Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Семиков Сергей Александрович

Вернёмся к анализу стабильности системы зарядов. Если условно рассматривать электроны и позитроны не как точечные заряды, а как жёсткие заряженные шарики — с радиусом, равным классическому радиусу электрона r ₀, то они вполне могут образовать стабильные комплексы: элементарные частицы, ядра и атомы. Притягиваемые заряды сближаются и образуют кристаллическую решётку, как в кристалле соли. Но дальнейшее сближение либо рождает силы отталкивания, либо ослабляет кулоновское притяжение. Это и задаёт равновесное расстояние между частицами, равное классическому радиусу r ₀=2,8·10 ^{– 15}м, — потому-то их и можно считать жёсткими шариками. Нарушение кулоновского закона, при сближении до r ₀, связано с механизмом электрического взаимодействия (§ 3.18) и признаётся физиками [60]. Электронные комплексы, как выяснили, могут иметь и другой характерный масштаб, отличный от r ₀и — куда более крупный, сопоставимый с радиусом атома a ₀=5,3·10 ^{– 11}м, на котором тоже должны возникать отклонения от закона Кулона (§ 3.7, § 3.18). Вдобавок,

кроме электрических, есть ещё магнитные силы взаимодействия электронов. Всё это, как видели, и позволяет им образовать устойчивые электронные слои масштаба a ₀, задавая характерный размер атома. Электроны сближаются вплоть до взаимопроникновения их сфер распада, после чего сближение электронов или образованных ими атомов останавливается.

Сопротивление атомов или электронов сближению соответствует известному в квантовой механике принципу "запрета Паули", по которому два электрона не могут занять одно состояние. В классике этот закон возникает не как формальное правило, но как естественное следствие наличия у частиц (электронов и позитронов) эффективного радиуса отталкивания, отчего те ведут себя, как жёсткие шарики, не способные занять одну позицию в атоме. Если один электрон занял своё положение на электронном уровне, другой уже не сможет там очутиться. Для него просто не будет места, как нет места в целиком занятой ячейке для яиц. Итак, электрон-позитронная решётка, сетка имеет, подобно миллиметровке, два характерных масштаба с разницей в 10 ⁴–10 ⁵раз (§ 3.7). Один масштаб, с шагом решётки в 10 ^–15м (1 ферми), определяет характерные размеры ядер и элементарных частиц. Другой, с шагом в 10 ^–10м (1 ангстрем), задаёт типичные размеры атомов, длины связей в молекулах. Переход от крупного масштаба к мелкому происходит по достижении частицами энергий, достаточных для преодоления отталкивания.

Наличие двух масштабов расстояний между электронами и позитронами имеет много важных следствий. Подобие двух этих сеток — объясняет аналогию химических и ядерных процессов. Не зря, механизмы распада или синтеза молекул и ядер, выделение и поглощение энергии в химических и ядерных реакциях во многом сходны. Ведь, в обоих случаях происходит соединение и распад кристаллических комплексов, сцепляемых электростатическими силами притяжения электрон-позитронной решётки. Отличаются лишь масштабы. И, поскольку масштабы расстояний rмеж зарядами отличны в 10 ⁵раз, соответственно, — различаются и величины сил, выделяемых энергий и энергий связи. Ведь энергия кулоновского взаимодействия зарядов пропорциональна 1/ r. И, точно, характерные энергии связи электронов в атоме и самих атомов, энергии единичных актов химических реакций — составляют единицы электронвольт, а энергии связи ядер, нуклонов, энергии распадов — измеряются мегаэлектронвольтами, то есть, — в 10 ⁶раз больше (§ 3.12, § 3.13). Энергия химической связи, ионизации атома в несколько электронвольт — это, по сути, энергия электрического взаимодействия E=e ²/4 ₀ rэлектрона с позитроном, с электрон-позитронным слоем в атоме на межэлектронном расстоянии r= a ₀=5,3·10 ^{– 11}м. А характерная энергия единичного акта ядерной реакции — это суть энергия взаимодействия E=e ²/4 ₀ rэлектрона с позитроном или электрон-позитронной решёткой на расстоянии r= r ₀=2,8·10 ^{– 15}м.

Обычно атомы, ядра и элементарные частицы изображают шариками (что порой делалось для удобства и в данной книге), а, потому, мысль об их чёткой периодичной структуре, о кубической, пирамидальной форме частиц, с их рёбрами и гранями, кажется диковатой. Но, с другой стороны, атомы и частицы издавна называют элементарными кирпичиками, из которых построена материя. Так что же удивительного, если эти кирпичики имеют форму многогранников, как обычные строительные кирпичи, игрушечные кубики или детали конструктора? И что странного, если и сами эти кирпичи построены из ещё меньших кирпичиков, расположенных правильными, периодичными рядами? Не зря, Кеплер и Ломоносов, которые первыми научно обосновали атомарную и кристаллическую структуру вещества, считали атомы многогранниками, пирамидками [63]. А нынешние учёные, даже применив электронный микроскоп, ещё не получили чётких изображений атомов и лишь гадают об их форме.

Итак, классическая модель атома, мало того, что помогает наглядно и естественно объяснить механизм химической связи, но и позволяет установить глубокую аналогию химических и ядерных процессов, энергий и связей. Интересно, что эта геометро-механическая модель связи, впервые предложенная ещё Демокритом, возрождённая Ломоносовым, развитая Льюисом и Ленгмюром, но потом — надолго забытая, ныне вновь обрела признание, скажем в органической химии, в иммунологии, молекулярной генетике и в теории обонятельных рецепторов, где присоединение атомов и молекул часто происходит по принципу соответствия их геометрической формы, — по механизму ключ-замок. Не исключено, что такое представление о структуре материи, частицы которой связаны за счёт механического переплетения с образованием слоистых периодичных, шахматных структур (§ 3.12), формирующих затем объёмные тела и полые многогранники, отражены и в материальной культуре наших предков, для которых плетение, особенно венков и кос, имело глубокий символический смысл. Не случайно быт славян был основан на переплетении волокон льна, шерсти, волос, соломы, лыка, бересты, ивовых прутьев и даже брёвен, как видно на примере тканой одежды, лаптей, корзин, плетёных коробов, котомок, а также изб, теремов и других шедевров народного зодчества, возведённых без единого гвоздя. Если же наши предки-умельцы и применяли металл, то его они тоже переплетали наподобие волокон, когда соединяли вместе звенья цепей или кольца кольчуг (наиболее распространённых как раз на Руси), образующих такие же узоры, как цепочки и сетки связанных электронов и позитронов (Рис. 95, Рис. 102). Такой механизм формирования мира, путём плетения или связывания нитей материи и поля (истекающего из частиц, словно пряжа), отражён и в "Велесовой книге", составленной древнеславянскими учёными-волхвами. Аналогичные воззрения о том, что наш мир соткан из периодично расположенных зарядов противоположного знака, находим и в древнеиндийских "Станцах Дзиан": "И ткань эта есть Вселенная, сотканная из Двух Сущностей, воедино слитых".

§ 4.15 Вымерзание степеней свободы

Очевидно,

теплота состоит во внутреннем движении материи… Внутреннее движение можно себе представить происходящим трояким образом: 1) неощутимые частицы непрерывно изменяют место, или 2) вращаются, оставаясь на месте, или, наконец, 3) непрерывно колеблются взад и вперёд… Первое мы назовём поступательным, второе вращательным, третье колебательным внутренним движением… При более быстром вращении частиц связанной материи должна увеличиваться теплота, а при более медленном — уменьшаться. Частицы горячих тел должны вращаться быстрее, более холодных — медленнее… Должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц.

М.В. Ломоносов, "Размышления о причине теплоты и холода", 1750 г.

Ещё одним "подтверждением" квантовой теории в молекулярной физике считают явление вымерзания степеней свободы [19]. Известно, что двухатомная молекула, скажем, молекула водорода H ₂, обладает пятью степенями свободы. Три из них связаны с поступательным движением молекул вдоль трёх осей, и две — с вращением вокруг двух осей (Рис. 172). На каждую степень свободы частицы приходится энергия kT/2, и двухатомная молекула обладает в среднем энергией 5 kT/2, где k —постоянная Больцмана, T— температура в кельвинах. Одноатомная же молекула наделена лишь энергией поступательного движения 3 kT/2. У двухатомных молекул реально есть ещё и энергия упругих колебаний атомов внутри молекулы. Поэтому, энергия реальных двухатомных молекул 7 kT/2.

Рис. 172. Энергии и степени свободы двухатомной молекулы (а) и атома в кристалле (б) связаны с поступательным движением, вращением и колебаниями.

В итоге, молярная теплоёмкость C(прирост внутренней энергии тела фиксированного объёма из N _a=6·10 ²³молекул при нагреве на 1 oС) для газа из реальных двухатомных молекул — 7 R/2; из жёстких двухатомных — 5 R/2; из одноатомных — 3 R/2 (здесь R=kN _a— газовая постоянная). И, точно, при высоких температурах теплоёмкость водорода C=7 R/2, однако при охлаждении Cпадает до 5 R/2 (Рис. 173. а). А, с приближением к абсолютному нулю, Cстремится к 3 R/2, словно у молекул газа при охлаждении "вымерзают" (сковываются) степени свободы. Двухатомные молекулы сначала становятся жёсткими, а, при дальнейшем охлаждении, прекращают вращение, словно одноатомные.

Рис. 173. Изменение с температурой теплоёмкости а) двухатомного газа (водорода), б) твёрдого тела (медь).

Такое уменьшение теплоёмкости двухатомных газов, при понижении температуры, считалось противоречащим классической молекулярно-кинетической теории и нашло объяснение в квантовой теории, предложенной В. Нернстом, который и открыл феномен. Долгое время казалось, что классическая физика не совместима с этим феноменом. И, всё же, ему можно найти простое истолкование в традициях классики, стоит лишь принять модель атома Ритца. Тогда, при высоких температурах, атомы в полужёстких молекулах действительно колеблются, и C=7 R/2. При снижении температуры, энергии атомов уже не хватает для разрыва части связей и колебаний, — молекула становится "жёсткой". Например, атом водорода устроен таким образом, что в первом электронном слое (Рис. 104, Рис. 105), где всего два места, электрон занимает лишь одно (Рис. 170). Поэтому, электрон второго атома водорода попадает в вакантное место, образуя химическую связь. А пустующее место в слое второго атома — заполняется электроном первого. Так возникает молекула водорода H: H, где атомы H связаны ковалентной связью — из пары электронов, обозначенных по Ленгмюру точками (Рис. 174). При высоких температурах T, у большинства молекул водорода одна связь порвана, и молекула H ·H получается полужёсткой: её атомы могут вращаться, колебаться вокруг единственной точки связи, в виде электрона. При спаде температуры, энергии не хватает для разрыва связей, атомы полностью стыкуются, образуя двойную связь и жёсткую молекулу H: H, атомы которой уже не способны колебаться. Оттого и C=5 R/2 при такой не слишком высокой температуре.

Рис. 174. При высоких T атомы водорода разделены (а). При снижении T один электрон обобщается, образуя полужёсткую молекулу H·H (б). При низких температурах в жёсткой молекуле H: H обобщены оба электрона (в).

В водороде одновременно присутствуют полужёсткие молекулы с одной связью H ·H и жёсткие, с атомами, скованными воедино двойной связью H: H. С понижением температуры, теплоёмкость плавно убывает от C=7 R/2 до C=5 R/2, поскольку плавно меняется соотношение числа молекул H ·H и H: H (Рис. 173. а). Как выяснили, охлаждение ведёт к снижению процента полужёстких молекул H ·H, отчего плавно спадает и теплоёмкость. В то же время, теоретически, газы из этих двух типов молекул можно разделить, ведь, за счёт разного строения, они должны различаться физико-химическими свойствами и спектрами (§ 3.4). И такое разделение водорода на два компонента с разными свойствами и спектрами, действительно, осуществлено в лабораториях [19, 134]. Из водорода удалось выделить два газа — ортоводород и параводород, обладающие разными свойствами и теплоёмкостями. Поскольку, при низких температурах водород почти полностью состоит из более устойчивого параводорода, то он, очевидно, образован частицами с парой связей H: H. Соответственно, ортоводород, возникающий при сильном нагреве, состоит из частиц H ·H, где одна из связей порвана.