Один из лучших вопросов года
Подходит время подводить итоги уходящего года, и, похоже, что в одной из номинаций намечается победитель. Не хочу никого обижать, поскольку было задано очень много интересных вопросов, но один из последних вопросов как-то особенно меня задел. Задел потому, что неожиданно коснулся самой сути устройства нашего мира, а именно его дискретности и устойчивости.
Вот вопрос, претендующий на роль победителя и заданный блогером vermishell, который почему-то удалил свой аккаунт и сам вопрос, не дождавшись ответа. Тем не менее, его вопрос звучал так: "Почему у материи есть такая боязнь экстра-энергии? Возбужденный атом старается избавиться от излишка энергии и излучает квант энергии, нагретое тело стремиться остыть, капли принимают в невесомости сферическую форму, чтобы на поверхности была минимальная энергия и т.п. Материя боится энергии как черт ладана! Разве что черные дыры ее засасывают и не извергают наружу. Но есть белые дыры.)"
Все мы знаем, что физическая система всегда старается принять минимально возможную энергию по отношению к своему окружению, и она это делает всякий раз, как у неё появляется такая возможность. И этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока поток энергии из системы не сравняется с потоком энергии в систему, то есть, не наступит известное нам термодинамическое равновесие между телом и его окружением. Если система будет (почти) замкнутой, то её энергия остаётся (почти) постоянной, но зато энтропия старается принять своё максимальное значение. "Почти" - это потому, что не бывает абсолютно изолированных систем за исключением, возможно, нашей Вселенной, но и это мы не можем знать наверняка. Нам кажется очевидным стремление систем к термодинамическому равновесию, например, что тёплое тело всегда нагревает холодное, а не наоборот, но почему это так происходит, мы на самом деле не знаем. Ведь термодинамика - наука эмпирическая, основанная исключительно на известных нам опытных данных. Видимо, поэтому время от времени возникают желающие построить Вечный двигатель, чтобы черпать энергию из Ничего или хотя бы из Физического вакуума. Ещё хуже дело обстоит с энтропией, поскольку ни наши органы чувств, ни приборы не могут нам подсказать, что происходит с ней в системе. И только вычисления указывают направление её изменения.
Почему это происходит именно так, - и будет первым ответом на поставленные выше вопросы.
[Spoiler (click to open)]
Правильный ответ будет такой: во всём "виноват" принцип наименьшего действия, давно известный нам из классической механики. Там он не просто принцип, а принцип фундаментальный, поскольку с его помощью можно получить в явном виде уравнения движения механической системы и вывести законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Но почему он работает, мы не знаем. Знаем лишь то, что одиночная частица выбирает всегда кратчайший путь при движении между двумя точками и делает это за минимальное время. Минимальность пути и времени вытекает из того факта, что между этими двумя точками оказывается минимальной интегральная величина действия L, равная ∫Etdt или ∫pxdx, что при постоянных энергии E и импульсе p частицы даёт нам кратчайшее время и путь. Принцип наименьшего (интегрального) действия даёт нам не только упомянутые выше законы сохранения, но, как показала в своё время Эмми Нётер, равномерность течения времени, однородность и изотропность пространства, поскольку это минимальное интегральное действие сохраняется при преобразованиях в пространстве таких, как вращение и параллельный перенос.
Поскольку мы занимаемся построением пространства и всего, что нас окружает, из дискретных элементов - квантов действия, равных постоянной Планка h, то для нас принцип наименьшего действия будет означать минимальное количество квантов действия, затраченных на преодоление пути между двумя точками. Каждый квант действия, последовательно уложенный между ними, будет представлять собой величину h=Eτ=pλ, где τ - характерный интервал времени, а λ - характерный отрезок длины в нашем пространстве (или длина волны по де Бройлю). Теперь становится понятным смысл сохранения энергии и импульса для одиночной частицы: у неё просто имеется единственный квант действия h. Частица не может его не иметь, будучи помещённой в окружающее пространство, она как бы занимает место фотона, тоже обладающего квантом действия h, и который мог бы быть на месте частицы, если бы её не было. Поэтому частица не может совсем не иметь кванта действия, как не может обладать двумя, тремя и более квантами действия при обычных условиях. А вот в условиях сильных взаимодействий это условие может нарушаться, но мы не будем сейчас это обсуждать. Но одиночная частица может изменить, например, свою энергию E и импульс p в рамках своего кванта действия h=E1τ1=E2τ2 или h=p1λ1=p2λ2 при упругом взаимодействии с другой частицей, но сама величина h измениться не может. Это закон природы, поскольку квант действия h является универсальным "кирпичиком", из которого построено всё в этом мире. Спин, заряд и масса каждой элементарной частицы - все они выражаются через квант действия: s=½(h/2π), e=h/μ, m=h·Ri, где μ - квант магнитного потока, а Ri - элементарный поток кривизны (Риччи), соответствующий данной массе. Таким образом, мы подходим к формулировке нового закона сохранения, пока ещё неизвестного современной науке: в замкнутой системе всегда сохраняется полное число квантов действия. Пусть этот закон будет Новогодним подарком для вас, дорогие читатели! (Замечание: говоря о массе, мы не рассматриваем здесь ядерные реакции. Но и в этом случае полное число квантов действия будет сохраняться, просто эти кванты будут переходить из одного пространства - ядерного, в другое - окружающее нас электромагнитное пространство.)
Кроме одиночных частиц нам нужно рассмотреть систему взаимодействующих частиц и показать, что озвученные законы сохранения там тоже работают. Если мы имеем, допустим, один из благородных газов, состоящий из одиночных атомов, то полное число квантов действия в системе будет равно числу атомов N в системе, и L = N·h. Это соответствует представлениям де Бройля о том, что одиночная частица или одиночный атом должны обладать одним квантом действия каждый. Но это будет справедливо, если мы не будем учитывать кванты действия внутри пространства атомных электронных оболочек, а это - особое пространство, отличающееся от электромагнитного и ядерного. Но в условиях термодинамического равновесия так можно считать, поскольку равенство потоков квантов между пространствами приводит к сохранению их числа в каждом пространстве. В твёрдых телах и жидкостях полное число квантов в системе будет уже меньше числа атомов в системе, то есть, L < N·h. По-прежнему, мы не учитываем кванты действия в электронных оболочках и ядрах атомов. (Про ядра можно, как правило, забыть, если ядерные реакции отсутствуют.) Слово "меньше" тут играет принципиальную роль, поскольку этим условием определяется фазовое состояние вещества: газ, жидкость или твёрдое тело. Более того и в жидкости, и в твёрдом теле обязательно реализуется ситуация, когда на один квант действия приходится несколько частиц (атомов или молекул): две, три и так далее. Но не одна! Одна - это условие газообразного состояния.
Такая ситуация, когда один квант действия принадлежит нескольким частицам, казалось бы противоречит утверждению выше о его неделимости. Но противоречия тут нет. Квант действия не делится на несколько частиц, он их связывает в единое целое! Но внутри кванта действия работает принцип неопределённости, и мы принципиально не знаем, как он распределён по частицам. Это - единое целое, и оно выступает дальше как самостоятельная квазичастица. Это состояние, которое иногда называют когерентным, не может разрушиться, пока квазичастица не получит извне хотя бы ещё один квант действия. Два кванта, как правило, разделяют квазичастицу на две, но так бывает не всегда. Иногда бывает выгодно "накачивать" квазичастицу квантами действия до тех пор, пока число квантов действия в ней не сравняется с числом частиц. Вот тогда квазичастица точно развалится и превратится в газ (пар) в виде нового фазового состояния. Дополнительно здесь замечу, что идея о распределении кванта действия по нескольким частицам является новой, она возникла из анализа экспериментов по целочисленному квантовому эффекту Холла (обсуждается в ряде постов этого блога) и понадобится нам при обсуждении физического смысла энтропии. А пока "до кучи" скажем, чем отличается жидкость от твёрдого тела. Отличие заключается в том, что в твёрдом теле разрешены только поступательные (колебательные) движения, а в жидкости становятся разрешенными ещё и вращательные. А возникает это "разрешение" тогда, когда твёрдый кристалл "накачивается" квантами действия в процессе его нагрева до такой степени, что ни атомы (молекулы) в кристалле, ни электронные оболочки в атомах больше не могут принимать дополнительные кванты действия, и наступает необходимость их превращения в элементы нового пространства, в котором теперь могут возбуждаться вращательные движения. На это указывает обнаруженная экспериментально минимальная удельная энтропия, необходимая для плавления: S=k·ln2. (Величина ln2 означает, что в системе существуют по крайней мере два уровня: основное и возбуждённое.)
Теперь мы знаем, что термодинамическая система в состоянии своего равновесия характеризуется набором законов сохранения, которые всего лишь являются разными и частными проявлениями закона сохранения полного числа квантов действия в системе. И сохранение этих законов поддерживаются тем, что между системой и её окружением существуют равные потоки квантов действия. Мы знаем, что кванты действия могут принадлежать как отдельным частицам, так и нескольким сразу, превращая их в единое целое - квазичастицу. Но ещё не догадываемся, что полный набор таких распределений составляет физический смысл энтропии как логарифма их полного числа. Между тем это - так, и частный пример формулы энтропии для идеального газа S(T,V) = N(CV·lnT + k·lnV + const) показывает, что вклад в энтропию состоит из пространственной части k·lnV, где объём газа V создаётся набором пространственных масштабов λi=h/pi всех частиц газа, и временной части CV·lnT, где температура газа T создаётся набором обратных временных масштабов 1/τi=Ei/h. При фиксированном объёме газа V максимум энтропии S будет определяться максимальным числом всевозможных комбинаций 1/τi в газе. А это число, как мы можем убедиться тоже на простейшем примере движения одиночной частицы, будет максимальным, если мы сложим вместе все величины 1/τi=E/h, которые пробегает частица, двигаясь по прямой из одной точки в другую. Ведь, если хоть на одном участке h частица отклонится от прямой, то величина 1/τi уменьшится, а вместе с ней уменьшится и вклад в полную энтропию движения частицы. Таким образом, на частных и простых примерах мы попытались обнаружить связь принципа минимального действия с максимальной энтропией системы в условиях термодинамического равновесия. Кому-то наши рассуждения могут показаться неубедительными, но это была наша первая попытка получить такую связь, и она нас вдохновляет.
Мы проделали долгий путь и пришли к тому, чтобы ответить на вопросы, заданные в начале этого поста. И ответ будет простым и единственным: "Во всём виноват принцип наименьшего действия". Он виноват в том, что атом с возбуждённым электроном стремится избавиться от своего "лишнего" кванта действия, которым обладает электрон на своём возбуждённом уровне, и испустить фотон с тем же квантом действия h и энергией E=h/τ, где период "колебаний" фотона τ равен промежутку времени для его испускания электроном. Нагретое тело стремиться остыть потому, что у него есть кому отдать "лишние" кванты действия, а капля принимает сферическую форму в невесомости и даже просто будучи взвешенной в газе потому, что, во-первых, молекулы воды в жидком состоянии "владеют" меньшим числом квантов действия, чем в состоянии пара, а, во-вторых, обладая формой шара, молекулы воды меньше возмущают окружающее пространство, чем если бы обладали любой другой формой. Таким образом, материя совершенно не боится обладать экстра-энергией. Она просто пытается принять такое состояние и форму, в котором обладала бы наименьшим числом квантов действия и наименьшим образом возбуждала бы окружающее пространство. То есть, элементы одного пространства пытаются занять наименьшее место в другом, окружающем их пространстве.
Что касается чёрных и белых дыр, я ничего не могу ответить по этому поводу, поскольку они отсутствуют в моих представлениях. Вместо них мне хотелось бы видеть коллективное вращение элементов электромагнитного пространства со свойствами, аналогичными гравитации. Но как обстоит дело с дырами на самом деле, я не знаю.
И ещё. Для более полного раскрытия темы следовало бы рассказать о том, как неравновесная система стремится стать равновесной - о принципе максимального переноса действия. И о предельных свойствах кванта действия, что является причиной многих фазовых переходов и разных интересных явлений. Но об этом как-нибудь в следующий раз.
Искренне ваш, Дулин Михаил.
В этом году было очень много интересных вопросов. Вот некоторые из них:
Eduard V. Melnikov спрашивает: "Значит квант действия это напряжение между бозонным и фермионным полем, магнитное поле одним словом, распределённый разомкнутый хаос? И что такое время? Почему оно вечно, чем конституируется его вечность в открытой системе?" Этот вопрос возник в заключительном из серии моих постов, посвященных критике взглядов Карло Ровелли на квантовую гравитацию.
wampus-999 написал пост " Физика или математика?" на основе своей дискуссии с evgeniirudnyi, в котором обсуждается отношение этих двух наук друг к другу и утверждается, что "далеко не все математические конструкции соответствуют тому, что реализуется в природе". Будучи согласным с этим утверждением, мне пришлось написать пост " Что заставляет механическую систему быть необратимой во времени?", в котором обсуждаю конкретную проблему обратимости по времени математических моделей и необратимости реальных физических процессов.
alexbreeze спрашивает, как возможно такое, что скорость света - константа и почему? В процессе ответа на этот вопрос получился интересный пост.
esowriter спрашивает, откуда, как и почему возникает спин? Более фундаментального вопроса, чем этот, кажется трудно придумать. Поэтому для ответа понадобился дополнительный пост.
division___bell спрашивает, можно ли "на пальцах" объяснить, какая связь между моментом импульса электрона (тот самый спин, верно?) и структурой пространства? И элементами какого пространства являются "ядерные" частицы? Понадобился дополнительный пост, чтобы всё это объяснить.
nezrim удивляется, что "Спин квантуется, подобно заряду. При том, что это векторная величина. А вот импульс, например - НЕ квантуется. Хотя, вроде бы, импульс ближе по смыслу к спину, чем заряд". Для обсуждения этого вопроса понадобился отдельный пост.
termometr одобряет идею о дискретности окружающего нас пространства, состоящего из квантов действия и обладающего собственным вращением. Интересная в результате дискуссия получилась.
trita рассуждает о метафизическом смысле понятий "распределения одного кванта действия по нескольким частицам", "никакого трения", "вращение пространства", а мне приходится "оправдываться" и объяснять, что я вкладываю в эти понятия. Получилось, на мой взгляд, интересно.
trita спросил, что можно было бы сейчас сказать о странной картинке начала прошлого века - схеме атома водорода, внутренность которого заполняли структуры, состоящие из трёх элементов? По этому поводу пришлось написать отдельный пост, который в конечном итоге оказался существенным развитием моей концепции элементарных частиц как топологических элементов.
tretiykon размышляет на тему, где в возбуждённом атоме может может находиться фотон до своего излучения? В качестве ответа на этот вопрос был написан целый пост.
esowriter с долей шутки спрашивает, что может физик сообщить о нирване, если ад мы уже немного разобрали?
Eduard V. Melnikov спрашивает, что такое квант действия и как его лучше всего представлять?
alexbreeze тоже спрашивает, реальна ли энтропия и какова её связь с принципом минимума действия?
А в начале этого года были мои ответы на загадки ( здесь и здесь), заданные читателям в самый канун Нового Года. С наступающим праздником, дорогие друзья!
Вот вопрос, претендующий на роль победителя и заданный блогером vermishell, который почему-то удалил свой аккаунт и сам вопрос, не дождавшись ответа. Тем не менее, его вопрос звучал так: "Почему у материи есть такая боязнь экстра-энергии? Возбужденный атом старается избавиться от излишка энергии и излучает квант энергии, нагретое тело стремиться остыть, капли принимают в невесомости сферическую форму, чтобы на поверхности была минимальная энергия и т.п. Материя боится энергии как черт ладана! Разве что черные дыры ее засасывают и не извергают наружу. Но есть белые дыры.)"
Все мы знаем, что физическая система всегда старается принять минимально возможную энергию по отношению к своему окружению, и она это делает всякий раз, как у неё появляется такая возможность. И этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока поток энергии из системы не сравняется с потоком энергии в систему, то есть, не наступит известное нам термодинамическое равновесие между телом и его окружением. Если система будет (почти) замкнутой, то её энергия остаётся (почти) постоянной, но зато энтропия старается принять своё максимальное значение. "Почти" - это потому, что не бывает абсолютно изолированных систем за исключением, возможно, нашей Вселенной, но и это мы не можем знать наверняка. Нам кажется очевидным стремление систем к термодинамическому равновесию, например, что тёплое тело всегда нагревает холодное, а не наоборот, но почему это так происходит, мы на самом деле не знаем. Ведь термодинамика - наука эмпирическая, основанная исключительно на известных нам опытных данных. Видимо, поэтому время от времени возникают желающие построить Вечный двигатель, чтобы черпать энергию из Ничего или хотя бы из Физического вакуума. Ещё хуже дело обстоит с энтропией, поскольку ни наши органы чувств, ни приборы не могут нам подсказать, что происходит с ней в системе. И только вычисления указывают направление её изменения.
Почему это происходит именно так, - и будет первым ответом на поставленные выше вопросы.
[Spoiler (click to open)]
Правильный ответ будет такой: во всём "виноват" принцип наименьшего действия, давно известный нам из классической механики. Там он не просто принцип, а принцип фундаментальный, поскольку с его помощью можно получить в явном виде уравнения движения механической системы и вывести законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Но почему он работает, мы не знаем. Знаем лишь то, что одиночная частица выбирает всегда кратчайший путь при движении между двумя точками и делает это за минимальное время. Минимальность пути и времени вытекает из того факта, что между этими двумя точками оказывается минимальной интегральная величина действия L, равная ∫Etdt или ∫pxdx, что при постоянных энергии E и импульсе p частицы даёт нам кратчайшее время и путь. Принцип наименьшего (интегрального) действия даёт нам не только упомянутые выше законы сохранения, но, как показала в своё время Эмми Нётер, равномерность течения времени, однородность и изотропность пространства, поскольку это минимальное интегральное действие сохраняется при преобразованиях в пространстве таких, как вращение и параллельный перенос.
Поскольку мы занимаемся построением пространства и всего, что нас окружает, из дискретных элементов - квантов действия, равных постоянной Планка h, то для нас принцип наименьшего действия будет означать минимальное количество квантов действия, затраченных на преодоление пути между двумя точками. Каждый квант действия, последовательно уложенный между ними, будет представлять собой величину h=Eτ=pλ, где τ - характерный интервал времени, а λ - характерный отрезок длины в нашем пространстве (или длина волны по де Бройлю). Теперь становится понятным смысл сохранения энергии и импульса для одиночной частицы: у неё просто имеется единственный квант действия h. Частица не может его не иметь, будучи помещённой в окружающее пространство, она как бы занимает место фотона, тоже обладающего квантом действия h, и который мог бы быть на месте частицы, если бы её не было. Поэтому частица не может совсем не иметь кванта действия, как не может обладать двумя, тремя и более квантами действия при обычных условиях. А вот в условиях сильных взаимодействий это условие может нарушаться, но мы не будем сейчас это обсуждать. Но одиночная частица может изменить, например, свою энергию E и импульс p в рамках своего кванта действия h=E1τ1=E2τ2 или h=p1λ1=p2λ2 при упругом взаимодействии с другой частицей, но сама величина h измениться не может. Это закон природы, поскольку квант действия h является универсальным "кирпичиком", из которого построено всё в этом мире. Спин, заряд и масса каждой элементарной частицы - все они выражаются через квант действия: s=½(h/2π), e=h/μ, m=h·Ri, где μ - квант магнитного потока, а Ri - элементарный поток кривизны (Риччи), соответствующий данной массе. Таким образом, мы подходим к формулировке нового закона сохранения, пока ещё неизвестного современной науке: в замкнутой системе всегда сохраняется полное число квантов действия. Пусть этот закон будет Новогодним подарком для вас, дорогие читатели! (Замечание: говоря о массе, мы не рассматриваем здесь ядерные реакции. Но и в этом случае полное число квантов действия будет сохраняться, просто эти кванты будут переходить из одного пространства - ядерного, в другое - окружающее нас электромагнитное пространство.)
Кроме одиночных частиц нам нужно рассмотреть систему взаимодействующих частиц и показать, что озвученные законы сохранения там тоже работают. Если мы имеем, допустим, один из благородных газов, состоящий из одиночных атомов, то полное число квантов действия в системе будет равно числу атомов N в системе, и L = N·h. Это соответствует представлениям де Бройля о том, что одиночная частица или одиночный атом должны обладать одним квантом действия каждый. Но это будет справедливо, если мы не будем учитывать кванты действия внутри пространства атомных электронных оболочек, а это - особое пространство, отличающееся от электромагнитного и ядерного. Но в условиях термодинамического равновесия так можно считать, поскольку равенство потоков квантов между пространствами приводит к сохранению их числа в каждом пространстве. В твёрдых телах и жидкостях полное число квантов в системе будет уже меньше числа атомов в системе, то есть, L < N·h. По-прежнему, мы не учитываем кванты действия в электронных оболочках и ядрах атомов. (Про ядра можно, как правило, забыть, если ядерные реакции отсутствуют.) Слово "меньше" тут играет принципиальную роль, поскольку этим условием определяется фазовое состояние вещества: газ, жидкость или твёрдое тело. Более того и в жидкости, и в твёрдом теле обязательно реализуется ситуация, когда на один квант действия приходится несколько частиц (атомов или молекул): две, три и так далее. Но не одна! Одна - это условие газообразного состояния.
Такая ситуация, когда один квант действия принадлежит нескольким частицам, казалось бы противоречит утверждению выше о его неделимости. Но противоречия тут нет. Квант действия не делится на несколько частиц, он их связывает в единое целое! Но внутри кванта действия работает принцип неопределённости, и мы принципиально не знаем, как он распределён по частицам. Это - единое целое, и оно выступает дальше как самостоятельная квазичастица. Это состояние, которое иногда называют когерентным, не может разрушиться, пока квазичастица не получит извне хотя бы ещё один квант действия. Два кванта, как правило, разделяют квазичастицу на две, но так бывает не всегда. Иногда бывает выгодно "накачивать" квазичастицу квантами действия до тех пор, пока число квантов действия в ней не сравняется с числом частиц. Вот тогда квазичастица точно развалится и превратится в газ (пар) в виде нового фазового состояния. Дополнительно здесь замечу, что идея о распределении кванта действия по нескольким частицам является новой, она возникла из анализа экспериментов по целочисленному квантовому эффекту Холла (обсуждается в ряде постов этого блога) и понадобится нам при обсуждении физического смысла энтропии. А пока "до кучи" скажем, чем отличается жидкость от твёрдого тела. Отличие заключается в том, что в твёрдом теле разрешены только поступательные (колебательные) движения, а в жидкости становятся разрешенными ещё и вращательные. А возникает это "разрешение" тогда, когда твёрдый кристалл "накачивается" квантами действия в процессе его нагрева до такой степени, что ни атомы (молекулы) в кристалле, ни электронные оболочки в атомах больше не могут принимать дополнительные кванты действия, и наступает необходимость их превращения в элементы нового пространства, в котором теперь могут возбуждаться вращательные движения. На это указывает обнаруженная экспериментально минимальная удельная энтропия, необходимая для плавления: S=k·ln2. (Величина ln2 означает, что в системе существуют по крайней мере два уровня: основное и возбуждённое.)
Теперь мы знаем, что термодинамическая система в состоянии своего равновесия характеризуется набором законов сохранения, которые всего лишь являются разными и частными проявлениями закона сохранения полного числа квантов действия в системе. И сохранение этих законов поддерживаются тем, что между системой и её окружением существуют равные потоки квантов действия. Мы знаем, что кванты действия могут принадлежать как отдельным частицам, так и нескольким сразу, превращая их в единое целое - квазичастицу. Но ещё не догадываемся, что полный набор таких распределений составляет физический смысл энтропии как логарифма их полного числа. Между тем это - так, и частный пример формулы энтропии для идеального газа S(T,V) = N(CV·lnT + k·lnV + const) показывает, что вклад в энтропию состоит из пространственной части k·lnV, где объём газа V создаётся набором пространственных масштабов λi=h/pi всех частиц газа, и временной части CV·lnT, где температура газа T создаётся набором обратных временных масштабов 1/τi=Ei/h. При фиксированном объёме газа V максимум энтропии S будет определяться максимальным числом всевозможных комбинаций 1/τi в газе. А это число, как мы можем убедиться тоже на простейшем примере движения одиночной частицы, будет максимальным, если мы сложим вместе все величины 1/τi=E/h, которые пробегает частица, двигаясь по прямой из одной точки в другую. Ведь, если хоть на одном участке h частица отклонится от прямой, то величина 1/τi уменьшится, а вместе с ней уменьшится и вклад в полную энтропию движения частицы. Таким образом, на частных и простых примерах мы попытались обнаружить связь принципа минимального действия с максимальной энтропией системы в условиях термодинамического равновесия. Кому-то наши рассуждения могут показаться неубедительными, но это была наша первая попытка получить такую связь, и она нас вдохновляет.
Мы проделали долгий путь и пришли к тому, чтобы ответить на вопросы, заданные в начале этого поста. И ответ будет простым и единственным: "Во всём виноват принцип наименьшего действия". Он виноват в том, что атом с возбуждённым электроном стремится избавиться от своего "лишнего" кванта действия, которым обладает электрон на своём возбуждённом уровне, и испустить фотон с тем же квантом действия h и энергией E=h/τ, где период "колебаний" фотона τ равен промежутку времени для его испускания электроном. Нагретое тело стремиться остыть потому, что у него есть кому отдать "лишние" кванты действия, а капля принимает сферическую форму в невесомости и даже просто будучи взвешенной в газе потому, что, во-первых, молекулы воды в жидком состоянии "владеют" меньшим числом квантов действия, чем в состоянии пара, а, во-вторых, обладая формой шара, молекулы воды меньше возмущают окружающее пространство, чем если бы обладали любой другой формой. Таким образом, материя совершенно не боится обладать экстра-энергией. Она просто пытается принять такое состояние и форму, в котором обладала бы наименьшим числом квантов действия и наименьшим образом возбуждала бы окружающее пространство. То есть, элементы одного пространства пытаются занять наименьшее место в другом, окружающем их пространстве.
Что касается чёрных и белых дыр, я ничего не могу ответить по этому поводу, поскольку они отсутствуют в моих представлениях. Вместо них мне хотелось бы видеть коллективное вращение элементов электромагнитного пространства со свойствами, аналогичными гравитации. Но как обстоит дело с дырами на самом деле, я не знаю.
И ещё. Для более полного раскрытия темы следовало бы рассказать о том, как неравновесная система стремится стать равновесной - о принципе максимального переноса действия. И о предельных свойствах кванта действия, что является причиной многих фазовых переходов и разных интересных явлений. Но об этом как-нибудь в следующий раз.
Искренне ваш, Дулин Михаил.
В этом году было очень много интересных вопросов. Вот некоторые из них:
Eduard V. Melnikov спрашивает: "Значит квант действия это напряжение между бозонным и фермионным полем, магнитное поле одним словом, распределённый разомкнутый хаос? И что такое время? Почему оно вечно, чем конституируется его вечность в открытой системе?" Этот вопрос возник в заключительном из серии моих постов, посвященных критике взглядов Карло Ровелли на квантовую гравитацию.
wampus-999 написал пост " Физика или математика?" на основе своей дискуссии с evgeniirudnyi, в котором обсуждается отношение этих двух наук друг к другу и утверждается, что "далеко не все математические конструкции соответствуют тому, что реализуется в природе". Будучи согласным с этим утверждением, мне пришлось написать пост " Что заставляет механическую систему быть необратимой во времени?", в котором обсуждаю конкретную проблему обратимости по времени математических моделей и необратимости реальных физических процессов.
alexbreeze спрашивает, как возможно такое, что скорость света - константа и почему? В процессе ответа на этот вопрос получился интересный пост.
esowriter спрашивает, откуда, как и почему возникает спин? Более фундаментального вопроса, чем этот, кажется трудно придумать. Поэтому для ответа понадобился дополнительный пост.
division___bell спрашивает, можно ли "на пальцах" объяснить, какая связь между моментом импульса электрона (тот самый спин, верно?) и структурой пространства? И элементами какого пространства являются "ядерные" частицы? Понадобился дополнительный пост, чтобы всё это объяснить.
nezrim удивляется, что "Спин квантуется, подобно заряду. При том, что это векторная величина. А вот импульс, например - НЕ квантуется. Хотя, вроде бы, импульс ближе по смыслу к спину, чем заряд". Для обсуждения этого вопроса понадобился отдельный пост.
termometr одобряет идею о дискретности окружающего нас пространства, состоящего из квантов действия и обладающего собственным вращением. Интересная в результате дискуссия получилась.
trita рассуждает о метафизическом смысле понятий "распределения одного кванта действия по нескольким частицам", "никакого трения", "вращение пространства", а мне приходится "оправдываться" и объяснять, что я вкладываю в эти понятия. Получилось, на мой взгляд, интересно.
trita спросил, что можно было бы сейчас сказать о странной картинке начала прошлого века - схеме атома водорода, внутренность которого заполняли структуры, состоящие из трёх элементов? По этому поводу пришлось написать отдельный пост, который в конечном итоге оказался существенным развитием моей концепции элементарных частиц как топологических элементов.
tretiykon размышляет на тему, где в возбуждённом атоме может может находиться фотон до своего излучения? В качестве ответа на этот вопрос был написан целый пост.
esowriter с долей шутки спрашивает, что может физик сообщить о нирване, если ад мы уже немного разобрали?
Eduard V. Melnikov спрашивает, что такое квант действия и как его лучше всего представлять?
alexbreeze тоже спрашивает, реальна ли энтропия и какова её связь с принципом минимума действия?
А в начале этого года были мои ответы на загадки ( здесь и здесь), заданные читателям в самый канун Нового Года. С наступающим праздником, дорогие друзья!