Квантовые квазичастицы — 1

Так уж сложилось, что квазичастицам уделяется незаслуженно скромное внимание при изучении физики во всех школах, включая высшую. Они появляются в физике твёрдого тела скорее как математический объект, а природа и микроскопическая структура квантовых квазичастиц до сих пор остаётся тайной за семью печатями. Между тем, понимание микромира в целом, и свойств элементарных частиц, в частности, невозможны без привлечения этого объекта.

В статье предпринимается попытка дать первоначальное представление о квазичастицах — максимально образное и интуитивное.

 

 

 

Частицы

1. Из жизненного опыта и изучения физики представление о частице у нас ассоциируется с маленьким твёрдым телом. Это значит, что микрочастицы (частицы более глубоко уровня материи), из которых состоит тело, находятся в близком контакте друг с другом и сохраняют непосредственную связь благодаря силам упругости электромагнитной природы. Частица в себя всё же пропускает своих сородичей (диффузия), мелких родственников рангом пониже (свободные электроны, фотоны) и физические поля. Но, в целом, частица представляется "неприступной крепостью".

2. Частицы, которые считаются неделимыми, принято называть элементарными (ЭЧ). Таковыми в полном смысле их можно было бы считать, если бы они сохранялись неизменными во всех своих взаимодействиях. Раз этого не происходит, возможность наличия в природе более глубокого уровня материи остаётся. Правда, он не поддаётся изучению существующими методами. Косвенно о нём свидетельствуют некоторые вакуумные эффекты и явление квантовой спутанности.
При взаимодействии двух достаточно энергичных гамма-квантов рождаются всевозможные элементарные пары частица — античастица вместе с двумя полными наборами квантовых чисел.
Их появление можно объяснить двумя путями. Например, наличием в вакууме "зёрен", которые превращаются в элементарные частицы, возбуждаясь энергией фотонов. Другой вариант — наличие более глубокого уровня материи, частицы которого образуют множество связанных состояний, представляющих собой ЭЧ. Но тогда квантовые числа обусловлены только структурой ЭЧ и остаётся вопрос об алгоритмах её строительства. Возможен и объединённый вариант.

3. ЭЧ образуют соединения — новые частицы более высоких уровней организации материи — ядерного и химического. (Соединения не есть механическая сумма составляющих их частиц. За счёт взаимодействий между элементарными частицами соединения приобретают новые качества). Свойства соединений зависят не только от состава, но и от их пространственной структуры.
"Зёрнами" химического уровня являются атомы химических элементов. Возбуждённые атомы вступают между собой в реакции, а их имманентные свойства определяют структуру соединения.
Но не всегда однозначно. Так, химические элементы образуют различные аллотропные формы в зависимости от внешних условий в момент кристаллизации.

4. Некоторые разновидности частиц одного уровня способны конгломерироваться и образовывать тела. Тела могут находиться в разных агрегатных и фазовых состояниях, совершать переходы между ними, производить обмен своими частицами с частицами внешней среды. Сплошные протяженные тела иногда называют средами.
В некоторых случаях трудно провести грань между телом и частицей. Кристалл без примесей, например, скорее соединение (частица), а не конгломерат (тело, среда).

5. Твёрдые тела при свободном движении и ударах подчиняются "механическим" законам сохранения. Переносчиками сохраняемых физвеличин являются, по-видимому, виртуальные фотоны (виртуоны). Но не свободные, а передаваемые от микрочастице к микрочастице. Аналогично тому, как это происходит при теплопроводности, только намного быстрее.
(А в гравитационном поле — ещё не открытые ЭЧ). Механизм таких переносов не поддаётся исследованию. Скорее всего, он аналогичен механизму, который образует квантовые квазичастицы. (Об этом ниже).

6. Зато тепловые явления хорошо изучены, потому что переносчиками сохраняемых физвеличин являются реальные фотоны. Они создают в полости "поле" излучения, которое подчиняется законам Стефана-Больцмана и Вина, в дополнение к трём основным термодинамическим законам.
Особую роль играют фотоны инфракрасного диапазона, с которым перманентно взаимодействуют все без исключения микрочастицы тел. Именно ИК составляющая "поля" излучения ответственна за тенденцию к восстановлению теплового равновесия в открытых системах.
Фотоны других диапазонов тоже принимают участие в тепловых явлениях. Но не прямое, а при посредничестве кинетической энергии микрочастиц, в которую переходит часть или вся энергия провзаимодействовавшего (в частности, поглощённого) фотона.
(Тепловые явления "забивают" более тонкие квантовые и вакуумные явления, делая их изучение возможным только при температурах около абсолютного нуля).

7. Соединения могут, в свою очередь, образовывать частицы с новыми свойствами. Таким образом материя эволюционирует и создаёт свои новые уровни.

 

Квазичастицы

1. Кроме "твёрдых" частиц, могут существовать и объекты иного рода, в которых процессы диффузии или "обмена веществ" исключительно быстры. Такой объект можно продолжать считать частицей, если его физические параметры сохраняются. (Пусть они и колеблются около средних значений). Но если темпы обменных процессов сравнимы с темпами поступательного или вращательного движений частицы, то к такой частице принято добавлять приставку "квази" и нарекать квазичастицей (КЧ) . Её существование тесно связано с окружающей средой, её составом и состоянием.

2. Передача энергии-импульса между микрочастицами квазичастиц осуществляется не путём ударов или теплопроводности, а на расстоянии. Носителями, вернее, переносчиками энергии-импульса (ПЭ) выступают реальные фотоны. (Виртуоны тоже, но их воздействие сбалансировано и поэтому не регистрируется).
Квазичастицы являются распределённым физическим объектом. Он описывает пространственно согласованные состояния возбуждения микрочастиц, в которых энергия-импульс передаются ИК фотонами. Классические КЧ рождаются в тёплой среде (Т > 0), а квантовые — в абсолютно холодной (Т = 0 К).
В КЧ реальные фотоны когерентны. Тем не менее, классические КЧ неустойчивы, диссипативны, раньше или позже их микрочастицы разбегутся или потеряются. Их разрушает тепловой фон.

3. Эти же понятия можно применить и к социальным явлениям. Семья, например, это частица, но не 24 часа в сутки, а когда вся в сборе. Семья сохраняется и тогда, когда её члены расходятся по делам — благодаря несиловым информационным взаимодействиям (эмоциям), которые действуют всегда и на любом расстоянии. Но в таком "разобранном" виде её всё же нельзя назвать частицей. Но и понятие квазичастица не подходит, т.к. состав семьи один и тот же. Это на стройках, где рабочих нанимают на один день, и каждый день иных, можно говорить о "производственной" квазичастице. В микромире о таком постоянстве ничего не известно, поэтому изобретать новый термин для "периодически цельных" социальных частиц нет необходимости.
Следуя этой аналогии людей, находящихся в автобусе, можно считать телом. А толпу — средой.

4. Квантовая квазичастица — своеобразный объект. Он хотя и дуален (проявляет и корпускулярные, и волновые свойства), но стабилен. Объяснения этому современная наука не даёт, т.к. обычный волновой пакет всегда пространственно расплывается. Но и исследовать себя квазичастица не очень-то и позволяет. Целиком — ещё куда ни шло, микроструктуру — с трудом, а секрет устойчивости — вообще никак. Остаётся путь теоретического поиска и догадок:
1) КЧ в каждый момент времени представляет собой совокупность возбуждённых микрочастиц среды и переносчиков энергии-импульса (ИК фотонов), находящихся "в полёте".
Если в среде одновременно находятся несколько КЧ, они не смешиваются, сохраняя свою индивидуальность при прохождении друг сквозь друга. (КЧ могут взаимодействовать между собой в "перевозбуждённой" среде, или когда они очень плотны).
2) КЧ имеет макроскопические размеры. Она по размеру намного больше, чем расстояние между микрочастицами среды. "Соседские" взаимодействия не происходят.
3) Квантовая КЧ всегда самосогласована. Создаётся впечатление, что переносчики энергии-импульса точно знают, когда излучиться и где "приземлиться", чтобы возбудить новую микрочастицу среды. Она, в свою очередь, на короткое время станет частью следующего воплощения КЧ.
*Классическая КЧ по природе своей является квантовой, но разрушается тепловым фоном среды.

5. Чтобы объяснить природу квазичастиц, выдвинем следующие предположения:
1) КЧ иерархична. Одна её микрочастица выполняет функцию координационного ядра, а все остальные образуют оболочку. (Это в случае простейшей двухуровневой иерархии).
2) Статус микрочастицы в иерархии КЧ определяется уровнем её возбуждения. Возбуждение "размораживает" те или иные квантовые свойства микрочастицы. У микрочастицы ядра — в полной мере, у микрочастиц оболочки — партикулярно.
3) Переносчики энергии-импульса не могут априори "знать", как себя вести. Некое неведомое взаимодействие обеспечивает связность и согласованность микрочастиц КЧ на информационном уровне. (Поэтому оно не поддаётся регистрации). Но после открытия явления квантовой спутанности ситуация проясняется, хотя сами переносчики информации (ПИ) остаются загадкой. Ясно одно — они тахионы, их скорость на много порядков превышает скорость света.
Дело в том, что за время "работы" (возбуждения) текущего ядра, ему необходимо собрать информацию со всех без исключения микрочастиц оболочки! И всем раздать "указания" относительно момента переизлучения переносчиков энергии-импульса. (Возможно, и подготовить почву для их "приземления").

6. Примеры квазичастиц
1) Одним примером квантовой квазичастицы является сверхпроводящий виток электрического тока. (Причём, весь и целиком). В свою очередь, её микрочастицами являются куперовские пары. Они тоже квазичастицы, только рангом пониже. В их состав входят три микрочастицы — два удалённых электрона и положительный ион посередине, выполняющий роль координационного ядра.
Такая "матрёшка" во многом условна — сверхпроводящий виток является одной макро-КЧ с трёхуровневой иерархической структурой.
2) Несколько типов квантовых КЧ можно обнаружить в жидком гелии при 0 < Т < 2.17К, а некоторые генерировать искусственно.
3) Конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК) является особой "вырожденной" квазичастицей. Настолько особой, что протяжённую среду в таком состоянии можно считать пятым состоянием вещества — вакуумным. ( Подробнее об этом говорится в статье "Эволюция МАТЕРИИ")

7. Конденсат Бозе-Эйнштейна
БЭК — это пример покоящейся квазичастицы, из которой изгнаны все реальные ИК фотоны — вещественные переносчики энергии-импульса. (Правда, БЭК не абсолютно покоится, а ищет способы занять минимальную энергию во всех возможных полях).
Ввиду вышесказанного, БЭК будем называть не квазичастицей, а квантовым фоном или вакуумной средой. В ней остаётся информационное (спутанное) взаимодействие, а силы упругости — отсутствуют. Виртуоны себя не проявляют потому, что ЭМ поле исчезает. Электрические заряды теряют самостоятельность, попадая под "квантовое покрывало" — объединённую квазиоболочку.
Под ней действие виртуонов полностью скомпенсированно.

8. Рождение квазичастиц.
Тепловая энергия вакуума (БЭК) равна нулю. Если попытаться передать ему энергию — она пойдёт дискретными порциями на рождение (излучение) квантовых КЧ. Количество микрочастиц вакуумной среды уменьшится, а количество возбуждённых возрастёт и они будут согласованы между собой. Таким образом на вакуумном фоне оживут квантовые квазичастицы, обладающие энергией (температурой), импульсом, вращательным моментом и т.д. Это реальные квазичастицы.
(В механике, например, сталкивающиеся реальные тела по сути представляют собой одну виртуальную квазичастицу. Виртуоны обеспечивают выполнение законов сохранения).
Жидкий гелий при абсолютном нуле (сверхтекучая фаза) является единственным известным естественным примером вещественного вакуума.
(Классический вакуум называется физическим).

 

Аналогии 

Допустим, что общество состоит из людей, обученных выполнять все полицейские функции. Но право их применять жёстко регламентировано:
— обычный человек — f
0
— если у него есть жетон, то он рядовой полицейский — f
1
— если у него есть командирский жезл, то он командир отделения — f
2
Жетон и жезл приводят к тому, что люди обретают новый статус (аналогично возбуждению микрочастиц вакуумной среды).
Аналогом жетонов и жезла являются фотоны различных частот.
Представление начинается…

ФОНОН

1. Идёт молодёжный концерт, люди образуют в зале плотную толпу. На сцену кто-то вылез и чтобы его снять, вызвано полицейское отделение. Командир приехал один, но у него в кармане несколько жетонов. Вход в зал с противоположной от сцены стороны, поэтому надо добраться к ней через всю толпу. Для начала, командир равномерно распределяет жетоны среди зрителей в заднем ряду, образовав "дырявый фронт", в центре которого оказывается сам.
Своим полицейским он отдаёт приказания каждому в отдельности неким стандартным жестом (сигнал), при этом уперев в него свой взгляд. Приказ один — бросить свой жетон вперёд. (Все бросают жетоны на одинаковую длину. Вернее, жетоны сами "знают", через какое время упасть. (Оно строго определено свойствами ПЭ и среды). Упавший к кому-то в руки жетон превращает его обладателя на время в нового полицейского.
Сам командир, отдав несколько приказов, передаёт свой жезл впереди стоящему человеку. Новый командир продолжает дело предшественника. Отдав столько же приказов, он передаёт жезл дальше.

2. Установим определённое соотношение между скоростью полёта жетона и скоростью передачи жезла есть — первая вдвое больше второй. (Вообще говоря, они независимы). Тогда на расстоянии в половину броска наблюдается следующее:
— в этой точке находится командир,
— всё его отделение испарилось (от вещественной части КЧ осталось только ядро, оболочка исчезла) ,
— все жетоны находятся в полёте (вся энергия оболочки пребывает в летучей форме),
— первый брошенный жетон вот-вот обретёт нового хозяина.
Вторую половину пути командир отдыхает от своей руководящей работы. (Он может отлучиться куда угодно, сохраняя при себе жезл, но обязан вернуться вовремя в расчётную точку).
Возвратившись, командир видит, что отделение восстановилось (все жетоны свалились), а сам он снова оказывается по центру фронта. И всё повторяется.

3. Аналогом переносчиков энергии-импульса здесь выступают жетоны, а информационное (и приказное) обеспечение работы командира происходит посредством света.
Средняя скорость жетонов перемещения совпадает со скоростью командира, т.к. половину времени они пребывают в поглощённом состоянии. Скорость командира равна скорости "звука" в среде, если таковой считать толпу.

4. Рассмотрим второй предельный случай — скорость полёта жетонов бесконечна. Теперь одновременно существуют два фронта на расстоянии броска — задний плавно перетекает в передний. Оболочка пространственно дискретна, а командир равномерно перемещается между фронтами. У него нет свободного времени, но в каждой команде он отдаёт вдвое меньше приказов. Жетоны практически всё время находятся в чьих-то руках, но средняя скорость их перемещения по-прежнему совпадает со скоростью перемещения командира. 

5. В промежуточном случае, который ближе к реальности, в противофазе происходят колебания оболочки (количества частиц в ней) и летучей энергии (количества переносчиков энергии-импульса, пребывающих в полёте). Чем больше глубина колебаний, тем более заметнее КЧ проявляет свои волновые свойства. (И тем больше её длина де-Бройля. Только для фононов длина де-Бройля совпадает с размером самой квазичастицы).

6. Допустим, в зале происходит тренировка полицейских и они перемещаются от стенки — к сцене, и обратно. Но чтобы отделение не распалось, длина броска жетона b должна целое число раз укладываться по длине зала — L. Таким образом, в зале могут одновременно тренироваться множество отделений с длинами броска соответственно b0 = L, b1 = L/2, b2 = L/3, … , L/max и т.д.
Предельное значение max определяется из того, что минимальная длина броска равна расстоянию между двумя рядом стоящими людьми.
В совместных узлах этих стоячих волн жетоны "теряются" в том смысле, что не знают, к какому отделению принадлежат. Это не проблема, т.к. командиры отдают приказы не по индивидуальным признакам, а строго количественно. Поэтому все полицейские будут разобраны.

7. В рассмотренных случаях энергия-импульс перемещаются взад и вперёд без того, чтобы микрочастицы среды двигались вообще. 

8. Все эти случаи относились к КЧ типа "плоский фонон". А если зал круглый, как в цирке? Тогда отделение образует фронт по окружности, а все броски проходят через центр. Если оно тренируется, то командиру удобнее всего располагаться в центре зала. (В свободное время, как уже говорилось, он может отлучаться куда угодно. Например, верхом на лошади. Если она быстрая, то и за пределы цирка он может успеть выскочить). 

9. В цирке тоже могут тренироваться несколько отделений одновременно. С длиной броска D, равной диаметру цирка, только одно. С длиной броска D/2 — два, вернее, пара (они касаются друг друга в центре помещения. Больше просто не втиснутся так, чтобы не пересекаться). Правда, центры их окружностей не совпадают с центром цирка, и какое-то время уйдёт на трансформацию траекторий. В итоге останутся только те, которые проходят через центр цирка. Тогда две эти окружности трансформируются в одинаковые пропеллеры (плоские гантели). Вернее, в их контуры. А командиры займут место по центру цирка. Там, вообще, будет центр управления всеми отделениями (стоячими квазичастицами с длинами бросков D/n, где n — целое число, n < max). 

РОТОН

1. Поставим перед полицейским отделением несколько странную задачу — организовать хоровод прямо в толпе на площади. Например, по часовой стрелке. Если длина броска жетона — b, а их количество — N, то радиус хоровода R будет определён однозначно. Когда от командира поступает приказ на бросок жетона, полицейский должен изменить направление, с которым он его получил и удерживает. (Меняется импульс, но не энергия). Импульс — это что-то вещественное, и мы предложим ему аналогию в виде мячика. 

2. Но откуда полицейскому или даже командиру знать, под каким углом бросить жетон? Командир отдаёт приказ на бросок и полицейский обязан его тут же выполнить. Значит, направление жетона уже должно быть правильным в тот момент. Это означает, что направление жетона непрерывно меняется — вращается с определённым периодом. А темп отдачи приказов командиром отделения кореллированн с ним. (То, что командир контролирует своё отделение визуально, аналогично действию квантовой спутанности). 

3. Чтобы повернуть жетон, полицейскому необходима помощь, которую ему может предоставить только окружающая среда. В ней находятся, например, неподвижные пары мячиков, но сами мячики рвутся в разные стороны. Полицейский берёт такую пару с подходящими направлениями импульсов, один мячик забирает для поворота жетона, а второй — высвобождает. (Закон сохранения импульса). Мячик летит в направлении полицейского, стоящего напротив. Тот действует точно также, поэтому создаётся впечатление, что они работают в паре.

4. Чтобы всё работало незаметно и вечно, нужно раньше или позже где-то в пространстве склеивать летящие навстречу друг другу шарики. Возложим эту обязанность на саму среду, а полицейские в ней вынужденно и автоматически занимаются работой по обработке покоящихся или медленных пар из мячиков.

5. Хоровод может смещаться вслед за командиром, если тот куда-то идёт.
Соответственно, ротон может иметь поступательную скорость в определённых пределах. Она намного меньше, чем скорость звука в среде, с которой движутся фононы.

6. В рассмотренном случае энергия бежит по замкнутой окружности без того, чтобы микрочастицы среды двигались вообще. Но в отличие от фонона, ротон нуждается в таких переносчиках импульса, которые не несут с собой энергии.
Ими являются виртуоны ("р-" и "n-" половинки виртуальных фотонов, которые могут существовать и по-отдельности). В реальном фотоне импульсы этих половинок сонаправлены. А в виртуальном, получается, могут быть и противонаправлеными. Поэтому в вакууме есть фаза неподвижных виртуальных "антифотонов". (Но это только гипотеза). 

7. Здесь был рассмотрен "элементарный ротон" из одной окружности. Но если в среде встречаются виртуоны с непрерывным спектром импульсов, то ротон будет размазан и превратится в тор.

 
ПОРЯДОК

Как показывает история развития физики, большинство революций в ней связаны с проникновением в природу строения вещества. В веществе, если оно пребывает не в газообразном или плазменном состоянии, наблюдается порядок — ближний или дальний. В вакууме мы сталкиваемся с материей, которая не есть вещество. И мы не можем представить себе макрочастицу или сплошную среду, в которой действует иной порядок. Скажем, сверхдальний. 
А между тем, в социальных структурах он присутствует сплошь и рядом. Например, на простом отлаженном производстве важны не сами работники, а функции, которые они исполняют каждый на своём месте. Такая структура является квазичастицей. В ней есть организующее ядро (начальство) и оболочка (работники). Структура может обновляться хоть десять раз на дню, а дело будет идти.
Дальний и ближний порядок в квазичастицах некоторых типов присутствуют. Если пользоваться социальной аналогией, то ближний наблюдается в супружеской паре, а дальний — для остальных членов семьи.
Квантовая спутанность есть прямое проявление сверхдальнего порядка. В социальных квазичастицах его аналогом является речь, физическим носителем которой является звук. И свет, для восприятия жестов и мимики, а также, письменного текста.
Запись опубликована в рубрике Космос, Наука с метками , , , , , , , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

2 комментария: Квантовые квазичастицы — 1

  1. Берримор говорит:

    Уважаемый Андрей,
    Вы, собственно, и расставили все точки:) И над ИК (для закрытых систем — II закон ТД, для открытых — тенденция), и над нестандартным подходом (основывающимся тем не менее на криогенных аналогиях). Спасибо за проявленный интерес!
    С уважением, Берримор.

  2. Андрей Кошак говорит:

    Уважаемый Берримор,
    написав: "Именно ИК составляющая "поля" излучения ответственна за тенденцию к восстановлению теплового равновесия в открытых системах" — Вы должно быть описались. (Либо имели в виду нечто иное, нежели просматривается читателем прямой смысл, истекающий из написанного, см также ниже.) Поясняю. Тепловое Равновесие именно в "закрытых системах" восстанавливается спонтанно, но никак не в "открытых"… Хотя бы потому, что "открытым" системам присущи "внешние" источники энергии, значит, и "подвод" её к той "среде", к хотя бы условно понимаемой границе данной системы. Закрытая же система априорно берётся (а) имеющей явные границы; (б) не имеющая на рассматриваемом промежутке времени явных элементов, "подводящих" извне к ней энергию.
    Однако, если Вы имели в виду, что ИК ответственно за потенциальную *возможность* восстановления ТР на расстояниях, характерных скорее лишь для "открытых систем" (т.е как синоним Космических, а не земных расстояний), где прямой "контактный" (диффузией например) перенос энергии едва ли действенен, конечно, тогда Ваше утверждение имеет явный и правильный физ-смысл… (Но тогда следует пояснять читателю и как-то "расшифровывать"эту мысль дополнительно.)
    Относительно же феномена ВЧ и особенно КЧ, интересно (и "нестандартно") трактуемых здесь Вами (я отнюдь не об образных аналогиях с "ротой полицейских", а о самой сути явления), — это особый разговор. Увы, не "камментного" формата.
    Спасибо за содержательные статьи!
    С уважением, А.К.

Добавить комментарий для Андрей Кошак Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code

*