СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Вход или Регистрация

ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ Научно-техническая библиотекаНаучно-техническая библиотека SciTecLibrary
 
Cтатьи и Публикации    Теоретическая физика СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

© С. К. Шардыко

Контакт с автором: direct@cbibl.uran.ru

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ I.

Квантовая термометрия - измерение отрицательных абсолютных температур

Состояния макроскопических квантовых систем (МКС) характеризуются параметрами, являющимися одновременно и квантовыми и термодинамическими, т.е. квантовотермодинамическими. Фундаментальным параметром МКС является отрицательная абсолютная температура. Сформулированы принципы ее измерения в МКС разного рода: в гелий-неоновом лазере, газодинамическом лазере, твердотельном лазере. Практическая реализация этих принципов в измерительном устройстве – квантовом термометре, открывает перспективу для развития нового научного направления – квантовой теплофизики.

Оптически активные среды лазеров являются макроскопическими квантовыми системами, обладающими одновременно как квантовыми, так и термодинамическими свойствами. МКС являются квантовыми системами, потому, что их состояния описываются волновой функцией, например, двухуровневая МКС может быть описана функцией вида

.

МКС являются при этом и термодинамическими системами потому, что те же самые их состояния характеризуются "типично термодинамическим параметром" – температурой. Однако температура таких систем радикально отличается от температуры классических термодинамических систем (КлТС). Температура МКС является не только термодинамическим параметром, но одновременно она есть и квантовая величина. Она есть квантовотермодинамическая температура.

Значения квантовотермодинамической температуры, определяемой статистически как параметр распределения Больцмана, задаются выражением

, (1)

где и - энергия, соответственно, нижнего и верхнего лазерных уровней двухуровневой МКС; и - населенности соответствующих лазерных уровней; - постоянная Больцмана. Фундаментальной особенностью МКС является ее способность переходить в состояния с инвертированным распределением частиц по уровням энергии. Абсолютная температура инвертированного состояния МКС имеет отрицательное значение, поскольку логарифм от дроби меньше нуля. Отрицательная абсолютная температура МКС, вычисленная по формуле (1), не ниже абсолютного нуля температур, но выше бесконечной температуры.

МКС, находясь в состоянии с отрицательной температурой способна трансформировать колебательные движения квантовых переходов между лазерными уровнями, происходящими на частоте , в волновое движение. Другими словами, МКС осуществляют работу, преобразуя энергию колебаний, равную разности энергии лазерных уровней , где - постоянная Планка, в энергию когерентных электромагнитных волн с частотой , соответственно, длиной волны , где - скорость света. Следовательно, МКС обладает свойствами машины.

Понятие "абсолютная отрицательная температура" было введено в физическую теорию в начале 1950-х годов Паундом, Парселом и Рамзеем.1 Долгое время эта температура рассматривалась как расчетная функция состояния системы квантовых частиц, имеющих дискретный спектр собственных значений энергии. В отличие от обычной термодинамической температуры, она полагалась в принципе непосредственно неизмеримой. Полагалось, что ее можно вычислить по формуле (1), но невозможно измерить.2 В середине 70-х автором было показано, что это не так (работа была опубликована лишь в 1988 г.3). Квантовотермодинамическую температуру, в том числе, и в области отрицательных значений можно измерить, например, в системе "лазер-усилитель", если рассматривать эту конструкцию как особого рода тепловую машину – как квантовую тепловую машину. Генерируя и усиливая сигнал, не изменяющий или практически не изменяющий населенностей уровней, эта машина оказывается обратимой, работающей между квантовыми источниками теплоты с отрицательными абсолютными температурами (МКС-нагревателем и МКС-холодильником) по псевдоциклу Карно. В этом случае система "лазер-усилитель" реализует идеальную схему квантового термометра, - прибора, изобретение которого открыло перспективу развития квантовой термометрии.

Создание физически реализуемых способов измерения отрицательных абсолютных температур позволяет говорить о возможности и необходимости введения термодинамического (феноменологического) определения отрицательной температуры, являющейся температурой квантовотермодинамической. Фундаментальное отличие квантовотермодинамической температуры от температуры классической термодинамики состоит в том, что она изменяется не непрерывно, а в квантовотермодинамических переходах, т.е. скачками. Ей поэтому необходимо сопоставить оператор температуры . Оператор квантовотермодинамической температуре необходимо сопоставить и благодаря тому обстоятельству, что она есть принципиально стохастическая величина. Передача энергии между двумя взаимодействующими МКС не является непрерывным вневременным процессом, но происходит в результате квантовотермодинамического перехода за вполне конкретное время. Если при тепловом контакте нагревателя с температурой и машины Карно температура последней в точности равна значению , то в случае взаимодействия МКС-нагревателя с температурой и МКС-машины реализуется качественно иная исследовательская ситуация. Можно лишь с некоторой вероятностью сказать, что температура МКС-машины имеет значение .

Явный вид оператора температуры можно записать, исходя из соотношения неопределенностей энергии и температуры 4

. (2)

В этом случае он имеет форму

(3)

Операторная запись температуры "генерирует" процедуру переопределения системы уравнений классической термодинамики. Они должны быть записаны в операторной форме. Например, второй закон квантовой термодинамики имеет вид

где и - собственные -е значения операторов числа частиц и объема МКС , - оператор производства энтропии. Оператор представим как произведение двух операторов: оператора, обратного оператору температуры , т.е. сопоставимого величине, обратной температуре , и оператора , т.е.

Действие оператора на произвольную функцию тождественно двум последовательным действиям на нее оператора времени.

 

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки.

1 - разрядная кварцевая трубка с оптически активной средой (смесью гелия и неона), 2 - брюстеровские окна, 3 - полупрозрачные зеркала, образующие оптический резонатор, 4 - источник оптической накачки, возбуждающий в газовой смеси низкотемпературный электрический разряд, 5 - когерентное электромагнитное излучение, генерируемое ОКГ, 6 - ослабитель, 7 - ослабленный сигнал ОКГ, 8 - усиленный ОКУ электромагнитный сигнал, 9, 14 - фотоэлектронные приемники излучения, 10, 15 - осциллографы, 11 - возвратное излучение ОКУ, 12 - ослабленное возвратное излучение, 13 - электромагнитный сигнал, генерируемый и усиливаемый системой ОКГ-ОКУ.

Одним из фундаментальных положений квантовой термодинамики является то, что постоянная Больцмана есть не только величина термодинамическая, но и величина принципиально квантовая. Она есть квант энтропии, на величину которого изменяется энтропия МКС при поглощении ею кванта энергии и изменении ее температуры на один кельвин. Принцип обратимой квантовой машины (идеального лазера) является фундаментальным физическим принципом измерения квантовотермодинамической температуры.

В гелий-неоновом лазере ее можно измерить с помощью усилителя лазерного излучения, работающего вблизи порога генерации. Лазер - оптический квантовый генератор (ОКГ) используется в этой системе (рис.1) как МКС-нагреватель с температурой , а оптический квантовый гелий-неоновый усилитель (ОКУ) - как МКС-холодильник с температурой . Псевдоцикл Карно связывает температуру лазера и температуру квантового усилителя выражением для КПД обратимого квантовотермодинамического цикла

.

Процедура измерения температуры усилителя, состоит в последовательном измерении с помощью фотоприемника 9 и осциллографа 10 интенсивностей генерируемого лазером эталонного сигнала и усиленного сигнала - поз.8. Эта предложенная еще в середине 1970-х годов измерительная процедура (см. сноску "3") может быть обобщена и на случай, если известно значение температуры усилителя . Процедура измерения температуры ОКГ состоит в измерении с помощью фотоприемника 14 и осциллографа 15 интенсивности сигнала, генерируемого и усиливаемого системой ОКГ-ОКУ - поз.13. Выражение для определения значений отрицательной абсолютной температуры трехуровневой МКС лазера (ОКГ), взаимодействующего на частоте сигнального перехода с оптически однородным с ним трехуровневым квантовым усилителем, имеет вид

,

где - скорость электромагнитного излучения в оптически активных средах лазера и усилителя, - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения, - коэффициент усиления слабого электромагнитного сигнала оптически активной средой усилителя, - длина разрядной трубки лазера.5

Другой способ измерения отрицательных абсолютных температур МКС может быть реализован в лазерах с термодинамической накачкой, например, в газодинамических или электроионизационных лазерах, оптически активными средами которых являются продукты сгорания природного газа, представляющие собой смесь азота (~90 %), (~9 %) и паров (~1 %). Эта смесь образует трехуровневую МКС, второй и третий уровни которой являются лазерными. Переход в инвертированное состояние и генерация этой системой когерентного электромагнитного излучения на длине волны 10,6 мкм представимы квантовотермодинамически как работа квантовой тепловой машины между МКС-нагревателем (МК -системой), нагретой до температуры, ~1000 кельвинов и МКС-холодильником (МК системой) с температурой ~300 кельвинов. Газовая смесь нагревается до и направляется в сопло, где, адиабатически расширяясь, она охлаждается до . Таким образом, в данном процессе реализуется квантовотермодинамический цикл преобразования тепла в энергию когерентного излучения с частотой , генерируемого при переходе молекул с верхнего на нижний лазерный уровень.

Отношение населенности верхнего энергетического уровня к населенности нижнего уровня энергии равно

. (4)

Подставляя выражение (4)6 в "молекулярно-кинетическое" определение квантовотермодинамической температуры (1), получим

, (5)

где - температура МКС машины, осуществляющей трансформацию колебательного движения атомов системы в волновое движение. В выражение (5) входит отношение , которое необходимо считать квантовотермодинамической постоянной . С существованием такой постоянной связано соотношение неопределенностей квантовотермодинамических величин: времени и температуры (времени жизни возбужденного лазерного уровня МКС)

, (6)

где кельвин´ секунду. Чем в меньший интервал времени измеряется температура или, чем меньше время жизни данного лазерного состояния или состояния измерения, тем больше неопределенность температуры. В МКС с тепловым возбуждением со временем жизни частиц на лазерном уровне = 40 мкс - неопределенность температуры составляет кельвина. В рентгеновском лазере время жизни возбужденного состояния МКС составляет порядка , а в бета-лазере - секунды.8 Неопределенности температуры составят здесь, соответственно, десятки кельвинов в случае рентгеновского лазера и миллионы кельвинов в случае бета-лазера. Отметим, что есть хорошо уже забытая постоянная Вина. 7

Квантовая тепловая машина осуществляет чрезвычайно странный процесс. Она не только передает энергию от нагревателя к холодильнику без их непосредственного контакта, что и в области классической термодинамики, как пишут Илья Пригожин и Изабелла Стенгерс, очень странно.8 Квантовая тепловая машина берет энергию у МКС-нагревателя при положительной температуре и отдает энергию МКС-холодильнику тоже при положительной температуре. Но, эта машина преобразует энергию колебаний в энергию волн при отрицательной абсолютной температуре, что, само по себе, чрезвычайно странно.

Аналогичный процесс, по крайней мере, теоретически может осуществлять другое устройство, например, запатентованный в свое время в США9 тепловой трехуровневый мазер, осуществляющий прямое преобразование энергии тепловых колебаний в энергию когерентного электромагнитного излучения. (Далее, не рассматривая техническую реализуемость данной конструкции, мы покажем лишь принципиальную возможность измерения с ее помощью отрицательных абсолютных температур.) Мазер Шульца-дю-Буа-Сковила состоит из цилиндрического стерня, погруженного одним концом в жидкий гелий, охлажденный до температуры = 1,5 кельвина. Температура верхнего конца стержня с помощью электронагревателя поддерживается на уровне = 20 кельвинов. Стержень является одноосным монокристаллом корунда (Al2O3) с присадкой хрома. Парамагнитные ионы хрома Cr3+ распределены не по всему объему стержня, а только лишь в его средней части с концентрацией 0,05 %. Имея электронный спин 3/2, ионы хрома образуют МКС из трех энергетических уровней, пригодную во внешнем перпендикулярно ориентированном по отношению к оси кристалла магнитном поле напряженностью 2 кэ и при температуре = 1,5 кельвина для осуществления генерации микроволнового электромагнитного излучения с частотой = 1420 Мгц.

Данное устройство осуществляет преобразование взятой от МКС-нагревателя (верхнего конца стержня) при температуре энергии в квантовомеханическую работу. В МКС-холодильник (к нижнему концу стержня) при температуре передается энергия . Квантовомеханическая работа затрачивается на создание инверсии населенностей уровней МКС. Среднюю часть монокристалла необходимо рассматривать как квантовую тепловую машину, рабочим веществом которой (квантовым теплоносителем) является образованная Cr3+ спин-система.

Возбуждение МКС трехуровневого теплового лазера (мазера) происходит в результате двух последовательных тепловых контактов этой системы с нагревателем с температурой и холодильником с температурой . В результате в МКС устанавливается инверсное (обращенное) распределение частиц по энергетическим уровням, описываемое отрицательной абсолютной температурой . Значение температур и измеряется любым способом, доступным для данного диапазона температур, например, с помощью платинового термометра сопротивления. Величина температуры определяется из формулы, аналогичной выражению (4),

,

где - частота кванта теплового излучения, фонона, поглощение которого частицей оптически активной среды переводит ее на верхний энергетический уровень, - частота лазерного перехода (частота генерируемого электромагнитного излучения). Если температура верхнего источника теплоты является величиной фиксированной, то процедура измерения сводится к измерению температуры нижнего резервуара . При фиксированном значении измеряемой величиной оказывается температура нагревателя .

Описанный квантовый генератор, осуществляя работу по преобразованию кванта теплового колебания, возбужденного при положительной температуре , в квант электромагнитного поля, излученного при отрицательной абсолютной температуре , практически связывает положительные и отрицательные температуры в единую фундаментальную квантовотермодинамическую температуру. Появляется возможность создать единую практическую шкалу температур, имеющую как область положительных значений, так и отрицательных.

Инвертированные состояния МКС еще не так давно представляли интерес лишь в связи с созданием генераторов и усилителей когерентного электромагнитного излучения. Однако, в последние 25-30 лет выявились и другие, более обширные, интересные и практически важные области использования когерентных состояний этих систем, в качестве, например, энергоаккумулирующих веществ и квантовых теплоносителей. Квантовая электроника описывает подобные состояния в терминах микроскопических моделей, ограничиваясь рассмотрением взаимодействий когерентных фотонов с отдельными частицами вещества. Недостаточность такого подхода, в том числе, и с точки зрения его практического применения в области создания синергетических технологий для энергетики, очевидна. Разработка методов измерения отрицательных абсолютных температур, создание соответствующего лабораторного оборудования – квантовых термометров и практических шкал отрицательных температур закладывает основы нового направления теплофизических исследований - квантовой теплофизики, исследующей процессы тепло и массопереноса в МКС различной природы. Мы назовем лишь одну такую область исследований, абсолютно закрытую для классической теплофизики, но доступную методами квантовой термометрии. Эта область лежит ниже абсолютного нуля. 

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ II.

Обратимость "идеального лазера" - переходный акаузальный процесс и скачок через ноль

Лазер, генерирующий слабый сигнал, почти не изменяющий населенности верхнего лазерного уровня, рассматривается как "идеальный лазер", работающий по псевдоциклу Карно между источниками теплоты с положительными или отрицательными абсолютными температурами. Поглощая когерентное излучение, он способен работать в режиме квантового теплового насоса, передавая энергию от холодильника (квантового термостата) к нагревателю. Он обратим потому, что в пределах неопределенности температуры и времени допускает акаузальные, т.е. идущие с нарушением причинности процессы. Понятия: отрицательная абсолютная температура, идеальный лазер, квантовый термостат, соотношения неопределенностей температуры и времени и другие есть элементы квантовой термодинамики – теории, описывающей в операторной форме когерентные (квантовотермодинамические) состояния макроскопических квантовых систем.

Начнем этот сугубо физический доклад замечанием методологического характер, а именно, о величайшей роли в дешифровке интегрального образа индустриального мира, которую играет машина Карно. Аналогичную роль в формировании теоретического образа постиндустриального мира, – мира синергетических социальных, политических, интеллектуальных, исследовательских и производственных технологий выпало играть принципиально синергетическому устройству, "идеально" преобразующему теплоту или иной вид энергии в когерентное излучение, - "идеальному лазеру". Теория, описывающая работу этого устройства, есть квантовая термодинамика. Основу квантовой термодинамики составляют следующие принципы:

(1) Существуют макроскопические квантовые системы (МКС). Они могут служить источниками теплоты – МКС-нагревателями (МКС-термостатами), а их квантовотермодинамические равновесные состояния описываются собственными значениями оператора квантовотермодинамической температуры .

(2) МКС описываются волновыми функциями состояния. При взаимодействии нескольких МКС образуется "смешанная" система ("идеальный лазер"), способная находится одновременно в нескольких состояниях с разными квантовотермодинамическими температурами – одновременно, т.е. в пределах неопределенности температуры и времени (6).10 Смешанные МКС реализуют замкнутый цикл квантовотермодинамических переходов, во всех точках которого выполняется закон сохранения энергии. Фундаментальной компонентой идеального лазера является МКС-машина

(3) Энтропия квантуется. Две МКС, например, МКС-термостат и МКС-машина обмениваются при взаимодействии энергией, минимальное количество которой равно . Постоянная Больцмана имеет смысл кванта энтропии. Переход МКС-машины из одного собственного состояния в другое происходит при наличии квантового холодильника - МКС-холодильника, поглощающего энтропию квантами. Минимальное значение кванта энтропии равно .

(4) Квантовотермодинамическая адиабатическая стенка, "жестко" отделяющая МКС-холодильник от МКС-нагревателя, в силу соотношения неопределенностей энергии и температуры

(7)

должна быть "толщиной" не менее . Соотношение неопределенностей (7) позволяет записать оператор температуры в явной форме.

(5) Передача энергии между МКС происходит при переходе систем из одного стационарного состояния в другое. "Теплопередача" от МКС-термостата к МКС-машине или наоборот есть стохастический процесс, реализуемый квантовотермодинамическим скачком на собственной резонансной частоте нагревателя и возможен благодаря тождественности их состояний.

(6) В когерентном с МКС-холодильником состоянии МКС-машина передает ему энергию и энтропию на резонансной частоте холодильника.

(7) Идеальный лазер обратим. Интерференция волн вероятности квантовотермодинамических состояний МКС-термостатов и МКС-машины замыкает цикл режимом квантового теплового насоса. Абсолютный нуль недостижим. Однако температура МКС в силу квантовотермодинамической неопределенности времени стремится не к абсолютному нулю температур, а к предельно низкому значению температуры, равному

, (8)

имеющему порядок 10-8 кельвина на минимальной частоте акустических колебаний этой системы. Из выражения (8) следует, шкала квантовотермодинамической температуры не имеет начальной точки, подобной абсолютному нулю термодинамической шкалы. При глубоком охлаждении конкретного вещества его температура стремится не к абсолютному нулю, а к собственной для данного вещества предельно низкой температуре

, (9)

где - частота, на которой производится измерение температуры. Следовательно, шкала квантовотермодинамической температуры начинается набором "предельно низких температур" , являющихся константами для каждого конкретного вещества.11

Предельно низкая температура, измеренная на предельно высокой частоте колебаний, равна температуре Дебая. Предельно низкую температуру, измеренную на предельно низкой частоте колебаний , и температуру абсолютного нуля разделяет "щель", порядка кельвина. Если при температуре Дебая начинается выморожение нормальных мод колебания кристалла, то в состоянии с предельно низкой для данного вещества температурой процесс вымораживания "завершается". Можно предположить, что , но именно наличие неопределенности энергии, , которой обладает всякое состояние МКС, обязывает нас записать соотношение (7).

Чем меньше неопределенность энергии, тем меньше и неопределенность температуры. Энергия и температура измеримы одновременно со сколь угодно высокой точностью. Но неопределенность энергии вблизи абсолютного нуля имеет конечное значение и равна энергии нулевых колебаний атомов кристаллической решетки.

Постоянная Больцмана в выражениях (7) и (9) имеет принципиально квантовый смысл. Она есть величина энергии, на которую изменяется полная энергия МКС, "колеблющаяся" между двумя квантовыми термостатами (МКС-нагревателем и МКС-холодильником), при изменении ее температуры на один кельвин. Если постоянная Планка это квант действия (произведения энергии на время), то постоянная Больцмана это квант энтропии ("произведения" энергии на величину, обратную температуре). Квантовотермодинамическая энтропия есть величина непосредственно квантуемая.

Обратимость идеального лазера можно выстроить следующей последовательностью процессов. Если МКС-машина преобразует квант тепловой энергии – фонон в энергию когерентного фотона и фонон, обладающий меньшим значением энергии, который затем поглощается МКС-холодильником, то обратный процесс начинается с поглощения МКС-машиной когерентного фотона. Под воздействием электромагнитного колебания МКС-машина генерирует две волны, трансформируя энергию фотона

в энергию двух фононов. Один из фононов, назовем его фононом, рождается как обычное звуковое колебание с энергией

, (10)

превышающей энергию поглощенного фотона . Однако, закон сохранения энергии здесь не нарушается, поскольку второй фонон, назовем его фононом, рождается как квант волны отрицательной энергии. Его возбуждение связано с отбором некоторого значения энергии у системы, а, следовательно, энергия фонона отрицательна. Суммарная энергия и фононов равна энергии поглощенного фотона. фонон уже в момент рождения когерентен МКС-нагревателю и при поглощении передает ему энергию равную (10). фонон рождается когерентным МКС-холодильнику и отнимает у него при поглощении энергию равную

. (11)

Таким образом, в результате замыкания цикла квантового теплового насоса МКС-машина отнимает у МКС-холодильника энергию равную (11) и передает эту энергию МКС-нагревателю.

Если описанный процесс физически реализуем, то он высвечивает два фундаментальнейших обстоятельства. Во-первых, его реализация связана с ответом на вопрос о том, каким образом МКС-машина "знает" в момент рождения фононой пары о состояниях МКС-нагревателя и МКС-холодильника? Она должна это "знать" с тем, чтобы фонон оказался когерентным нагревателю, а фонон – когерентным холодильнику. Во вторых, если левая часть выражения (11) имеет отрицательное значение, то какую из двух величин его правой части необходимо считать отрицательной?

Ответ на первый вопрос содержится в соотношении неопределенностей температуры и времени (6). В пределах неопределенности времени возможны акаузальные процессы – процессы с нарушением причинности. Другими словами, МКС-машина, работающая в режиме квантового теплового насоса, работает как машина времени, реализующая в пределах временной неопределенности квантовотермодинамические скачки назад.12 Предполагается, что уже в ближайшее время фантастический образ машины времени переместиться в область технологической реальности.

Однозначного ответа на второй вопрос у нас нет. Частота колебаний, определенная как число колебаний, совершаемых системой в единицу времени, не может быть определена как отрицательная величина. Но, если частота колебаний не может быть отрицательной, то, очевидно, мы использовали лишь одно из двух значений постоянной Планка – положительное значение, произвольно отбрасывая ее отрицательное значение. Однако, столь радикального пересмотра смысла постоянной Планка, возможно и не потребуется, поскольку частоту можно определить так, например, как мы сделали это в следующем разделе нашего доклада выражением (15), приведенным на стр. 554. Это определение допускает отрицательные значения частоты.

Рентгеновский лазер с ядерной накачкой или бета-лазер с электронно-лучевой накачкой являются принципиально релятивистскими и даже - суперрелятивистскими устройствами. Их накачка, т.е. установление квантовотермодинамического равновесия, осуществляется со скоростями близкими к скорости света С или превышающими ее, т.е. с суперрелятивистскими скоростями. Оптически активные среды этих устройств являются макроскопическими, квантовыми, и релятивистскими МКС (РМКС) и даже - суперрелятивистскими (СРМКС). Их релятивистскиквантовотермодинамические и суперрелятивистскиквантовотермодинамические состояния характеризуются соотношением неопределенностей температуры и координаты РМКС относительно выбранной квантоворелятивистской системы отсчета

, (12)

где , - скорость передачи сигналов в МКС. Если эта скорость равна скорости света, как, например, в лазерах с накачкой от ядерного взрыва, то постоянная становится фундаментальной, равной Км. Чем в меньший отрезок времени измеряется температура МКС или чем меньше время существования данного ее состояния, тем больше неопределенность температуры. Чем протяженнее МКС, тем точнее измерима температура ее равновесного (когерентного) квантовотермодинамического состояния.

И. Пригожин сопоставил энтропии оператор с дискретными наборами собственных значений и функций .13 Если постоянная Больцмана, имеющая размерность [энергиятемпература-1], есть минимальное изменение энтропии МКС, то

и .

Нулевые колебания МКС с частотой обладают как нулевой энергией

, (13)

так и нулевой энтропией

.

Таким образом, мы получили результат, противоречащий "чрезвычайно важной" (М. Планк) теореме Нернста.14

Одно из следствий выражения (7) можно сформулировать как существование предельно низкой температуры вещества . Эта температура является аналогом температуры Дебая. Если при температуре Дебая начинается вымораживание нормальных колебаний кристалла, то при предельно низкой температуре оно как бы заканчивается. При этом единственным движением кристалла являются нулевые колебания с энергией (11). В этом смысле можно сказать, что существует верхняя и нижняя температуры Дебая. Сопоставляя выражения (7) и (13), получим

.

Фундаментальными следствиями полученного выражения являются следующие утверждения:

- отношение (постоянная Вина) есть квантово-термодинамическая константа, производящая соотношение неопределенностей температуры и времени. О том, что это отношение действительно есть фундаментальная константа свидетельствует возможность ее получения методами квантовой теплофизики в процедурах измерения квантовотермодинамической температуры, что мы показали в первой части нашего доклада;

- температура МКС при ее глубоком охлаждении в области положительных температур или высоком нагреве в области абсолютных отрицательных температур выше бесконечной температуры стремится к конечному значению. На частоте это значение в положительной области равно значению температуры Дебая. На частоте она равна К для меди;

- значение является собственной константой для каждого вещества.

Соотношения (6) и (12) свидетельствуют о влиянии квантовотермодинамических параметров РМКС на свойства постранства-времени. Они искажают занимаемое этой системой пространство и влияют на ход времени в этом объеме пространства.15 В масштабе неопределенности времени и в границах РМКС возможны акаузальные процессы тепломассопереноса. РМКС-машина, помещенная между релятивистским квантовым нагревателем (РМКС-нагревателем) и релятивистским квантовым холодильником (РМКС-холодильником), может работать как машина времени, реализуя квантовотермодинамические скачки назад во времени, но, конечно же, в пределах временной неопределенности (6).

В пределах температурной "щели" вблизи абсолютного нуля все моды теплового движения полностью выморожены. То есть механическое движение более фундаментально в сравнении с тепловым движением. Наличие подобной температурной "щели" между предельно низкой температурой и абсолютным нулем открывает перспективу неравновесного перехода через ноль температур в область отрицательных значений квантовотермодинамической температуры ниже абсолютного нуля.16 Этот процесс может быть реализован как особого рода колебательное движение, как возбуждение в МКС волн отрицательной энергии "подавляющих" нулевые колебания. Энергия этих колебаний, реализующих квантовотермодинамические состояния ниже абсолютного нуля, "отбирается" у нулевых колебаний атомов.

Если фононы отрицательной энергии существуют, а они, вероятно, существуют, по крайней мере, их аналоги - спиновые волны отрицательной энергии давно уже обнаружены в лазерах на монокристаллах, то можно попытаться осуществить следующий эксперимент. Любой кристалл даже при абсолютном нуле сильно "раздут". Его раздувает квантовое движение атомов, не прекращающиеся и при температуре . Возникающее от "раздутия" сильное внутреннее напряжение велико и приводит к заметной объемной деформации кристалла. Ее можно компенсировать внешними силами. Если кристалл подвергнуть глубокому охлаждению и одновременно всестороннему сжатию, то при равенстве внешнего механического и внутреннего фононного давлений кристаллическая решетка придет в ненапряженное состояние. Резкое снятие механической нагрузки возбудит в кристалле за счет уменьшения его внутренней энергии объемную волну разгрузки. Она возникнет как волна отрицательной энергии. Температура кристалла резко (не равновесно) понизится. Но насколько понизиться температура глубоко охлажденного кристалла? При определенных условиях эксперимента кристалл может неравновесным скачком перейти через ноль температур. Каковы эти условия?

Описанный неравновесный переход МКС в область ниже абсолютного нуля возможен потому, что один тип движения – механическая волна – подавляет в этом процессе другой тип движения – нулевые колебания. Механизм этого подавления имеет квантовую природу, поскольку волны отрицательной энергии квантуются и возникают как квантовые осцилляции, "перекачивающие" энергию нормальных нулевых колебаний в энергию колебаний фононов отрицательной энергии. Сильно упорядоченные атомы кристалла, будут вовлечены ими в квантово-тепловое колебательное движение, заметно отклоняясь от идеального порядка. Реализуется состояние МКС, при котором рост энтропии будет сопровождаться понижением ее внутренней энергии. Производная операторов соответствующих величин, определяющая по второму закону квантовой термодинамики температуру МКС, станет отрицательной. То, что исследователь мог бы получить в этом, может быть, и не столь трудном эксперименте, есть отрицательная абсолютная температура ниже абсолютного нуля.

И та "степень холода", при которой, как писал М.В. Ломоносов, прекращается всякое движение частиц вещества, равна не абсолютному нулю температур, а температуре ниже абсолютного нуля.

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ III.

Парадигма когерентной механики*

Сконструирована модель возбуждения строго осевым ударом импульса колебаний в тонком металлическом стержне. Имея вид хаотических колебаний, они образованы упорядоченной суперпозицией волн расширения сжатия и изгибных волн, взаимодействующих между собой с передачей энергии от изгибных колебаний к колебаниям расширения-сжатия. Эволюция переходного хаоса к периодическим типам движений - к "готовым" продольным и изгибным волнам происходит потому, что ударно возбужденный тонкий стержень есть "протоковая" система с диссипацией, аналогичная лазерным системам. Источником накачки ее бистабильности служит изогнутый осевой нагрузкой участок стержня. Экспериментальные данные, а также обобщенные определения длины волны и частоты хаотических колебаний позволяют ввести классический аналог квантовых уровней энергии. Перескоки системы между квазиквантовыми уровнями энергии реализует экспериментально наблюдавшийся перенос энергии от изгибной волны к волне расширения-сжатия.

1. Введение. Строго осевой удар по торцу тонкого металлического стрежня (, где - диаметр стержня, - длина волны) возбуждает импульс упругих волн, являющийся пакетом волн расширения-сжатия, изгибных волн и волн кручения.17 Экспериментально установлено18, что на расстоянии до 0,1 метра от возбуждаемого конца стерня из медной проволоки (= 0,62 мм) волны расширения-сжатия и изгибные волны распространяется так, что происходит перераспределение энергии деформации от фронта изгибной волны (= 1550 м/с) к фронту волны расширения-сжатия ( = 3270 м/с). Вопреки ожидаемому представлению о затухании волнового процесса интенсивность переднего фронта импульса, т.е. волны расширения-сжатия, возрастает практически от нуля до некоторого конечного значения (рис.1). После распада волнового пакета на импульс волн продольных колебаний и импульс волн поперечных колебаний амплитуда переднего фронта импульса волн расширения-сжатия уменьшается в соответствии с классическим затуханием.

 

Рис. 1. Осциллограмма взаимодействия импульса с пьезопреобразователем при I = 0,02 (а,б) и 0,01 (в-е) ампера. Длина стержня: а - 50, б - 100, в - 250, г -501, д - 1000, е 1500 мм.

2. Модель стержня с хаосом. Предполагается, что изгибные волны возникают при возбуждении в тонком стержне импульса упругих волн расширения-сжатия из-за невозможности нанести строго осевой удар поршневым излучателем по возбуждаемому конецу стержня. Стержень при этом не только сжимается, но и изгибается. Этот механизм имеет случайный характер и не объясняет установление экспериментально выявленной когерентности между осевыми и изгибными колебаниями стержня. Напротив, рассматриваемая далее модель возбуждения упругого импульса коротким строго осевым ударом по торцу тонкого стержня производит наблюдаемую когерентность.

Образование пакета из волны расширения-сжатия и изгибной волны в тонком первоначально невозмущенном стержне можно представить как реализацию последовательности состояний участка стержня, соприкасающегося с излучателем. Излучатель, воздействуя на стержень импульсом силы , формирует на участке стержня напряжение , не превышающее предела упругости материала стержня. Однако упругое равновесие этого участка стержня не будет устойчивым, если нагрузка на этот участок превысит критическое значение

,

где - наименьший момент сечения стержня. В этом случае в напряженном участке даже при строго осевом сжатии возникает изгибающий момент, равный по абсолютной величине

,

где - прогиб стержня, - площадь поперечного сечения стержня. Под воздействием изгибающего момента сжатый участок стержня теряет устойчивость относительно оси и изгибается.

Очевидно, что сжатый участок стержня, изгибаясь в момент потери устойчивости, частично восстанавливает свою первоначальную длину. Требуется, поэтому дополнительное к возникающему от сжатия продольному смещению частиц материала стержня продольное смещение возбуждаемого конца на величину для того, чтобы напряжение в точке стержня с координатой оставалось равным . Состояние возбужденного конца стержня в момент времени , где - период колебаний, формируется двумя его смещениями вдоль оси : смещением сжатия и смещением , возникающим в результате компенсации изгиба деформированного участка стержня и образования плоской -образной "пружины", а также смещения в направлении, перпендикулярном оси на величину . Результирующее смещение вдоль оси равно . (В момент образования изгиба происходит и потеря устойчивости стержня в плоскости, перпендикулярной его оси. Стержень, скручиваясь, образует "витую" деформацию. Распространение этой деформации вдоль стержня – волна кручения или тангенциальной составляющей импульса – в докладе не рассматривается).

Групповые скорости распространения волны расширения-сжатия и изгибной волны на участке вблизи возбуждаемого торца стержня равны. Это и наблюдалось в стержне на расстоянии 50-100 мм от возбуждаемого торца стержня.19 Здесь волна расширения-сжатия "тащит" за собой изгибную волну. Неизбежная в этом процессе диссипация энергии деформаций приводит к уменьшению величины напряжения сжатия, и на некотором расстоянии от возбуждаемого торца стержня возникающие в нем деформации сжатия уже не приводят к потере его устойчивости. Происходит разделение волнового пакета на составляющие, четко идентифицируемые двумя волновыми фронтами: фронтом волны расширения-сжатия и следующим за ним фронтом изгибной волны.

Движение стержня в пределах волнового пакета описывается уравнением

, (14)

где - полная относительная деформация пришедших в движение участков стержня, , - скорость распространения продольных стержневых колебаний, , - модуль Юнга, - плотность невозмущенного материала, - скорость изгибных стержневых колебаний, , - модуль сдвига.20

3. Эволюция движения стержня от хаоса к предельному циклу. В основе больших фундаментальных теорий лежат простые, иногда примитивнейшие представления. Ф. Мун в своей монографии по физике хаотических колебаний21 счел возможным сослаться на историка и философа науки Томаса Куна и его вовсе "нефизическую" книгу "Структура научных революций". Крупные представления об окружающем мире, пишет он вслед за Т. Куном, есть следствие не появления новых больших теорий, а построения новых простых моделей – парадигм, в терминологии Куна, которые и закладываются в основу новых теорий. Парадигмой теории упругих колебаний является модель, построенная из пружины и груза. На смену этой парадигме пришли альтернативные модели колеблющихся систем, включающих помимо пружины и груза еще и принципиально нелинейные элементы.

Исследования, результатом которых явилась серия статей (см. сноски "18","20"), была инициирована желанием создать тонкую акустическую задержку для электронных устройств, работающих в экстремальном окружении, например, в сильном радиационном поле. Предполагалось в соответствии с классической парадигмой, что от уменьшения диаметра поперечного сечения стержня ничего катастрофического не произойдет с формой импульса. Оказалось, однако, что в случае мы переходим в область волновых движений, которую невозможно репрезентировать пружиной с грузом. Уравнение движения такой системы

описывает вовсе не то, что наблюдает экспериментатор. Вводя в волновое уравнение (14) дополнительную переменную – продольное смещение, возникающее от поперечного изгиба стержня, мы не всего лишь немножечко усложняем модель, а переходим в новую парадигму – в новый свод правил описания и интерпретации волновых процессов. Эвристическая сила этих правил описания, позволяя предсказать новые явления, о которых речь пойдет далее, надежно свидетельствует, что мы действительно работаем в новой парадигме.

Эксперимент демонстрирует, что на некотором расстоянии от возбуждаемого конца стержня в области между фронтом изгибной и фронтом продольной компонент импульса возникает картина колебаний, характерная для хаотических колебаний продольно изогнутого осевой силой упругого стержня (рис.1, см. сноску "17"). Данная картина возникает от наложения колебаний малой амплитуды возбужденных участков стержня на "перескоки" между двумя устойчивыми положениями равновесия. Речь идет как минимум о двух колебательных процессах. Один осуществляется с малой амплитудой и большой частотой , другой происходит с большой амплитудой и меньшей частотой . Механический аналог подобной системы есть шарик, движущийся в потенциальной яме с двумя минимумами энергии и неустойчивой седловой точкой. Появление широкого спектра частот при одночастотном гармоническом движении, например, после однонаправленного смещения конца стержня от ударного возбуждения, есть характерный признак, позволяющий надежно идентифицировать это движение как хаотические колебания.22

4. Негеометрическое определение длины волны и частоты колебаний. Еще одно замечание о границах классической волновой парадигмы относится к определениям понятий "длина волны" и "частота колебаний". Хаотические ударно возбужденные волны не являются гармоническим процессом, период которого легко определить, исходя из наглядных геометрических соображений. Определение длины такой волны как кратчайшего расстояния между двумя последовательными фронтами волны, находящимися в одинаковой фазе колебаний, строго применимое лишь к синусоидальным бесконечным волнам, теряет физический смысл в отношении хаотических колебательных процессов. Это "геометрическое" определение должно быть заменено другим определением, построенным на более общих теоретических основаниях.

В качестве нового принципиально "негеометрического" подхода можно предположить определение длины волны как отношения производимого волной действия к импульсу давления волны , т.е.

,

где - лагранжиан системы, - ее кинетическая и - потенциальная энергия. Соответственно, определяется и частота колебаний

, (15)

где – групповая скорость волны.

Если волна производит положительное действие, а импульс давления волны отрицателен, то мы переходим в область отрицательных частот. Понятие "отрицательной частоты" важно в случае квантования волн отрицательной энергии, возбуждаемых механизмами отбора энергии у системы. Энергия кванта такой волны, вычисленная в соответствии с известной формулой

, (16)

где - постоянная Планка, - частота колебаний, должна иметь отрицательное значение, что возможно, если отрицательной будет частота.

5. Волновой импульс как хаос в протоковой системе. Колебания стержня вблизи его возбуждаемого торца являются хаотическими; однако, с течением времени они вырождаются в периодическое или квазипериодическое движение. Это хаотическое движение есть переходный хаос, – т.е. такое движение, которое в конечный интервал времени выглядит хаотическим, но становится затем регулярным. Переходный механический хаос возникает как следствие кризиса или внезапного исчезновения установившегося режима движения. В нашем случае – внезапно исчезает направленное перемещение возбуждаемого торца стержня. Это унарное движение скачком переходит к хаосу, а затем бинарному движению – одновременно и колебаниям расширения-сжатия и к изгибным колебаниям.

В статье (см. сноску "20") было высказано предположение, что движение возбужденного коротким ударом стержня, являющегося системой с диссипацией, некоторыми своими существенными особенностями аналогично типам движения, возникающим в системах с накачкой – "протоковых" системах, например, в лазерах. Характерным для протоковых систем является разделение их движений на переходное и установившееся, "забывшее" о начальном состоянии и от него не зависящее.23 Потеря информации о начальных условиях есть фундаментальное свойство хаотических систем24, позволяющее предположить, в частности, фундаментальную необратимость процесса возбуждения импульса волн напряжения – отражение импульса от противоположного возбуждаемому конца стержня не повторяет процесса его возбуждения.

Особенность протоковой системы состоит в наличии особого рода среды, например, оптически активной среды лазера, являющейся частным случаем макроскопической квантовой системы (МКС), и источника энергии, осуществляющего "накачку" среды в возбужденное состояние. Направленное движение в системе возникает при стимулированном переходе среды из возбужденного состояния в основное (или менее возбужденное). В МКС, обладающих (по определению) дискретным энергетическим спектром, это движение – генерация излучения происходит как индуцированный квантовый переход системы между двумя уровнями энергии. Тонкий стержень есть, однако, макроскопическая классическая система (МКлС), не обладающая выделенными значениями энергии, но демонстрирующая некоторые характерные свойства МКС. Как отмечено в статье (см. сноску "18"), в области между фронтом изгибной волны и фронтом продольной волны материал стержня возбужден прошедшей волной расширения-сжатия. Его плотность отличается от плотности невозмущенного материала, , и локальный касательный модуль для материала в этом механически активном состоянии значительно превышает модуль Юнга, . Введенный в модель (см. сноску "20") принципиально нелинейный элемент – изогнутый под действием осевой силы участок стержня и есть источник механической "накачки" материала стержня в указанной области.

Экспериментально обнаружено, что амплитуда "перескоков" не является величиной постоянной (рис. 2). И, тем не менее, мы полагаем, что средние значения механической энергии двух соседних перескоков и , пропорциональные квадратам амплитуд соответствующих перескоков, т.е. и , можно рассматривать как своего рода уровни энергии – как энергетические квазиуровни. Аналогия тонкого стержня с хаосом и МКС весьма условна. Но она допустима, если не забывать, что в основу теории лазерных процессов положены волновые аналогии из классической физики. Уровни и принципиально не являются квантовыми. Разность их значений не является величиной постоянной, и, очевидно, справедливое в квантовой механике и квантовой термодинамике25 выражение, определяющее энергию кванта излученной волны, невозможно записать в теории МКлС. Значения и есть не более чем классические аналоги квантовых уровней, т.е. классические квазиуровни. Перескоки между этими квазиуровнями реализуют механизм транспорта механической энергии от фронта изгибной волны к фронту волны расширения-сжатия. Можно предположить, используя выражение (15), что каждый перескок осуществляет передачу энергии

. (17)

где - квант энергии. Сравнивая выражения (16) и (17), мы получим

,

где - "макроскопическая квазипостоянная" Планка.

 

Рис. 2. Осциллограмма импульса, прошедшего в стержне длиной 100 мм, совмещена с изображением шарика, движение которого в потенциальной яме с двумя минимумами энергии а, с и неустойчивой седловой точкой в, и моделирует хаотические колебания на участке стержня между фронтом волны расширения-сжатия (стрелка А) и фронтом изгибной волны (стрелка Б). В минимумах потенциальной энергии, соответствующих квазиквантовым энергетическим уровням, шарик обладает максимумами кинетической энергии равными, соответственно, W1 и W2. Точка 0 - начало развертки.

Напомним, что выражение (17) относится к области возбужденного материала стержня, т.е. к области, локализованной между фронтом волны расширения-сжатия и фронтом изгибной волны. После распада волнового пакета на готовые волны квазиквантовый механизм перескоков вырождается полностью.

4. Заключение и выводы. Процесс возбуждения коротким ударом импульса (пакета) упругих волн в тонком металлическом стержне не поддается описанию в классической парадигме колеблющегося груза, закрепленного на пружине. Адекватное описание этого процесса требует перехода в новую парадигму, включающую дополнительно принципиально нелинейный элемент, например, шарик, движущийся в потенциальной яме с двумя минимумами энергии, и , и седловой точкой, образующими два энергетических квазиуровня. Этот элемент, репрезентирующий изогнутый осевой силой участок стержня, является источником хаоса. Он делает колебательное движение принципиально хаотическим, которое, однако, с течением времени вырождается в регулярное движение. Это позволяет сделать вывод, что возбуждение импульса механических волн есть переходный процесс с бистабильностью: от однонаправленного вдоль оси движения возбуждаемого торца стержня к двум принципиально иным типам движения. Если напряжения в импульсе не превышают предела упругости, то эти два режима есть продольные колебания – волна расширения-сжатия и поперечные колебания – изгибная волна (волны кручения в докладе не рассматривались). Область стержня от возбуждаемого торца до сечения, в котором наиболее вероятен развал волнового пакета с образованием "готовых" волн расширения-сжатия и изгибных волн, есть область механической бистабильности.

Рассмотренная в докладе модель образования пакета волн расширения-сжатия и изгибных волн от нанесения по торцу стержня короткого строго осевого удара содержит в себе больше следствий, чем обычно допускает традиционная волновая парадигма. Она содержит хаос, моделируемый движением шарика в потенциальной яме с двумя минимумами энергии. Изображение такого движения в фазовом пространстве есть странный аттрактор с фрактальной размерностью. Экспериментально показано, что волновой пакет в области между фронтом изгибной волны и фронтом волны расширения-сжатия образован двумя типами колебаний – высокочастотными с малой амплитудой, наложенными на низкочастотные "перескоки" большой амплитуды. Последнее обстоятельство позволяет трактовать область механической бистабильности как протоковую систему с классическими квазиуровнями энергии и . Соответственно, нелинейный элемент модели (изгиб оси пружины) представим как источник накачки, а стимулированные нелинейным элементом "перескоки" – как механизм передачи деформаций от фронта изгибной волны к фронту волны расширения-сжатия.

Представленная в докладе когерентная модель хаотических колебаний тонкого стержня может быть положена в основу новой фундаментальной теории, являющейся макроскопическим аналогом квантовой механики, а именно - когерентной механики.


Ссылки в статье:

1 Paund R.V. Nuclear Spin Relaxation times in Single Crystals of LiF // Phys. Rev. 1951. V.81, p.156; Ramsey N.F.,Paund R.V. Nuclear Audiofrequency Spectroscopy by Resonant Heating of the Nuclear Spin System // Phys. Rev. 1951. V. 81, p.278-279; Purcell E.M., Paund R.V. A Nuclear Spin System at Negativ Temperatura // Phys. Rev. 1951. V.81, p.279-280; Ramsey N.F. Thermodynemics and Statistical Mechanics at Negative Absolute Temperatures // Phys. Rev. 1951. V.103, p.20-28.

2 Базаров И.П. Термодинамика. М., 1983, с.124-125.

3 Шардыко С.К. Измерение отрицательной абсолютной температуры с помощью оптического квантового усилителя // Фазовые превращения и энергонапряженные процессы: Свердловск: УрО АН СССР, 1988, с.116-126.

4 Шардыко С.К. Квантовая термодинамика: научная исследовательская программа. Екатеринбург, 2000. (Препринт)

5 Шардыко С.К. Оптический квантовый усилитель бегущей волны как датчик отрицательной абсолютной температуры // Датчики и средства первичной обработки информации. Курган, 1990, с.32-35.

6 Отметим, что в выражение (4) входит произведение постоянной Планка и скорости света, которое В.П. Бранский предложил считать квантоворелятивистской постоянной (Бранский В.П. Философские основания синтеза релятивистских и квантовых принципов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1973).

8 Шардыко С.К. Бета-лазер. Екатеринбург, 1992.

7 Постоянная S1 в определенном смысле более фундаментальна в сравнении с постоянной Планка. Она входит в показатель экспоненты формулы Вина, который обозначил ее как b. Макс Планк переписал этот показатель в виде постоянная bk получила затем известное обозначение h. В нашей терминологии b = S1.

8 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

9 Schulz-Du-Bois E.O., Scovil H.E. Патент США № 3015072, приоритет от 26.12.1961.

10 В различных частях доклада "Синергетические технологии" принята сквозная нумерация сносок и формул.

11 Шардыко С.К. Предельно низкая температура // Строение и свойства металлических и шлаковых систем. Екатеринбург. 1998. Т.1, с.26-27.

12 О скачках во времени вперед см. сноску "17" настоящего доклада.

13 Пригожин И. От существующего к возникающему. М., 1986.

14 Этот результат противоречит "изумительной гипотезой, значение которой… заключается в том, что она чрезвычайно простым способом и в то же время применимым ко всем вообще случаям устанавливает значение аддитивной константы в выражении энтропии S, которое классическая термодинамика оставляла еще неопределенным.

Для того, чтобы оценить плодотворность этой Нернстовой теоремы теплоты в полном ее объеме, мне кажется наилучшим дать ей ту формулировку, которая, по моему мнению, является наиболее глубокой и в то же время самой просто. В такой формулировке эта теорема утверждает, что энтропия конденсированного (т.е. твердого или жидкого) химически гомогенного вещества при нуле абсолютной температуры равна нулю.

На первый взгляд это положение опять таки кажется только определением. Действительно, так как в термодинамике мы всегда имеем дело только с разностями энтропии, то точное установление аддитивных констант кажется не имеющим никакого значения для измерения. Но такое мнение оказывается неправильным уже потому, что конденсированное вещество может переходить в различные видоизменения или состояния агрегата, и мы совершенно не можем знать заранее, зависит или нет его энтропия при нуле абсолютной температуры от его видоизменений или состояния агрегата, как этого требует теорема теплоты Нернста." (Цитировано по книге: "МАКС ПЛАНК, профессор теоретической физики Берлинского университета, АНРИ ПУАНКАРЭ, профессор Сорбонны. Новейшие теории в термодинамике (Теорема теплоты Нернста и гипотеза квант). Перевод с немецкого С..А. Алексеева. Петроград: Книгоиздательство “Физика”, 1920, с.5-18". Экземпляр книги, отпечатанной в 4-й Государственной типографии в количестве 20 тыс. экземпляров, недавно найден в мусорном баке).

Отметим, что мы рассматриваем совершенно иное, отличное от "твердого или жидкого", состояние вещества - МКС, к которому, само собою разумеется теорема Нернста не может быть применена.

15 Шардыко С.К. Влияние термодинамических параметров на свойства пространства-времени // Фридмановские чтения. Пермь, 1998, с.44-45.

16 Шардыко С.К. Состояние вещества ниже абсолютного нуля - следствие квантовотермодинамических принципов // Уравнения состояния вещества. ТЕРСКОЛ, 2000, с.48-57.

* Данный раздел был принят в качестве доклада на VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Пермь 23-29 августа 2001). Шардыко С.К. Когерентная модель хаотических колебаний тонкого стержня // Материалы VIII Всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике. Пермь, 2001.

17 Влияние волн кручения на характер распространением упругого импульса в цитируемых статьях и в этой работе не исследовалось.

18 Шардыко С.К. Искажение формы импульса упругих волн в тонких металлических стержнях // Метастабильные фазовые состояния и кинетика релаксации. Свердловск: УрО РАН, 1992, с.107-113.

19 Там же.

20 Шардыко С.К. Искажение формы импульса упругих волн в тонких металлических стержнях. 2. Волновая модель и уравнение движения // Теплофизика и кинетика фазовых переходов. Екатеринбург, с.115-126.

21 Мун Ф. Хаотические колебания. М., 1990.

22 Там же.

23 Айфрамович В.С. Об аттракторах // Нелинейные волны. Динамика и эволюция. М., 1989. С.16-29.

24 Мун Ф. Цит. произв.

25 Квантовая термодинамика является теорией синтетического типа (типа статистической термодинамики), эксплицирующей процессы тепломассопереноса в МКС, например, в лазерах, находящихся в состояниях с отрицательными абсолютными температурами (Шардыко С.К. Измерение отрицательной абсолютной температуры с помощью оптического квантового усилителя // Фазовые превращения и энергонапряженные процессы. Свердловск, 1988, с.116-126). Фундаментальными следствиями квантовой термодинамики являются квантовотермодинамические и квантоворелятивистскитермодинамические соотношения неопределенностей температуры и энергии, температуры и времени, температуры и координаты (Шардыко С.К. Квантовая термодинамика: научная исследовательская программа. Екатеринбург, 1998/2000. Препринт), из которых следуют существование предельно низкой температуры, не совпадающей с абсолютным нулем температур (Шардыко С.К. Предельно низкая температура // Строение и свойства металлических и шлаковых систем. Т.1. Екатеринбург, 1998, с.26-27), а также существование квантовотермодинамических состояний ниже абсолютного нуля (Шардыко С.К. Состояние ниже абсолютного нуля – следствие квантовотермодинамических принципов // Уравнения состояния вещества. ТЕРСКОЛ, 2000, с.48-51). Положения квантовой термодинамики могут иметь и технологическое применение, например, в использовании квантовых теплоносителей (Шардыко С.К. Принципы квантовой термодинамики: применение к описанию тепломассообмена в аппаратах с квантовыми теплоносителями // Тепломассообмен ММФ-2000. Т.10 Тепломассообмен в энергетических устройствах. Минск 2000, с.123-131) при создании высокотемпературных надстроек к паровым котлам тепловых электростанций (Шардыко С.К. Проблемы создания новых технологий для энергетики на основе макроскопических квантовых систем // Известия Российской АН. Энергетика, 1992, № 2, с.14-23), при создании принципиально новых типов ядерных реакторов на основе когерентных ядерных распадов (Шардыко С.К. Бета-лазер – альтернативная физическая схема ядерных технологий для АЭС. Екатеринбург, 1993). Квантовотермодинамические и квантоворелятивистскитермодинамические соотношения неопределенностей допускают акаузальные, т.е. протекающие с нарушением классической причинности процессы, а также транспространственный тепломассоперенос внутри или между МКС (Шардыко С.К. Влияние термодинамических параметров на свойства пространства-времени // Фридмановские чтения. Пермь, 1998, с.44-45). Эти принципы могут быть использованы при создании постнеклассических технологий по схеме "машины времени" и телепортации.

Дата публикации: 27 января 2003
Источник: SciTecLibrary.ru

Вы можете оставить свой комментарий по этой статье или прочитать мнения других в следующих разделах ФОРУМА:
Свернуть Защита интеллектуальной собственности и авторских прав
Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения.
Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков.
Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр.
Свернуть Точные науки и дисциплины
Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации.
Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение.
Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики.
Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях.
Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им.
Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства.
Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы.
Свернуть Мозговой штурм
Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора.
Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда.
Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике.
Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении.
Свернуть Взгляд в будущее и настоящее
Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности.
Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний.
Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества...
Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения.
Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете.
Свернуть Гуманитарные науки и дисциплины
Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий.
Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран.
Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными.
Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить.
Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Хотите разместить свою статью или публикацию, чтобы ее читали все?
Как это сделать - узнайте здесь.

Назад

 
О проекте Контакты Архив старого сайта

Copyright © SciTecLibrary © 2000-2017

Агентство научно-технической информации Научно-техническая библиотека SciTecLibrary. Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004.