Квантовые квазичастицы — 2

Продолжение темы квазичастиц. В этой части глубже раскрывается их природа. Предпринимается попытка взглянуть на свойства криогенного гелия и элементарных частиц через призму этой концепции.

Свойства квазичастиц

Квантовая квазичастица — это физический объект:
— переносящий энергию, импульс и вращательный момент без переноса вещества (волна),
— воспринимаемый в реальном мире исключительно параметрами ядра (частица),
— совершающий периодический колебательный процесс перехода энергии между веществом (оболочкой) и излучением (свитой),
— сохраняющий свою связность и цельность всё время свободного существования (и этим отличающийся от классического волнового пакета или волны).

1. Идеальный фонон в пространстве представляет собой шар. Оболочка фонона располагается между двумя плоскими фронтами — наступающим и отступающим. Если считать количество микрочастиц в его отступающем фронте (диске, в центре которого находится ядро), то одиночный фонон представляет собой положительную волну с периодом равным π. (В нулевой фазе микрочастиц оболочки во фронте нет).
Одинаковые КЧ из двух комплиментарных типов спариваются, образуя волну с периодом 2π. 
Рассмотрим перемещение (перетекание, транспонирование) фонона в пространстве на рис_1а, приняв скорость переносчика энергии-импульса бесконечной. 
На рис_1б показано распространение двойного фонона.

Фононы движутся с той скоростью, на которое способно их ядро, т.е. со скоростью звука в среде. (А могли бы и быстрее, т.к. скорость переносчиков энергии-импульса "несравнимо" велика). 
Фонон не вращается относительно оси движения, поэтому его спин и магнитный момент есть проявление "размороженных" свойств только одной микрочастицы — его ядра. 

2. В нулевой фазе свита КЧ исчезает и вся её энергия находится в поглощённом виде. Вероятно, это состояние наилучшим (а то и единственным) образом подходит для того, чтобы через своё ядро КЧ могла отдать энергию другим физическим объектам и полностью поглотиться (или обменяться энергией с другими КЧ через объединённое промежуточное состояние). И наоборот, передавая внешнюю энергию ядру последнее пытается её равномерно распределить между МЧ оболочки. Может получиться, если найдётся такое более возбуждённое стабильное состояние среды, в которое вся оболочка перейдёт целиком. В любом случае, в этих процессах появляются множество вариантов законных переходов и неоднозначность ( вероятность) результата каждого отдельного эксперимента. 
"Фазовый" переход происходит, если энергия самого ядра дискретно скачет, вызывая быстрое перестроение всей оболочки и появление новой разновидности квазичастиц.

3. Квазичастица автоматически формируется тогда, когда среда приобретает определённую порцию энергии, превышающую пороговую Еmin. Одна микрочастица получает ровно столько, чтобы стать ядром (f2) и взять на себя особые функции. Остальная энергия равномерно распределяется между точно определённым числом частиц N. Тех, кого ядро в состоянии охватить информационным спутанным взаимодействием и удержать под контролем. f1 — минимальное возбуждение МЧ среды, при котором проявляются некоторые скрытые их свойства, а главное, устанавливается контакт с ядром f2. Нижнее пороговое значение энергии для рождения КЧ: 
Еmin = f2 + N * f1
Если Е(внешняя) < Еmin, то КЧ не рождается и среда прозрачна для переноса энергии. (Возможен вариант, когда в самой среде есть свободные микрочастицы f2 и достаточно энергии Еmin = N * f1 для "конденсации" на них КЧ).

Если K * Еmin > Е(внешняя) > Emin, то часть энергии пойдёт на рождение КЧ, а остаток пройдёт сквозь среду.
Разрушить КЧ невозможно — только распустить, для чего её необходимо передать столько энергии, сколько нужно для достижения всеми микрочастицами её оболочки свободного состояния. Что касается ядра, то возможны два варианта. Либо ядро разделяет участь оболочки, либо оно может самостоятельно существовать в среде вечно или какое-то время. 
Например, f(free) = f4. E(free) = f4 * (N + 1), E(free) >> Emin. 
E(free) — Emin = Е(роспуска).
На практике этого достигнуть трудно, т.к. передаваемая среде энергия скорее идёт на клонирование новых КЧ.

4. Между уровнями 1 и 2 может находится множество дискретных возбуждённых состояний для МЧ оболочки: f1', f1'', f1''' и т.д.
Допустим, внешняя энергия достаточна для возбуждения одной КЧ (f1', f2).
Если f1' — f1 > f1 и N * (f1' — f1) — f2 > f2, то рождение двух КЧ с минимальной энергией — наиболее вероятный путь для "утилизации" вакуумом (фоновой средой) внешней энергии.
А если их фаза достигла насыщения, то внешняя энергия идёт на дискретный перевод микрочастиц оболочки существующих КЧ (поочерёдно) на первый более высокий энергетический уровень: f1 -> f1'. 
Из множества дискретных возбуждённых состояний МЧ оболочки не все встречаются на практике. Вернее, КЧ с высокими значениями возбуждения неустойчивы и норовят спонтанно распасться.

5. При переходе f1 в новое состояние f1', количество микрочастиц в оболочке КЧ не меняется, а энергия всей КЧ увеличивается только за счёт "укрупнения" переносчиков энергии-импульса.
Есть связь между значением энергии переносчика энергии-импульса с длиной их броска возбуждёнными микрочастицами (или временем пребывания в свободном полёте). Чем энергия больше, тем бросок короче. Поэтому, более энергичные КЧ меньше по размерам. Ядро посылает сигналы на излучение чаще, но и расстояния соответственно уменьшаются. Можно предположить, что у фонона ядро управляет микрочастицами, лежащими в плоскости поперечного сечения. Получается, что информационная связь работает с максимальной отдачей в центральном диске. (Причём, независимо от размеров и энергии КЧ. Возможно, это как-то влияет на граничное условие, детерминирующее количество микрочастиц в оболочке КЧ).
Для фононов некоторых типов связь между энергией и импульсом прямо пропорциональная. Это значит, что их ядра напрямую берутся из среды, а не возбуждаются в процессе формирования КЧ. При поглощении КЧ их голые ядра возвращаются в вакуум. Фаза таких ядер — катализаторов, скорее всего, находится в вакууме в насыщении.

6. КЧ с энергией Е < 2Emin устойчива и спонтанно не делится.
Если произойдет пересечение траекторий двух КЧ (f2, f1') и (f2, f1''), то они в принципе могут обменяться ядрами и обменяться оболочками. Правда, очень энергичные КЧ-коротышки могут вступать во взаимодействия, затрагивающие их оболочки.
Если в среде, наполненной смесью КЧ с энергиями Еmin =< Еi < 2Emin, возбудить одну микрочастицу до уровня f2, то возможны коллизии. 
Так, если Σ Еi >= N * Emin + Emin, то новое ядро может обзавестись собственной оболочкой за счёт энергии всей фазы. Так как такое происходит в действительности, значит, спутанное (информационное) взаимодействие охватывает всю фазу, а не только её квазичастицы в отдельности.

7. Стоячие квазичастицы в линейном резонаторе 
На рис_2 показаны некоторые из"стоячих" КЧ, которые одновременно находятся в потенциальной яме длиной L. Это фононы или ротоны, имевшие до попадания в яму определённый импульс. Таковым он и остаётся и в яме, поэтому КЧ как бы бегает в ней взад-вперёд, зеркально отражаясь от стенок. Так получается линейный осциллятор.

Чтобы квазичастицы могли существовать, необходимо выполнение определённых условий для их длин в линейном резонаторе. Поэтому можно найти энергию каждой отдельной КЧ, зная её связь с диаметром КЧ. Например, Е = к/λ. Но КЧ не может выжить в одиночку, кроме единственной квазичастицы основного уровня. Поэтому каждый уровень должен быть полностью заполнен КЧ, образующими цепочку, и его энергия (ΣEn) является вполне определённой дискретной величиной. 
λ1 = L (E1 = Emin = ε)
λ2 = L/2 (E2 = 2ε, K = 2, ΣE2 = 4ε)
λ3 = L/3 (E3 = 3ε, K = 3, ΣE3 = 9ε)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
λn = L/n (En = nε, K = n, ΣEn = n2ε)

В линейном резонаторе на каждом уровне может размещаться одна цепочка одинаковых КЧ. Или две, если КЧ двойные и "шарики" комплиментарных типов чередуются. Тогда две цепочки накладываются одна на другую в противофазе.
Линейные соотношения сохранятся даже тогда, когда каким-то образом цепочку удастся согнуть в замкнутую окружность. (L = 2πR)

8. Закона сохранения количества квазичастиц (вернее, количества ядер) не существует. 
(Квантовые моменты вращения как попарно рождаются, так и попарно схлопываются, что указывает на присутствие в среде соответствующей виртуальной фазы). Поэтому все возбуждённые уровни в резонаторе неустойчивы и спонтанно переходят в любой более низкий, сбрасывая при этом лишнюю энергию. Но это возможно лишь тогда, когда соответствующий нижний уровень свободен. 
Энергетические соотношения зависят от того, берётся ли ядро из среды или в него вкладывается внешняя энергия.

9. Сферический резонатор
Выполнения условий стоячей волны можно достигнуть и под сферическим зеркалом. Параметры ядра и всей КЧ не меняются, а микроскопическая картина поведения её оболочки претерпевает существенную трансформацию. Фронт волны из плоского диска трансформируется в сферический, а все переносчики энергии-импульса проходят через центр резонатора. КЧ находится между наступающим и отступающим сферическими фронтами, расстояние между которыми всегда равно радиусу резонатора. Оптимальное место для ядра — в центре шара. Однако, в своё свободное время оно способно отлучаться, образуя характерное "облако" — ядерный аттрактор.
Возможно, фононы могут сохранить существование в виде цепочек, если те замкнуты по окружности внутри резонатора и на её длине укладывается целое число КЧ, соответствующее энергетическому уровню. (Для двойных комплиментарных фононов то же условие относится уже к их половинкам). 
КЧ основного уровня заполняет своей оболочкой весь резонатор.
Микрочастицам оболочки КЧ необходимо всегда быть на связи со своим напарником напротив. На рис_3 демонстрируется трансформация пары КЧ первого возбуждённого уровня, попавших в резонатор, в гантелью. 



10. Состояния f0, f1, f2, f3 и f4 отличаются друг от друга принципиально.
f0 — микрочастицы образуют конденсат Бозе — Эйнштейна, который можно считать неподвижным и необнаружимым фоном (вакуумной средой) для всех возбуждённых состояний. Однако, скомпенсированные импульсные обмены в вакууме происходят. Без них невозможно объяснить природу ротонов. Правда, энергию вакуума извлечь невозможно. А регистрируется она во флуктуациях ядер квазичастиц.
f1 — виртуальное состояние микрочастицы (в оболочке), которое недоступно наблюдению тоже. Энергия переносится летучими ПЭ, а сами микрочастицы покоятся. (Закон сохранения импульса действует для всей среды целиком). Микрочастицы f1 могут существовать только в составе КЧ и только незначительное время.
f2 — квазивиртуальное состояние (в частности, ядро фонона), в котором микрочастицы среды могут пребывать незначительное время. Ядра тоже сами не движутся, а передают свою энергию непосредственно соседской микрочастице фона. Переносчиками энергии могут быть той же природы, что и для f1, но из другого диапазона. Окружена оболочкой и свитой, которые виртуальны и ненаблюдаемы. Но энергия свиты при поглощении или излучении ядра причисляется ко всей КЧ. Такие ядра движутся со скоростью звука в среде.
f3 — квазиреальное состояние (в частности, ядро ротона), в котором микрочастицы среды могут пребывать незначительное время. Эти ядра могут самостоятельно двигаться и передавать свою энергию любой микрочастице фона в тот момент, когда её ПЭ высвобождается. Поступательная скорость такого ядра, а вместе с ним и всей КЧ, относительно невелика.
f4 — свободное состояние микрочастицы. Она уже не является частью КЧ и её внутренние свойства становятся полностью наблюдаемыми. Она даже может распасться на составляющие, которые существуют независимо. Свободные микрочастицы образуют вещество.
Первые четыре состояния (f0, f1, f2, f3) являются вакуумными. Дискретные уровни в принципе могут расщепляться и иметь более тонкую структуру. Подчеркнём, что между всеми состояниями существует потенциальный барьер, запрещающий спонтанные переходы между ними без участия туннельного эффекта.
Начиная с f4 энергия частиц вещества приобретает непрерывный спектр. Особые точки на энергетической шкале имеются и здесь — они отмечают переходы между агрегатными состояниями вещества.

11. Типы КЧ не исчерпываются двухуровневыми фононами (f1, f2), ротонами (f1', f3) и замкнутыми в сферических резонаторах фононными цепочками.
Так, "перегретые" фононы теряют скорость почти в 2 раза и представляют собой КЧ так называемого 2-го звука. (КЧ 3-го звука и более высоких его степеней образуются в поверхностных слоях и не рождаются в объёмной среде). Представляется, что всем микрочастицам фонона передана дополнительная энергия, превращающая их в квазиреальные (f3). Но не постоянно, а ровно на пол-периода. Остальное время, если не считать времени броска, они себя не проявляют вовсе или заняты другим делом. Т.к. в квазиреальном состоянии все микрочастицы движутся "своим ходом", то средняя скорость КЧ снижается почти наполовину.
Многоуровневые КЧ образуют сложные пространственные структуры и проявляют более экзотические свойства.

Квантовые квазичастицы в природе

Проницательный читатель уже давно отметил про себя, что встречался с описываемыми объектами в разных контекстах, и не обязательно в связи с темой квазичастиц. Речь в первую очередь идёт о т.н. элементарных частицах (ЭЧ). Признание ЭЧ квазичастицами автоматически влечёт за собой признание наличия более глубокого уровня материи, чем два известных. Тепловой (ТЕУМ) и Элементарный (ЭЛУМ) уровни материи являются рекурсивными и определяются своими переносчиками энергии-импульса (реальными) и переносчиками импульса (виртуальными). Рекурсивность — следствие того, что ПЭ и ПИ для одного уровня являются представителями более глубокого уровня.
Это не мешает рассматривать уровни материи и в виде матрёшки, если судить по размерам его частиц. Чем меньше микрочастицы его вакуума, тем крупнее самые крупные его квазичастицы. Например, космологическая структура Вселенной может быть прямым порождением Элементарного уровня и не иметь отношения к Тепловому. 
(Сознательный, биологический и физический типы материи явно представляются вложенными один в другой). 
Представим для сравнения несколько картинок. Первые три — это электронные облака. Четвёртая — пузыри Ферми на фоне нашей галактики.

Далее примеры морфологий взрывных туманностей.


СН 1987А


Песочные часы


Муравей


Бабочка


Кошачий глаз (зрачёк)


Кошачий глаз (целиком)


Спирограф

Ещё один глаз

Концепция квантовых квазичастиц может дать новое направление астрофизическим теор-исследованиям. Так, сингулярное состояние материи может оказаться не гравитационным тупиком, а квантовым "атомом". Который испытывает превращения при переходе из одного состояния в другое и выделяет энергию связи в ходе взрыва.

1. Тепловой уровень материи

Только благодаря гелию можно создать полную картину ТЕУМ, потому что только в нем наблюдается вакуумное агрегатное состояние вещества. То, что у других химэлементов его нет (вернее, оно затушёвывается влиянием ЭЛУМ), не имеет принципиального значения. Переносчиками энергии-импульса теплового уровня являются фотоны, а переносчиками информации — виртуоны. (См. статью Модель электромагнетизма). 
Если из гелиевой среды удалить излучение, получится вакуум. Избавиться же от виртуонов в принципе невозможно. Но их можно упрятать под общую "шубу" так, чтобы их действия компенсировались. Поэтому в гелиевом вакууме нет электрического поля и сил упругости. Формально, виртуоны ответственны и здесь за "принцип неопределённости", но ввиду солидной массы КЧ, которые макроскопичны, он не проявляет себя.
Атом гелия может пребывать во множестве фазовых состояний — вещественных и вакуумных. В гелиевом вакууме существуют фононы, ротоны, квазичастицы 2-го и более высоких звуков. Фононы излучаются при нагревании вакуума, ротоны — при вращении ёмкости с вакуумом или ускоренном движении в нём постороннего тела, второй звук — при колебаниях температуры нагревателя. КЧ несут энергию и температура вакуума повышается. При высоких температурах вакуума фононы превращаются в ротоны или сразу рождаются таковыми. 
При рождении новых КЧ вакуум уменьшается количественно. Он не может сосуществовать с веществом и полностью исчезает при Т = 2.17К. Только начиная с этого значения температуры собственно атомы гелия и становятся наблюдаемыми. В вакууме они выступают в роли микрочастиц. Атомы гелия сохраняются в целости до их ионизации при высоких температурах. В промежутке гелий образует обычные агрегатные состояния вещества. Даже твёрдое — при высоких давлениях самого вакуума. В целом, в тепловом уровне можно выделить три принципиальные фазовые зоны — вакуум, вещество и плазму.

2. Эволюция теплового уровня
Тепловой уровень материи появился в природе в виде атомарного водорода и, возможно, гелия. В функционально-энергетическом плане он простирается от микрочастиц вакуума до частиц вещества, по дороге образуя квазичастицы, макроскопические по сравнению с ними. Все эти образования имеют внутреннюю структуру, проявляющуюся как скрыто, так и явно. Вообще говоря, любой уровень материи имеет начало и конец. И каждый из них способен эволюционировать.
Эволюция "начала" происходила в ходе звёздного нуклеосинтеза, означающего возможность взаимодействий между составляющими микрочастиц вакуума ТЭУМ. Она породила совокупность химических элементов (атомных ядер) в природе, отличных от водорода и гелия.
Ядра — это соединения, новые частицы, но не квазичастицы! Ядерные взаимодействия имеют корни в более глубоком уровне материи, т.е. в Элементарном.
Эволюция "конца", т.е. частиц вещества (атомов химэлементов), породила огромное разнообразие химических соединений. Они тоже новые частицы, созданные благодаря игре сил электромагнетизма (виртуонов). 
ЭМ поле и излучение неразрывно связаны с ТЭУМ. 

3. Элементарный уровень материи
На ЭЛУМ роль энергии выполняет масса. 
(Гипотетические переносчики массы-импульса (ПМ) имеют отношение к ещё более глубокому уровню материи, который является Скрытым. Любые разговоры о нём — не более, чем спекуляции). Вакуум Элементарного уровня называется физическим. (Он включает в себя вакуумы более глубоких уровней материи, если таковые существуют). 
Связь между массой и энергией, т.е. между ЭЛУМ и ТЕУМ известна с 1905 года. 
По логике этой статьи, "фундаментальные" Элементарные частицы — суть квазичастицы, а подавляющее большинство — соединения! Такая вот "элементарная химия".
Наличие квазичастиц означает, что современное состояние Вселенной на Элементарном уровне материи — вакуумное. Свободных частиц нет. Вернее, сегодня нет — Вселенная остыла. Но они могли быть раньше. Например, протозвёзды. Тоже возбуждённые состояния проточастиц. (Не стоит обращать внимание на размеры, для кого-то и электрон может быть колоссален). 
Двойные звёздные системы доминируют из-за этого. Тогда квазичастицами в "веществе" ЭЛУМ были протогалактики. Шаровые и эллиптические — бывшие фононы, спиральные — ротоны. (В статье "Эволюция материи" подробно говорится о т.н. климатической аналогии).
А микрочастицы ЭЛУМ, соответственно, протоэлектроны и протопозитроны. Но только для лептонов и слабого взаимодействия. Для сильного взаимодействия и адронов микрочастицами являются протонуклоны двух комплиментарных типов. В вакууме ЭЛУМ все они находятся в основном состоянии (f0). Не исключён и вариант, что адроны — "просто" более высокая степень возбуждения лептонов, тогда можно ограничиться всего двумя проточастицами.
Функционально-энергетическая шкала не обязательно имеет только 4 ступени, как в гелии. В любом случае, свободное состояния у проточастиц недостижимо. А квазичастицы ЭЛУМ явно более иерархичны и сложны, чем гелиевые.

4. Фотон
Фотон — это единственная КЧ ЭЛУМ, у которой есть явная аналогия в вакууме ТЭУМ. Это очевидный фонон, который движется со скоростью звука (с) в среде ЭЛУМ. Вернее, фотон — двойной фонон, состоящий из двух шарообразных половинок комплиментарных типов. Ядро каждой половинки возбуждено до уровня, скажем, fk. Определённые физические свойства оно проявляет, но заряд ещё "заморожен". Хотя и в этом виде проявляет себя. Скорее всего, собирая свою оболочку из возбуждённых до состояния f1 проточастиц своего типа. 
В состоянии fк у возбуждённой микрочастицы "прорезаются" вектора электрической и магнитной индукции, образующие вместе с вектором скорости знаменитую тройку. Поэтому и в изотропном вакууме могут распространяться поперечные колебания.
Вероятно, что некоторые возбуждённые состояния проточастиц (fк и выше) ЭЛУМ могут стабильно существовать и быть затравочными ядрами для "конденсации" квазичастиц. Для своего поглощёния фотон нуждается в потенциальной яме, созданной электрическим диполем или другими распределёнными в пространстве противоположными зарядами. Для излучения это условие не обязательно. Электрический заряд, движущийся с большой скоростью, добывает затравки прямо из вакуума. Скорее всего, ими служат виртуоны. 
Виртуоном может быть либо одно свободное ядро fк, либо квазичастица с ядром fк-1.
Не исключено, что в отличие от фотонов, виртуонная пара может иметь общие нулевые импульс, спин и скорость. Вынужденный распад таких пар и их спонтанная сборка могут объяснить туннельный эффект, принцип неопределённости и существование ротонов. А также, "классический" квантовый эксперимент по интерференции на двух щелях. Предварительная интерференция виртуонного фона нарушает его импульсную изотропность, которую "чувствуют" ядра фотонов и других физвакуумных квазичастиц.

P.S. Концепция квантовых квазичастиц, если будет доказана, может принципиально изменить весь подход к построению физической (космологической и микроскопической) картины мира. Это не значит, что она упростится. Это значит, по меньшей мере, что должно быть снято табу на структурные исследования ЭЧ и их иерархическое устройство будет смоделировано. Известных данных достаточно для первых попыток компьютерного моделирования.

Запись опубликована в рубрике Космос, Наука с метками , , , , , , , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

2 комментария: Квантовые квазичастицы — 2

  1. Вячеслав говорит:

    Уважаемые коллеги!

    Большое желание понять закономерности изменения ряда физико-механических (в основном акустических и упругих) свойств композитов привело меня четверть века назад к необходимости использования квазичастиц. А как еще назвать «распространяющуюся» со скоростью УЗ плотность возбужденной элементарной ячейки каждого компонента композита в произведениях gv и gv2, уже давно известных в акустике и упругости? Рассмотрение этих произведений в качестве импульса и энергии квазичастиц позволило установить взаимно-однозначное соответствие плотностей, скоростей УЗ, фазового состава и пористости в многофазном композите, начиная с 2-фазного. Апробация компьютерной программы на сотнях различных композитов показала дееспособность предлагаемого подхода. В дополнение к отмеченному сайту, надеюсь, выйдет в 2015 г. работа «ХХI веку — новые акустические методы и средства для исследования и контроля композитов»
    В заключение желаю всем успехов в наступающем 2015г., году
    70-летия Великой Победы.
    В.Князев 25.12.2014

  2. В.Кишкинцев говорит:

    Фононов в природе нет. Звуковые волны передаются за счёт силовой модуляции молекулярных и межмолекулярных сил, поэтому статья неприемлема для дискуссии.
     

Добавить комментарий

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

*

code

*