Как убедиться, что квант действия "важнее" кванта энергии?
Oct 14, 2022 16:43
Время от времени читатели задают мне очень хорошие вопросы, которые почему-то я не сумел задать себе самому. Вот и сейчас в комментариях к предыдущему посту уважаемый alex_dvorak задал такой вопрос. Он настолько важен и интересен, что я не могу удержаться от соблазна дать ответ на него вам здесь, дорогие читатели.
alex_dvorak: "Насчёт моих "замечаний". Немного подумав ( :-) ) я понял, что на самом деле хотел сказать следующее. Количественные проявления различий для этих двух идеологически разных физических моделей (квант энергии и квант действия) можно уловить, видимо, практически везде (в принципе). И везде это будет, скорее всего, не убедительно - "ах, погрешность эксперимента, погрешность эксперимента". А вот можно ли на нашем неквантовом уровне придумать качественный эксперимент наглядно демонстрирующий некорректность одной из моделей (из уважения к классикам, не будем говорить какой именно)? Ну, как опыт Майкельсона-Морли, подтверждающий независимость скорости света от направления его движения. Хотя, вроде бы сейчас антиэйнштенианцами утверждается, что и этот эксперимент а) некорректен б)результаты не так трактуются и в) там много всего разного, никто не повторил как следует etc."
vida_louca: Вот перебираю в голове разные физические явления, где, как мне кажется, квант действия h может иметь преимущество перед квантом энергии ε, и не нахожу решающего эксперимента, ясно и однозначно это показывающего. Ведь, формальная разница между этими квантами из-за их пропорциональной связи h=ετ станет неразличимой, если постоянная времени τ окажется одинаковой во всех случаях сравнения между ними. [Spoiler (click to open)] Возьмём, к примеру, фотон. Чем будет определяться его движение: квантом действия или квантом энергии? "Квантом действия h", - скажет один, знакомый с принципом Мопертюи, - "поскольку полное действие минимально на пути фотона." "Квантом энергии", - скажет другой, знакомый с принципом Ферма, - "так как этот квант вместе с постоянной Планка h определяет и период τ, и длину волны света λ, соответствующие данному фотону, а принцип Ферма требует минимального времени (количества потраченных "квантов времени" τ). И оба будут правы, так как для фотона (и луча света из многих фотонов) никакой разницы нет, в чём измерять пройденное расстояние: оба кванта пропорциональны друг другу. Затраченное фотоном время для преодоления фиксированного расстояния между двумя точками будет одинаковым, а число потраченных квантов действия и "времени" будет разным, но одинаковым и для тех, и для других. А всё потому, как показала в своё время Эмми Нётер, что окружающее нас пространство однородно по времени для свободной частицы. На этом примере трудно сделать выбор в пользу одного из квантов.
Ещё одна трудность возникает, когда опять пытаешься сравнить квант действия с квантом энергии. Мы не можем непосредственно наблюдать действие (с размерностью момента импульса) иначе, чем вращение материального тела. Там хоть можно предполагать, что его вращение составлено из (многих) квантов действия. Но классическая механика однозначным образом связывает момент импульса с энергией вращающегося тела, и мы снова не можем сказать, какой из двух квантов будет главным. Для поступательного движения малой (квантовой) частицы мы в состоянии измерить её энергию, но не можем сказать, в какой момент мы времени это делаем, также как, измеряя импульс, остаёмся в неведении, в какой же точке пространства мы это делаем. Виной тому - природа кванта действия, его сущность, из-за чего мы не можем одновременно делать измерения указанных величин. И такая ситуация имеет прямое отношение к известному соотношению неопределённостей Гейзенберга (но не тождественна ей). Одним словом, мы не можем непосредственно определять ни величину одного кванта действия, ни их количество, участвующее в явлении. Только косвенным образом с помощью вычислений. Как это делается сейчас для наиболее точного определения величины кванта h по величине холловского сопротивления в целочисленном квантовом эффекте Холла (см. слайд 16 в одном из предыдущих сообщений). Или как сделал это в своё время Планк при вычислении спектра излучения в модели абсолютно чёрного тела. Или как получилось недавно у нашего общего знакомого по ЖЖ Антона Липовки (anton_lipovka), рассматривая расширение Вселенной в модели финслерова пространства.
И всё же существуют, на мой взгляд, такие макроскопические явления, в которых мы почти наверняка отдадим предпочтение кванту действия. Но не сейчас. Сейчас научное сообщество совершенно не готово отдать ему "пальму первенства". Уж куда как хорош был открытый в конце прошлого века целочисленный квантовый эффект Холла, где легко можно было увидеть роль кванта действия, но научное сообщество упорно предпочитает описывать это явление с помощью энергетических уровней Ландау. Плохо, неудобно, но квант энергии - это измеряемая величина в квантовой механике, для которой создан серьёзный математический аппарат, а квант действия там всего лишь константа, хоть и фундаментальная. Или вот Планк и Гейзенберг начинали свои научные достижения с обнаружения именно кванта действия, ответственного за наблюдаемые тогда "необъяснимые" явления. А сейчас? Никто и помыслить не может, что окружающее нас пространство (и не только оно) состоит из квантов действия. А раз так, мы совершенно не в состоянии предположить, что объяснение некоторых непонятных явлений лежит в очень простом предположении, что пространство может вращаться. Не в каком-то ином "пространстве", а само по себе, представляя собой неинерциальную систему, в которой возникают силы, неотличимые от гравитации.
Тем не менее, существуют модельные эксперименты (А. М. Фридман, “Предсказание и открытие новых структур в спиральных галактиках”, УФН, 177:2 (2007), 121-148), где на примере "мелкой воды" показывается образование спиральных структур там, где вращение воды на краях тарелки заканчивается и начинают возникать спирали. А недостаток светимости галактик и других вращающихся объектов в космосе? Так ли уж надо искать недостающую "тёмную материю" для объяснения наблюдаемого вращения? Может лучше признать, что вращается само пространство?
Может быть, и наше Солнце имеет меньшую массу, чем мы думаем? И удерживает планеты вокруг себя за счёт дополнительного вращения пространства вокруг себя? Когда ещё Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности сил инерции и гравитации именно для таких ситуаций?!
А чёрные дыры? Может быть, они чёрные потому, что там ничего нет и нечему светиться? А на месте дыры вращается пространство настолько сильно, что все частицы, обладающие массой, ушли оттуда туда, где вращение слабее? (См. вверху первое фото чёрной дыры в нашей галактике Млечный путь.) "А почему вращение самого пространства имеет тенденцию концентрироваться в области дыры?" - спросите вы. "Принцип наименьшего действия так работает", - отвечу я, - "он заставляет собираться элементы вращения вместе и принимать наиболее компактную форму. Каким предположительно является, например, торнадо в виде воздушного вихря на поверхности планеты Земля." А сам процесс образования вихрей при первоначально ламинарном течении жидкости в трубе с последующим переходом в турбулентное при увеличении перепада давления или, как часто говорят, - увеличении числа Рейнольдса Re? Не связан ли этот переход с предельной величиной кванта действия h или момента импульса h/2π, выше которого и быстрее не позволено вращаться никому? Смирились же мы с конечностью и предельностью скорости света c?! Как было бы хорошо и понятно, ясли бы за всеми этими явлениями стоял квант действия! Столько несломанных голов сохранилось бы для других дел!
В классических, макроскопических явлениях плохо то, что никаких квантов непосредственно не видно. А в микроскопических квант действия уж очень мал со своим значением: h = 6,626⋅10^(−34) кг·м²·сˉ¹(Дж·с). Но в то же время квант энергии ε может быть очень большим, например, как у фотона космического излучения, а энергия кванта радиоволны - очень маленькой. Вдруг, здесь можно выяснить, какой из квантов главнее, исследуя много одинаковых микрообъектов, когда они участвуют в поглощении (или испускании) света веществом в состоянии разреженного пара? Какие условия (или правила отбора) налагаются при этом на электронные переходы? - А чтобы состояние электрона изменилось ровно на один квант действия, неважно - за счёт поворота спина или изменения его орбитального момента на единицу. Но при этом всё в атоме описывается через величины энергии. Или возьмём явление (внешнего) фотоэффекта, который был объяснён Эйнштейном и за который он получил Нобелевскую премию. Чем объяснён? - Да, квантом энергии налетающего фотона, частота которого должна быть выше некоторого предела. А сам предел, называемый красной границей, чем объяснён? - Да, ничем. Он существует и всё, разный для разных материалов. А на самом деле существование этого предела (опять предела!) обусловлено необходимостью "приобрести" электроном один собственный квант действия с достаточно высоким значением энергии, чтобы быть свободным и покинуть металлическую поверхность, совершив некоторую работу. Потому что внутри металла электрон недостаточно свободен и "делит" общие кванты действия с другими электронами (опять см. Доклад в этом блоге - теперь с большой буквы в качестве цитаты). У падающего фотона длина волны составляет обычно несколько долей микрона, и в область его воздействия попадает большое число электронов. А вылететь за счёт одного кванта действия, доставшегося от фотона, может только один электрон, если этот квант не успеет распределиться по многим электронам в металле. И он не успеет, если его характерное время (период колебаний) τ в формуле h=τε будет достаточно маленьким. А энергия фотона ε, соответственно, будет достаточно большой, что нам и требуется для объяснения фотоэффекта. А фотонам с большими значениями τ и маленькими ε ничего "не светит", сколько бы их не падало, - все они будут разобраны коллективно другими электронами. (Явление фотоэффекта - неравновесное, здесь работает принцип максимального переноса действия, который мы сейчас обсуждать не будем, но который в одном случае даёт дорогу одному электрону, а в другом благоволит многим.) Важность рассмотрения кванта действия в этом явлении несомненна, но все "плюшки" по поводу кванта энергии достались Эйнштейну и никто их не собирается отбирать. Или возьмём явление сверхпроводимости. Почему ниже некоторой температуры (опять предел!) часть электронов проводимости перестаёт взаимодействовать с окружающей средой - другими электронами, ионами кристаллической решётки - и может беспрепятственно двигаться, поддерживая постоянным электрический ток? - Существующие теоретические представления по этому поводу (да, та же теория БКШ) используют в качестве основной идею, что в состоянии наступившей сверхпроводимости электроны образуют пары, становясь за счёт этого бозонами с целочисленным (нулевым) спином. А бозонам сам чёрт не страшен - огибай без рассеяния препятствия на своём пути и лети дальше. Правда, причина образовании электронами пары почему-то видится в их взаимодействии с фононами кристаллической решётки, пусть даже электроны разнесены друг от друга на приличное расстояние. (Опять всплывает тема квантовой запутанности, за исследование которой только что дали Нобелевскую премию по физике. И о которой мы нелестно отозвались в предыдущем сообщении этого блога.) Мы же видим причину образования пары (а скорее всего, это именно так) в другом. У связанной пары электронов её спин и суммарное действие на единицу меньше, чем эта сумма у отдельных электронов и в этом видится работа принципа наименьшего действия. А чтобы добавить этой паре ещё один квант действия h и разорвать её, - нужно постараться. Как могут судить прочитавшие в этом блоге наш Доклад о тепловом расширении твёрдых тел, передать при низких температурах этот квант ох, как нелегко. При этих температурах кванты действия h обладают малой энергией ε и большим временем τ в соответствии с формулой h=τε, а значит, за большое время τ электронная пара просто убежит с места события. Вот если бы время τ было малым, оно могло бы совпасть с временем развала пары, и "преступление" было бы совершено. Скорее всего, так оно иногда и бывает, поскольку этим поддерживается термодинамическое равновесие между двумя фазами (состояниями) с постоянным образованием и разрушением пар. Опять мы видим, что "виной" всему является квант действия. И эту точку зрения опять поддерживает целочисленный квантовый эффект Холла, утверждающий, что несколько электронов в состоянии, когда они связаны одним квантом действия h, совершенно не могут взаимодействовать с дефектами и примесями в исследуемом образце. Кстати, такое наблюдаемое в эксперименте поведение электронов до сих пор является загадкой для учёных.
После всех этих примеров круг нашего обсуждения замыкается, и мы снова возвращаемся к выводу alex_dvorak: "Квант энергии и квант действия можно уловить, видимо, везде". При этом нам не удалось придумать эксперимент, как отделить "работу" этих квантов друг от друга. Они всегда оказывались связанными и связанными линейно: h=ετ. Но их обсуждение в этом сообщении показывает, что они проявляют себя всё-таки по-разному. И эта разница помогала нам объяснить многие плохо понимаемые до сих пор явления. А то, что эти явления принадлежат разным областям физики, вселяет уверенность, что мы сможем со временем объяснить (или геометризовать, поскольку пространство - это геометрия) всю физику. Но это не будет "Теория Всего", рекламируемая западной наукой. Это будет совсем другая теория, основанная на кванте действия, как дискретной основе любого физического пространства.