Живая наука – 2. Комиксы естествоиспытателя

Живая наука – 2. Комиксы естествоиспытателя
Рем Ворд

Новый вид физического взаимодействия – Паули-поле. Эволюция последовательно проводимых экспериментов как Машина Времени. Связь подобных форм. Сенсационные опыты на кухонном столе. Классическая наука. И еще, по теме исследований, немного трогательной научной фантастики. Это дороже денег.

Живая наука – 2

Комиксы естествоиспытателя

Рем Ворд

© Рем Ворд, 2019

ISBN 978-5-4496-9114-9 (т. 2)

ISBN 978-5-4496-9115-6

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Паули-поле? Дальше будет интереснее

1. Со школьной скамьи мы знаем, что постоянный магнит разделен на две равные половины. Линии поля легко можно сделать видимыми с помощью железных опилок и листа картона, в известном опыте, или же масла с взвешенными в нем ферромагнитными пылинками. То же самое, с другим материалом, проделывается по отношению к статическому электрическому полю.

Делятся ли обычные, не магнитные, не наэлектризованные предметы на сколько то частей внутри себя? И, если это так, то какой метод можно использовать для наглядного определения разделения?

Постановка темы выводится из задачи, решение которой автор, сколько бы он ни листал учебники физики, так и не получил. Согласно принципу Паули в пределах квантовой системы, в данном квантовом состоянии, вправе находиться единственный фермион. Состояние другой такой же микрочастицы должно отличаться хотя бы одним квантовым числом. Фермионы суть атомы таблицы Менделеева. При определенном состоянии, свойствами бозона, своего рода антипода грузной материи, обладает гелий. Бозоны – частицы с целочисленным спином, как то кванты света, фотоны, накапливанию которых в некоем участке пространства ничто не препятствует.

Что же такое «квантовая система» и насколько она может быть велика? Какие физические силы расталкивают одинаковые микрочастицы? И, можно ли получить наглядное изображения действия, так скажем, Паули-полей?

Ответ на первый вопрос учебники формулируют туманно. «Это атом». Насколько большой атом? «И молекула». Молекула тоже может быть крупной, гигантской, десятки миллиардов атомов, вспомним хотя бы ДНК. Она тоже – «квантовая система»? Являются ли оной пляшущая в луче света пылинка, маковое зернышко, строительный кирпич или даже мы сами?

Ответа нет. Поэтому мы переходим к эксперименту. Характерные размеры используемой емкости – 10 на 18 см., высота 5 см. Материал – пластик, алюминий, нержавеющая сталь. Проявляющий неведомое поле раствор – взвесь тончайших металлических опилок в сахарном сиропе. Именно он является посредником между микромиром и зримой реальностью. Проявитель не обязательно должен обладать ферромагнитными свойствами. Вполне подходят взвешенная в воде кварцевая пыль или даже акварельная краска.

Раствор плюс емкость – ничто иное как пресловутая «квантовая система». Кто сказал, что она не может иметь макроскопические размеры? Взвешенные в растворе, сколько то изолированные друг от друга пылинки, имеют свой собственный спектр. И в пылинке А, и в подобном кластере В есть набор микрочастиц, имеющих одинаковые квантовые числа. Согласно принципу Паули, как мы его вправе понимать, пылинки должны разойтись на максимально возможное в данных условиях расстояние. Вектор их диффузии направлен в те области емкости, где кластеры изменят свой спектр так, чтобы не быть похожими на соседей.

Что это означает практически? Подогреваем «проявитель» до 80 С и заливаем прямоугольную емкость. Закрываем керамической плиткой. Ждем два часа, когда пылинки улягутся на дно. Смотрим. Как видно на фотографии 1, на дно емкости оседает некое подобие британского флага. Форма делится пополам вдоль и поперек и еще на четыре симметричные части по диагоналям. Это и есть стиль деления предмета линиями Ферми. Симметричные части дна покрываются кластерами, сколько то отличающимися квантовыми числами. Если уместен такой пример, так на одной орбитали атома удерживаются электроны с антипараллельными спинами. Но, вдруг за поведение танцующих в сиропе пылинок ответственны не таинственные Паули-поля, а банальные тепловые потоки? С начала прошлого века известны «ячейки Бенара» – похожие на соты шестиугольные структуры, возникающие в слое подогреваемого масла. То, что наблюдается в емкостях с проявителем, вовсе не похоже на конвективные потоки. Бюретка может иметь размеры 40 на 30 см. и более. Линии «флага» прямые. Конвективное круговое движение отсутствует. Взвесь «проявителя» без лишних движений занимает положенные участки. Тепло, как энергия, обеспечивающая направленную диффузию важно. Но, оно лишь помогает проявить действие поля, так же, как постукивание по листу картона вынуждает опилки выстраиваться вдоль магнитных линий.

2. Возьмем емкости 10 на 18 см, и соединим их сторонами (фотография 2). Зальем «проявителем» и оставим остывать под листом стекла. Что произойдет? Вариант 1. В каждой из емкостей вырастет собственный «флаг». Такой результат допускает мысль, что картина вызывается колебаниями жидкости, ее отражением от стенок, фокусом волн. Вариант 2. Создастся единая картина распределения частиц взвеси. Это означает, что стенка не препятствует взаимодействию. Тогда внутренние волны и конвективные потоки не при чем. Правильный ответ – 2. Совмещенные бюретки – единый объект с общей картиной Ферми-линий.

3. Посмотрим теперь, как линии Ферми (или уж Паули, терминология ведь еще не определена) делят какие-либо объекты по вертикали. Теперь наш инструмент исследований – бюретка высокая и узкая. Заливаем в нее горячий «проявитель», закрываем, наблюдаем. От дна до поверхности вытягиваются линии. Как видно по движению фрагментов, образования никак не связаны с конвекцией. Собственно и самой конвекции нет – лишь медленное равномерное движение частиц ко дну. Основная, четкая линия делит емкость пополам. Из-за обилия тонких нитей (на фотографии практически неразличимых) определить точное разграничение светлых и темных участков сложно. Бюретка делится на три равные части – светлую в центре (ее пересекает основная линия) и темные. Это и есть наш британский флаг в вертикальном срезе

Поставим опыт с пластиковой трубкой, внутренним диаметром 1, 2 см., длиной 120 см. Проявится ли действие поля на значительном расстоянии? Заполняем трубку «проявителем», закрываем отверстия, разогреваем на водяной бане до 90 С, разворачиваем и наблюдаем… И в этом случае трубка, она же длинная узкая бюретка делится на три основных части. Центральная линия не просматривается. Темные и светлая области примерно равны. Неведомая сила, которую мы назвали Паули-полем расталкивает взвесь к противоположным концам трубы. Представлен рисунок и фотография края трубки (фотография 4). Как видно, и здесь взвесь разделяется на участки. Паули-поле разделяет симметричный объект на подобные части. Известен ли опробованный физический метод выявления у предмета взаимно подобных зон?

Самопроизвольное разделение взвеси в прямоугольной пластиковой емкости, длина 65 см, ширина 5 см.

Рисунок 5. Фигуры Хладни

Фотография 6. Справа – изображение, полученное осаждением взвеси на дно чашки Петри, справа – фигура Хладни

Пример более сложных звуковых фигур Хладни

Опыты с вибрирующей капелькой воды и краской-маркером

Фотография 7. Отливка из гипсовой смеси с добавлением не такого уж мелкого песка (вид снизу). Мелкие фракции собираются в центре, на пересечении диагональных линий. Знание того, что при определенных условиях в центре вашей отливки образуется уязвимое место, может быть полезно

Фотография 8. Гипсовая отливка в закрытой емкости с добавлением чернил в качестве маркера… Знаменитые фигуры Хладни как модель развития «линий Ферми» – не то ли, что мы ищем? Если заставить пластину вибрировать, песок на ее поверхности образует довольно интересные рисунки. Резонируют соседние симметричные участки. Это условие соответствует запросу на определение Ферми-зон внутри объекта. Взгляните на характерный узор (рис. 5). Не напоминает ли он уже известный «флаг», выявленный осевшей взвесью? Подобные картины выявляются в емкостях и другой формы (фото 6)

С увеличением частоты количество линий Хладни увеличивается. Узор меняется, но схема его остается прежней. Существуют методы проявления паттернов в трехмерных материальных образованиях, например капельке воды, облучаемой звуком. Развит компьютерный расчет узоров Хладни. В чем может быть полезно такое знание?

Переводим исследования в практическую плоскость. Отливки, строительные блоки, это важно. Можно ли определить уязвимые участки, пользуясь представлениями о Ферми-областях? Заливаем гипсовую смесь нагретой до 90 С водой с маркером – краской. Закрываем емкость. Даем смеси остыть и затвердеть.

Полученный брусок разрисован так же, как дно бюреток с «британским флагом». Просматриваются широкие диагональные линии. Здесь собираются самые тонкие фракции, образуются неоднородности. Отливка трескается именно по линиям (фото 7, трещины выделены). Физическими методами, или же компьютерным моделированием, в объекте произвольной формы можно определять участки его наименьшей прочности. В Сопромат необходимо внести дополнения…

Если наличие Паули-полей и Ферми-зон (именно макроскопических областей внутри объекта, а не особенностей его спектра) подтвердится, для науки откроется захватывающая перспектива. Некоторые опыты, уже выходящие на грань научной магии, приведены в книге «Живая наука-1». К сожалению, эксперименты со взаимно подобными и пространственно разделенными формами не отличаются хорошей воспроизводимостью, и рассказывать о них сейчас рано. Память о прошлых экспериментах будто вмешивается в ход каждого нового опыта. Может быть, это характерная особенность квантовых систем, а не досадная ошибка? Если мы переносим законы атомной механики в наш мир, получаем слишком много вопросов.

Прямоугольные бюретки с оседающей горячей взвесью разделены расстоянием в 6 см. Роль теплообмена в воздействии на взвесь очевидно, минимальна. Однако общие «линии Ферми» проявляются и в этом случае, примерно так, как показано на фотографии, и проясняющем детали, видимые глазом (но не фотокамерой), рисунке. Возникает искушение поместить в одну из емкостей некий небольшой предмет, «метку», чтобы посмотреть, как его наличие отразится в аналогичной форме. Подобные опыты, как показано в книге «Живая наука-1» уже неоднократно проводились автором. Согласно ли еще не разгаданным законам квантовой механики, или другим причинам, положительный результат имеет тенденцию к угасанию.

Интересный результат, который объясняется либо какой то физической банальностью, ли все же представляет действие продвигаемого нами в широкие массы научной общественности, Паули-поля. Имеется стеклянный резервуар на 80% наполненный горячим (80—90 С) сиропом с взвесью тонкого металлического порошка. Мы добавляем еще 20% обычной холодной воды, осторожно размешиваем и закрываем крышкой. Спустя 15—20 минут образуется картина из аккуратных темных и светлых полос. Эти образования не перемешиваются друг с другом, и сохраняются в течении нескольких суток. На самом деле, столь четкое разделение слоев воды – не банальность. Данное явление немало озадачивает ученых, исследующих толщи озер, морей и океанов. Клинья воды с особенными свойствами, на глубине, порой – необычайно устойчивые образования. Звук отражается от стенок образованного таким образом звукового канала и так способен преодолевать расстояние (да-да) в десятки километров. Еще как то можно понять существование одного, двух, пусть даже трех скачков плотности жидкости. Однако здесь мы имеем картину из десятков слоев одинаковой толщины (0,7 – 1 см.), от дна до самого верха лабораторной емкости. Прибегнем к понятию «Паули-поле». Из-за наличия сил расталкивания, или уж, избегания одинаковых, достаточно малых объектов, они распределяются в жидкости неравномерно. Физическое отталкивание не дает полосам смешиваться и оседать на дно, даже несмотря на естественную диффузию. Однако, почему же Паули-поле не расталкивает частицы, находящиеся в каждом горизонтальном слое? Это можно объяснить тем, что данное поле неизотропно. Выталкивающая сила направлена в данном случае вверх и вниз, но не по горизонтали. Примерно так образуют свои слои гидрофильные или уж, гидрофобные молекулы. Возможно, в некоторых случаях, на микроскопическом уровне, действие Паули поля маскируется этим действием. Однако мы предполагаем, что «руки» нового вида взаимодействий гораздо длиннее молекулярных связей. Один сантиметр – далеко не предел. Еще одно объяснение – каждый слой имеет градацию спектра по горизонтали. Собственно, предыдущие опыты с оседанием частиц взвеси на дно бюретки, показали это вполне убедительно

Перенесем наши построения в космические дали. Вот, знаменитые кольца Сатурна. Состоят они как из пылинок, песчинок, так и из довольно крупных, изрядно обкатавшихся глыб размерами порядка один метр. Сосуществуют они, как полагают астрофизики, сотню миллионов лет. Почему же слои не смешиваются? Рано или поздно, благодаря своеобразному «броуновскому движению», это должно было бы произойти. Также, смешению элементов колец всемерно содействуют гравитационное, магнитное, электростатическое поля. Наше предположение – Паули-поле. Именно оно не позволяет и космической пыли, и более внушительным камешкам, плавающим в невесомости, держаться друг от друга на некотором отдалении. Наше предположение о некоей неизотропности П-поля подтверждают проявляющиеся на кольцах Сатурна, тянущиеся на десятки тысяч километров, так называемые «спицы». Если бы у нас хватило фантазии, мы могли бы предположить даже, что за расталкивание галактик со все возрастающей скоростью («красное смещение») или по меньшей мере удержание гравитирующей Вселенной в стационарном состоянии, также ответственно Паули-поле

Одна из парадигм Живой Науки – взаимодействие тел всегда происходит не их общим объемом, по центрам масс или зарядов, а как индивидуальный обмен квантами, складывающих их микроскопических частиц. В среднем получается примерно то же, как если бы макроскопические объекты соединялись привычными нам центральными силами. Но, есть значимые нюансы. Попробуем разобрать опыт, приведенный в предыдущем издании «Живой науки». Представьте, что у вас в руках есть два постоянных магнита. Измените положение одного из них – ему тут же отзовется другой. Представим теперь, что это элементарные магнитики – атомы железа с кружащими по орбитали электронами (с нескомпенсированным спином). Подвигаем один – изменится положение другого, не так ли? Все то же самое. Если же дать атому температуру, ускорить его колебания в решетке металла, не увеличится ли соответственно скорость теплового движения второго элементарного магнита? Увеличиваем число магнитов до многих триллионов, чтобы получить видимый нашим глазом постоянный магнит. Итак, если нагревать магнит, находящийся в полевом взаимодействии с другим магнитом, станет ли от того этот второй также теплее? Это вопрос, на который с ходу ответить довольно трудно. Считается, что, грубо говоря, «магнитное поле не плавится», им можно запросто удерживать высокотемпературную плазму, не опасаясь некоей отдачи на магниты Токамака или Стелларатора. Однако, не в этом ли причина тотальных неудач в строительстве водородных «электростанций будущего»? Автор провел несколько опытов, в которых пытался перенести тепло с одного магнита на другой посредством одного лишь магнитного поля. В пределах 0,1 С, при нагреве одного из магнитов на 120 С, при расстоянии 4 см. (уж не знаю, какова напряженность магнитного поля у магнитов из звукового динамика), передачи тепла не произошло. Отрицательным оказался результат и для взвеси намагниченного порошка в густом сиропе. Однако, это все вовсе не означает, что подобное явление в природе не существует. Уход от понятия «центральные силы» и замена их на термин «усредненные силы» означал бы определенно, прорыв в науке.

Определенный перенос тепловой энергии возможен не только магнитными, электростатическими силами, но и, надо полагать, посредством гравитационного поля. В первых двух случаях, согласно законам классической квантовой механики, взаимодействие передается квантами. Что такое «квант электромагнитного поля» в учебниках физики прописано вполне ясно – это фотон, колеблющаяся тонкая (половина длины его волны) ниточка, для видимого света имеющая длину около 3 метров. О квантах статического (консервативного) магнитного и электрического полей ученые пишут весьма глухо. Иногда в рассуждениях и схемах взаимодействия зарядов всплывают некие клеящие «глюоны». Однако, как именно они помогают микрочастицам общаться на макроскопических расстояниях – не вполне ясно. Наиболее проблематично квантование гравитационного поля. Представить уходящие в бесконечность силы притяжения набором этаких клубочков-гравитонов довольно сложно. Стыдно сказать, до сих пор, в натурном физическом (лабораторном) эксперименте даже не измерена скорость распространения гравитационных волн. Простейший вариант – вакуум, резкое смещение массивного шарика – измерение скорости отклика второго объекта. По умолчанию, в расчетах положения небесных тел «скорость гравитации» считается бесконечной. В другом варианте она представляет собой известную константу С – 300 000 км. с. Все же и гравитационные силы, скорее всего, представляют собой паутину переменчивых связей между элементарными приемниками и передатчиками любого поля – микрочастицами. И, в этом случае теплоперенос посредством гравитационного взаимодействия вполне возможен. Ныне принято считать, что за подогрев земных недр, в течении как минимум, немалых 3,5 миллиардов лет ответственны содержащиеся в объеме планеты радиоактивные элементы. Уважаемый читатель, сколь вы не листайте учебники и монографии, вы не найдете подробный отчет, что это за элементы, каково должно быть их содержание и период полураспада, чтобы стабильно поддерживать температуру так долго, и почему наконец, пошедшая вразнос цепная реакция не разнесла нашу Землю на мелкие кусочки. Наш вариант. Планеты удерживаются мощной гравитацией Солнца. Именно по этому же каналу, посредством так скажем, «дистанционной диффузии» взаимодействующих микрочастиц, происходит перенос тепла от реактора звезды в недра планет. Земля, в свою очередь, обменивается таким скрытым теплом со своей спутницей – Луной. Напомним, что Селена не так уж холодна. Температура ее ядра (должного давно остыть) составляет около 200 С. Если же вы читали «Живая наука-1», то может быть, согласитесь с версией, что в дополнение ко всему вышесказанному, некоторую долю в теплообмене между телами небесными, и просто телами, занимает так называемый «скрытый свет». Так получается, что уловить скрытую компоненту луча способны только объекты (массивы вещества) имеющие те же спектр, температуру, в какой то мере состав, что и отправитель. Соответственно, такими приемниками-получателями в нашем случае являются определенные слои Солнца (признанного источника энергии) и ядро Земли.