт вращаться. Угол гамма будет меняться с изменением угла альфа и, при определённых значениях альфа, гамма будет становиться равным 90О ! Произведение векторов будет равно нулю! На экране возникнет минимум.
Если угол гамма равен 90О, то:
Если вместо дельта R вписать ширину щели, мы получим классическое условие минимумов дифракционного электрона.
Впервые с квантованием действия столкнулся Нильс Бор при выводе теории атома водорода. Здесь я напомню некоторые из его формул, так как они могут понадобиться в дальнейшем. Итак…
Энергия электрона на n-й Боровской орбите:
Его скорость на орбите:
Радиус орбиты:
Выразим энергию через радиус:
Знак минус указывает на то, что между электроном и протоном действуют силы притяжения.
Потенциальная энергия электрического поля равна:
Следовательно, кинетическая энергия электрона должна быть равна половине его потенциальной энергии и положительна.
Найдем величину действия, которое выполняет электрическое поле протона, удерживая электрон на Боровской орбите в течение одного периода его вращения:
Здесь T – период обращения электрона. Так как в любой точке круговой орбиты энергия электрона постоянна, то период обращения электрона можно представить как длину окружности, деленную на скорость:
Или:
Что получается? Действие электрического поля по удержанию электрона на стационарной орбите в атоме квантуется! Коэффициент пропорциональности – постоянная Планка, – квант действия (это не я, это сам Планк её так назвал). Перемещая электрон с любой стационарной орбиты на любую другую стационарную орбиту, электрическое поле протона совершает действие, кратное постоянной Планка. Пойдем дальше. Будем считать, что квантование действия – не просто странность поведения атома водорода, а мировой физический закон. И сделаем из принципа неопределенности Гейзенберга принцип определенности:
где n – положительное целое.
Отсюда следует потрясающее по своей простоте объяснение того, почему электрон не излучает, двигаясь в атоме по орбите:
|
Любое воздействие на Вселенную квантуется так же, как заряд. |
В принципе, квантование действия можно наблюдать реально на опыте при изучении сверхнизких температур (смотри рисунок 3). Помните, по мере приближения температуры к абсолютному нулю, график зависимости температуры от отведенной энергии становится ломаным. Качественная имитация этого явления без масштабирования и численных значений и приведена на рисунке. В области высоких температур это не заметно, так как средняя кинетическая энергия молекул велика. А вот когда кинетическая энергия молекул стремится к нулю, потеря даже одного кванта действия становится ощутимой. И температура начинает снижаться скачками, тем более заметными, чем ниже температура.
Для любого изменения энергии телом существует эквидистантная решетка интервалов времени (красные линии) , за которое это изменение можно совершить (смотри рисунок 4). Причём не на произвольную величину, а на строго определённое или кратное значение. На этом рисунке черные линии – это разрешенные энерго-временные состояния – изоакты. С увеличением абсолютного значения энергии эта решетка вырождается и для практических изменений энергии незаметна, вследствие малости постоянной Планка (при увеличении E, а, как следствие, температуры, как видно на графике - голубые линии, интервалы времени становятся неизмеримо малыми), но для малых энергий в любом случае должен быть заметен квантовый характер времени событий.
И еще: получается, что изменять энергию тела непрерывно – нельзя. Изменение энергии тела – дискретный процесс, который может происходить в строго определенные моменты времени. До наступления этого момента тело «находится в состоянии шока», и изменение энергии невозможно.
Определение: Время шока – минимальный интервал времени после изменения энергии телом, по истечении которого тело становится восприимчивым к дальнейшему изменению своей энергии.
Чем больше энергия, которой к этому моменту обладает тело, тем меньше время шока, тем быстрее оно «получает следующее разрешение». Но, в любом случае, получает его не сразу. Вполне возможно, что в подоплёке появившихся в последнее время утверждений о существовании так называемой «решётки вакуума» лежит как раз время шока.
Дальше. Любое изменение энергии телом есть результат его взаимодействия с другим телом (телами). А причина любого изменения энергии – взаимодействие. Следовательно, взаимодействие тел происходит не постоянно, а в некоторые, строго определенные моменты времени. И после взаимодействия тела некоторое время не могут снова взаимодействовать, даже если соприкасаются. Это – причина любой неопределённости (координаты, импульса, энергии).
Именно на этом основан принцип действия любого лазера. Электрон, переходя с уровня накачки на метастабильный уровень, становится на некоторое время невосприимчивым к изменению своей энергии. Поэтому-то и уровень – метастабильный.
То есть, само существование лазера может являться доказательством этой теории. А если еще рассчитать время жизни электронов на метастабильном уровне? Но, к сожалению, таких данных у меня нет. Хотя, на основании всего того, что я здесь написал, могу предположить, что чем ближе с точки зрения энергии метастабильный уровень к уровню накачки, тем дольше электрон будет находиться на метастабильном уровне.
Попробуем с помощью указанной решетки получить график нагревания тела в области сверхнизких температур, «передавая» ему энергию с учетом квантования действия. Будем считать, что молекула тела повышает свою энергию сразу, как только это становится возможным (смотри рисунок 5).
Будем для простоты считать, что начальная температура тела равна абсолютному нулю, что, конечно же, невозможно, но не влияет на ход рассуждений. Итак, при совершении над молекулой кванта действия, её энергия скачком увеличивается, и она переходит на более высокое энергетическое состояние – на первую (нижнюю) изоакту. Примечательно, что над молекулой можно совершить действие, кратное минимальному, тогда она сразу перейдёт на более высокую изоакту, но это не существенно, и на вид графика не влияет. После этого, в течение некоторого времени молекула не может изменить свою энергию, так как находится в состоянии шока. На графике этому интервалу времени соответствует горизонтальная линия. По истечении времени шока, молекуле снова может быть передана следующая порция энергии (совершается ещё один квант действия), и она переходит на более высокое энергетическое состояние – третью изоакту.
В дальнейшем процесс повторяется. Я специально построил этот график в масштабе. Обратите внимание, на рисунке хорошо видно, что с возрастанием энергии тела интервал времени, через который над телом можно выполнить следующее действие, уменьшается, что великолепно согласуется с экспериментальными данными на рисунке 3. При высоких температурах ступеньки на графике вырождаются в наклонную линию.
Предположим, что некоторая частица получила некоторое количество энергии и теперь двигается с некоторой скоростью. Зададимся вопросом: какое расстояние проходит частица с массой m, двигающаяся с начальной скоростью V0 за время, равное времени шока? Будем считать, что частица в момент изменения энергии движется равноускоренно:
, что очень напоминает формулу для волны де-Бройля. То есть длина волны де-Бройля связана состоянием шока! А ведь это расстояние, на котором частица проявляет волновые свойства. Значит, появление волновых свойств у элементарных частиц связано с состоянием шока?
И ещё. При центральном ударе двух тел, расстояние, проходимое за время шока, равно:
Чем ниже температура тела, тем меньше кинетическая энергия его молекул, тем реже они могут взаимодействовать друг с другом. Например, при температурах, близких к абсолютному нулю, молекулы гелия, столкнувшись друг с другом, в течение достаточно долгого интервала времени находятся в шоке и не могут взаимодействовать. Не этим ли объясняется явление сверхтекучести жидкого гелия? Подстановка показывает, что при температурах около 2К величина пробега атома гелия за время шока становится сопоставимой с расстоянием между атомами. Может, поэтому они и не взаимодействуют?
Итак, почему же всё-таки не излучает электрон, двигаясь вокруг атомного ядра? Согласно классической теории (Смотри рисунок 6), электрон должен постоянно излучать, двигаясь по окружности вокруг ядра. При этом он должен терять энергию (за счет энергии излучённой волны). Орбита электрона из круговой должна стать спиральной. Следовательно, полная энергия электрона на орбите должна меняться. То есть, должно совершаться действие.
Но, согласно приведённой гипотезе, действие не может быть произвольным. Оно может совершаться только квантами, по величине равными или кратными постоянной Планка. Что и происходит. (Смотри рисунок 7). Электрон, находящийся на некоторой стационарной орбите с высоким энергетическим состоянием, совершает действие, кратное постоянной Планка. Это действие, согласно формуле:
может совершиться только за строго определённый интервал времени. Этот интервал времени – ни что иное, как период излучаемой при этом действии электромагнитной волны. Совершая действие, электрон теряет энергию и переходит на более низкую орбиту. После этого, в течение некоторого времени атом не может менять свое энергетическое состояние, так как электрон, находящийся в состоянии шока, не может взаимодействовать.
Кстати, именно шоковое состояние электрона может являться гарантией стабильности атома. Ведь даже в стабильном атоме электрон на орбите находится практически всё время в шоковом состоянии. Это предохраняет атомы от ионизации во время столкновения. Естественно, если атомы разогнать до достаточно больших скоростей, то ионизация произойдет всё равно, так как большей энергии соответствует меньшее время шока и вероятность взаимодействия выше. Оно же является гарантией того, что атом, начав излучать электромагнитную волну, излучит ее до конца. Ведь как бы ни был мал период излучаемой волны, именно в этот момент времени атом может столкнуться с другой частицей. Столкнуться, но не взаимодействовать! Именно поэтому фотоны излучаются и поглощаются всегда только целиком.
Не имея возможности изменить энергию, электрон задерживается на орбите. По истечении этого времени, если свободна орбита с меньшей энергией, процесс повторится.
1. Любое действие во Вселенной квантуется. Постоянная Планка – квант действия. Это минимальное воздействие, которое можно оказать на Вселенную.
2. Из-за квантования действия электрон в атоме не может излучать постоянно, так как при этом он должен совершить действие меньшее, чем квант действия.
3. Любой физический процесс, связанный с изменением энергии тела, не может происходить непрерывно. Изменение энергии происходит лишь через строго определенные интервалы времени – время шока, величина которого зависит от энергии тела. После получения (потери) некоторого дискретного количества энергии тело на какое-то время становится невосприимчивым к любым физическим процессам, связанным с последующим изменением его энергии. Любые физические явления, связанные с изменением энергии тела до окончания времени шока не будут происходить.
4. Во время шока материальное тело проявляет волновые свойства. Именно благодаря своим волновым свойствам тело может избегать взаимодействия с другими телами, пока состояние шока не окончено.
Александр Мадисон
Август. 2005г.
P.S.: Естественно, работа над этой теорией продолжается. Есть некоторые мысли, которые ещё не оформились в конкретные идеи. Если вы хотите познакомиться с ними, нажмите ссылку Непознанное! Только помните, что никакой критики по материалам этой странички я не принимаю.
