партнеры
Пятница 22 сентября
Лента новостей

Hi-tech

Взрыв как проявление сильного фундаментального взаимодействия

Фото: GLOBAL LOOK press/imagebroker
Сегодня мы покажем, что сильное взаимодействие, которое отвечает за удержание протонов и нейтронов в ядре атома, проявляется во многих других явлениях природы. Оказалось, что оно также ответственно, например, за звук, упругость, высокотемпературную плазму, взрывы, молнии, тепло и так далее. Все эти явления природы обычно пытаются объяснить с помощью электромагнитного взаимодействия или механикой сплошной среды, которая, как считают физики, также в итоге связана с электромагнитным взаимодействием.
прочитано 1040 раз

В данной статье мы воспользуемся только одним новым знанием, что квантовый импульс – заряд сильного взаимодействия. Это знание мы получили путем прямых вычислений из первых принципов, и теперь просто покажем что сильное взаимодействие есть ВЕЗДЕ, а не только в ядре атома, как считалось ранее.

ПО ТЕМЕ

Квантовый импульс равен Pi=hKi, где h – просто размерный множитель или постоянная Планка, а Ki – волновой вектор (здесь i =1,2,3 – номер компоненты вектора). По величине волновой вектор равен 2п деленное на длину волны. Именно волновой вектор Ki мы получили как заряд взаимодействия при вычислениях, и долго не могли поверить, что такое возможно.

Так как волновой вектор обратно пропорционален длине волны, то на малых расстояниях он очень большой. Например, в ядре атома на расстояниях 10 в минус 15-ой степени метра он описывает очень сильное взаимодействие. Его заряд в ядре атома в миллиард раз больше, чем волновой вектор, который отвечает за спаривание электронов в сверхпроводящем состоянии, так как длина волны спаренных электронов порядка 10 в минус 6-ой степени метра. Поэтому сверхпроводящее состояние легко разрушить, а разрушить ядро атома очень трудно.

Что дает нам знание, что квантовый импульс – это заряд? Теперь мы можем делать с ним все те же манипуляции какие делают и с электрическим зарядом, ведь заряд, в конечном итоге, задает взаимодействие. Например, на квантовый импульс как и на электрический заряд действуют две силы: центрально-симметричная и вихревая, которые аналогичны электрической силе Кулона и магнитной силе Лоренца, соответственно.

Давайте вместе с Вами прямо сейчас в несколько строк опишем взрыв и объясним откуда берется высокотемпературная плазма.

Известно, что на электрический заряд e в электрическом поле Ei действует сила Кулона dPi/dt=eEi. Вот точно также на импульс Pi молекул газа, как на заряд, действует центрально-симметричная сила dPi/dt=PiE, где E – напряженность сильного взаимодействия (в газе E – скалярная величина, как и давление). Из школьного курса известно, что решение уравнения когда функция пропорциональна своей производной: dPi/dt=PiE, имеет вид экспоненты: Pi=Pi0exp(Et) (здесь Pi0 – начальный импульс молекулы газа).

Экспонента – это самая быстрорастущая функция. Если поле E большое, то, очевидно, что данное уравнение описывает взрыв, так как поле E действует на каждую молекулу газа в некотором объеме и оно, практически мгновенно, увеличивает величину импульса всех молекул в этом объеме на несколько порядков.

Обратим Ваше внимание на то, что этот результат был получен только потому, что импульс – ЗАРЯД. Например, в постоянном электрическом поле уравнения движения для электрического заряда линейны по времени: Pi=eEit, потому что импульс Pi электрона не зависит от его заряда e. Чтобы получить экспоненту, которая описывает взрыв, нужно чтобы производная была пропорциональна именно импульсу dPi/dt=PiE. Поэтому экспонента в уравнениях движения может быть получена тогда, когда заряд – импульс, и никак по другому взрыв описать нельзя!

То, что импульс каждой молекулы воздуха в некотором объеме изменяется по экспоненте Pi=Pi0exp(Et) означает, что в этом объеме образуется высокотемпературная плазма, так как импульс молекул газа практически мгновенно увеличивается, например, в тысячу раз. Со времен Ньютона известно, что тепло и температура пропорциональны средней кинетической энергии молекул газа, которая зависит от квадрата импульса. Чем быстрее движутся молекулы в газе, тем выше его температура. Свечение плазмы это следствие того, что при больших импульсах происходят неупругие столкновения молекул и они выбивают друг у друга электроны, что сопровождается излучением фотонов.

Где можно наблюдать это поле E сильного взаимодействия? В сплошной среде в звуковой волне поле E тождественно равно нулю, поэтому когда мы говорим ничего не воспламеняется. Ненулевое поле E образуется при разрушении сплошной среды. Это поле проявляет себя, например, в молнии, где оно пропорционально изменению давления со временем или скорости проникновения молнии в виде трещины в сплошную среду. Очевидно, что в молнии поле E очень большое, поэтому температура плазмы в молнии достигает 30 тысяч градусов за доли секунды.

Вот на записи явно видно, как взрывается воздух когда снаряд вылетает из рельсотрона. В пушке рельсотрон точно нет пороха, в ней заряд разгоняется по электромагнитной рельсе, как поезд. Это "чистый" взрыв воздуха, который описывается полученной нами экспонентой Pi=Pi0exp(Et) при разрушении сплошной среды. Точно так же происходит взрыв в молнии, который индуцирован, подумать только, конденсацией паров воды в грозовом облаке!


Действительно, пары воды конденсируются и изменяется плотность, следовательно, увеличивается давление и грозовое облако – взрывается. Дело в том, что источниками поля сильного взаимодействия, как и для электромагнитного взаимодействия, являются заряд и ток, который представляет собой поток заряда. В нашем случае это будет импульс и поток импульса, который, согласно второму закону Ньютона, представляет собой тензор напряжений, а в воздухе равен обычному давлению со знаком минус. Т.е., источником полей сильного взаимодействия является обычное избыточное давление в некотором объеме.

По сути дела взрыв грозового облака напоминает взрыв критической массы. Мы видим как облако растет, увеличивается в размерах. Потом темнеет, так как изменяется его плотность. Увеличение давления проявляется в поднимающемся ветре и далее облако реально взрывается. Мы видим сброс энергии в виде молнии. Это проявление сильного взаимодействия. Поэтому в молнии наблюдают и рентгеновское излучение, которое наблюдается обычно при ядерным взрыве. Молнии продолжаются до тех пор пока не уменьшится давление в результате выпадения осадков. Электрический разряд в молнии – это короткое замыкание в плазме при ее заземлении, он является следствием образования плазмы, а не причиной возникновения молнии.

Пример чистого взрыва на бытовом уровне – это взрыв газа в газовом баллоне. При этом не важно  какой конкретно газ был закачен в баллон, а важно чему равно давление газа и какой объем у баллона. Известно, что прекрасно взрывается и азот, и кислород, и углекислый газ.


Обратите внимание, что везде взрывается газ, а не сам баллон, как обычно говорят. Точно так же взорвался воздух и при взрыве челябинского метеорита. Челябинский метеорит имел массу порядка 13 тысяч тонн и по своему составу был похож на руду. Известно, что руда плавиться в доменных печах, но еще ни разу не взорвалась. Летел челябинский метеорит со скоростью 20 км/с и через несколько секунд должен был приземлиться в Челябинске, но не сумел, так как произошел взрыв. Нашли от этой глыбы, размером с пятиэтажный дом, небольшой фрагмент весом полтонны, который стоит сейчас в музее Челябинска.

Что же произошло в небе над Челябинском? Как известно, плотные слои атмосферы начинаются на высоте 100 км, там где заканчивается северное сияние. Плотность воздуха на этой высоте в тысячи раз меньше чем плотность воздуха на Земле. Метеорит легко разрывает эти плотные слои и упругость пропадает, точно также как она пропадает когда трескается здание. Сплошная среда перестает сопротивляться, но в этот момент появляется большое поле E, пропорциональное скорости разрушения сплошной среды, и оно резко ускоряет молекулы воздуха. Молекулы воздуха выбивают молекулы породы из метеорита, которые также ускоряются по экспоненте. Чем дольше метеорит разрывает сплошную среду, тем дольше действует поле E и тем выше температура согласно полученному нами выражению Pi=Pi0exp(Et).

Большая температура порождает большое давление вокруг метеорита. В результате метеорит разрушается и буквально испаряется за секунду – происходит взрыв, который и наблюдался в небе над Челябинском. Ни о каком трении о разреженный в тысячи раз воздух или о давлении об этот воздух не приходиться говорить. Чтобы испарить камень весом 13 тысяч тонн и размером в пятиэтажный дом за секунду нужна температура как при ядерном взрыве – миллион градусов. В итоге метеорит приземлился на Землю, но в разобранном виде – по молекулам, а импульс и ударную волну в Челябинск от метеорита передал воздух, так как законы сохранения никто не отменял..

В школе нас учили, что метеориты сгорают в результате трения о воздух. Это неверно. Нельзя описать взрыв метеорита механикой сплошной среды. Взрыв – это фазовый переход разрушения сплошной среды. Фазовыми переходами физики называют КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, когда физическое состояние резко изменяет свои свойства. Такие переходы между физическими состояниями или фазами в принципе нельзя объяснить логическими рассуждениями на бытовом уровне. Фазовый переход описывает изменение, которое происходит скачком и эти изменения всегда качественные.

На первый взгляд кажется, что между критическими явлениями (фазовыми переходами) нет никакой взаимосвязи, но оказалось, что взаимосвязь есть. При фазовых переходах между физическими состояниями всегда изменяется СИММЕТРИЯ. Например, при переходах жидкость – кристалл, проводник – полупроводник, и т.д., изменяется симметрия вещества. Основателем современной теории фазовых переходов является Л.Д. Ландау, он же предложил описывать симметрию физического состояния параметром порядка, и теперь эта наука так и называется – теория фазовых переходов Ландау.

Думаете, никто не догадывается, что взрыв – это критическое явление или фазовый переход? Конечно догадываются, потому что это очевидно. Трудно себе представить более критическое явление чем взрыв. Однако нигде в физической литературе Вы не найдете описания взрыва как фазового перехода. Почему? Потому что физики не знают между какими фазами или физическими состояниями происходит этот переход. Симметрия чего изменяется при взрыве?

Принято считать, что взрыв это химическая реакция или ядерная реакция. Взрыв баллона с газом также относят к взрывам, но этот случай стоит особняком, как бы в виде исключения. Каждый раз когда где-то взрывается баллон с газом, взрыв пытаются объяснить химической реакцией или представить его как какой-то особый случай или недоразумение. Очевидный взрыв челябинского метеорита вообще пытаются "замотать" и рассказывают, что взрыва не было, а это разряженный в тысячи раз воздух так сжался, что возникло большое давление, и всем показалось, что был взрыв. Как так можно сжать разреженный воздух – не понятно?


В.Е. Фортов предполагает, что это происходит из-за разрушения метеорита и увеличения площади падающих камней, не объясняя, как может в принципе разрушится камень в разреженной в тысячу раз атмосфере за секунду. Аргумент, что камень падает с большой скоростью – 20 км/с, не выдерживает критики, так как, например, реактивные самолеты летают со скоростью 2 км/с в воздухе, который в тысячу раз более плотный чем на высоте 50 км, не рассыпаются на части и не испаряются за секунду. На самом деле воздух в месте падения метеорита не сжимается, а резко "разжимается", так как там, где падает метеорит, по экспоненте увеличивается температура воздуха, а следом и давление.

Действительно, есть давление, обусловленное падением метеорита оно пропорционально квадрату скорости метеорита, и не имеет экспоненциальную зависимость. При большой скорости это давление приводит к разрушению воздуха, как сплошной среды и практически пропадает. Но как только воздух разрушается сразу появляется поле E, как в молнии, которое ускоряет молекулы воздуха по экспоненте. Простым избыточным давлением и механикой сплошной среды нельзя описать и объяснить взрыв. Потому что во время взрыва не работают уравнения для сплошной среды, так как "порванный" метеоритом воздух теряет упругость и он перестает быть сплошной средой.

Метеорит вроде бы сломал сопротивление воздуха, но это пиррова победа, так как поле E начинает действовать на импульсы молекул воздуха. В этот момент проявляется сильное взаимодействие, которое мгновенно превращает газ в высокотемпературную плазму и в результате высокой температуры возникает огромное давление, сжимающее и разрушающее метеорит, сначала на мелкие части, а потом и на молекулы. Заметим, что при  разрушении твердых тел последующего взрыва не происходит, так как в твердом теле атомы связаны, поэтому после разрушения твердых лишь немного оплавляются поверхности разлома.

Высокотемпературная плазма описывается системой уравнений для поля сильного взаимодействия, которые по своей структуре аналогичны уравнениям электродинамики Максвелла, только зарядом в них является импульс и поток импульса – тензор напряжений. До сих пор плазму пытаются описать подправленными с учетом ионизации уравнениями гидродинамики Эйлера. Однако, уравнения Эйлера для сплошной среды не могут ответить на главный вопрос: почему появляется высокотемпературная плазма? Кроме этого, очевидно, что плазма не является сплошной средой, так как в ней есть несколько сортов частиц с разными зарядами и все они по разному движутся.

Почему мы так уверены, что взрыв – это фазовый переход или критическое явление? Потому что сначала обнаружили изменение симметрии для поля сильного взаимодействия при описании звука в сплошной среде. То самое изменение симметрии, которого не доставало для объяснения взрыва как критического явления. В первый момент мы даже не догадывались, что это изменение симметрии имеет отношение к взрывам, так как занимались описанием звука. Как и положено в физике фазовых переходов мы просто исследовали переход между двумя состояниями с различной симметрией, и обнаружили сначала молнию, а потом и взрыв. Оказалось, что поле, которое передает сильное взаимодействие между квантовыми импульсами, в сплошной среде материализуется и превращается в давление, которое описывает звук.

В это невозможно было поверить. Как поле, которое за секунды разбирает камни весом в тонны на молекулы, в сплошной среде описывает звук? Попробуем объяснить что же происходит. Представьте себе, что Вы играете в игру и распределили роли. Вы определились, что материальные заряды взаимодействуют между собой посредством безмассовых полей, которые просто передают взаимодействие между зарядами, также как электромагнитное поле, например, передает взаимодействие между электрическими зарядами. И вдруг, в какой-то момент, поле взаимодействия перестает выполнять свою функцию. Оно отказывается передавать взаимодействие и само становится пропорционально полям материи – зарядам и токам. Т.е., не наблюдаемое поле взаимодействия, которое четко выполняло свою работу, вдруг становится полем материи, при этом система уравнений состояния вырождается в одно и то же уравнение для массивной волны.

В этот момент нарушается градиентная симметрия уравнений состояния, та симметрия, которая обеспечивала незаметность поля взаимодействия. Точно такая же градиентная симметрия задает систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Вы хотите сказать, что мы так не договаривались, но уже поздно, так как энергия потрачена и физическое состояние скатилось в энергетическую яму. В этой яме поле сильного взаимодействия материализуется.

Тензор дисторсии (обобщение тензора деформаций) становится пропорционален тензору напряжений (закон Гука) и выполняются законы упругости, а скорость становится пропорциональна импульсу, и выполняется все то, к чему мы все так привыкли: импульс становится равным массе умноженной на скорость. Т.е. поле, передающее сильное взаимодействие, как бы "отдыхает" в сплошной среде, и не взаимодействует минимальным образом со своим зарядом – квантовым импульсом. Оно само становится пропорционально заряду (импульсу) и потоку заряда (давлению), и описывает звук и упругость в сплошной среде.

Такие превращения или фазовые переходы известны, их описал Хиггс еще в 1964 году. Он показал, что возможен переход когда поле взаимодействия вдруг перестает взаимодействовать и становится самосогласованной массивной волной. Эту волну назвали бозоном Хиггса и ищут уже много лет в адронном коллайдере, глубоко под землей в Швейцарии. Получается, что мы получили звук как материальную волну тензора дисторсии, который в воздухе превратился в волну звукового давления. Т.е., можно сказать, что звук – это массивный бозон сильного взаимодействия.

В природе известно одно единственное макроскопическое состояние, где происходит такой же удивительный фазовый переход – это сверхпроводимость с эффектом Мейснера, когда из сверхпроводника выталкивается магнитное поле. Сверхпроводимость это состояние, в котором электромагнитный потенциал материализуется и становится пропорционален току. Переводя на язык Хиггса, сверхпроводимость – это состояние массивного бозона электромагнитного поля. Сверхпроводимость хорошо изучена, поэтому можно описать фазовый переход разрушения сплошной или упругой среды по аналогии с разрушением сверхпроводящего состояния.


Известно, чтобы разрушить сверхпроводящее состояние на него надо воздействовать критическим магнитным полем, источником которого является большой ток. В нашем случае, чтобы разрушить сплошную среду надо воздействовать на нее большим избыточным давлением, тогда и произойдет фазовый переход в состояние, где поле взаимодействия начнет изменять импульсы молекул по экспоненте Pi=Pi0exp(Et).

Аналогом магнитного поля для сильного взаимодействия является плотность дислокаций. Плотность дислокаций также выталкивается из сплошной среды, как и магнитное поле из сверхпроводника. Что собой представляет плотность дислокаций? Это линейные дефекты – линейные дырки или трещины, которые мы явно видим во время молнии или при разрушении твердых тел.

Они действительно выталкиваются из сплошной среды, так как сплошная среда  "не терпит пустоты". Если газы и жидкости легко восстанавливаются после разрушения, то твердые тела тоже "восстанавливаются", но в том смысле, что каждый отдельный оставшийся фрагмент твердого тела опять является упругой сплошной средой. Он также не пропускает внутрь себя плотность дислокаций – не трескается при небольших напряжениях, а трескается только при критических нагрузках.

Эта банальная истина всем известна. Просто никто не рассматривал разрушение сплошной среды как фазовый переход, так как было не понятно что меняет симметрию. Оказалось, что симметрию меняет не вещество, а поле взаимодействия. Про воздух вообще не думали, что его можно "сломать". Поэтому воздух везде используют как амортизатор. Чтобы не "сломать" воздух нужно не накачивать колеса выше 100 атмосфер.

Разрушить воздух, как сплошную среду, у поверхности Земли трудно, зато разрушить воздух на высоте 70 км, там, где только образуется сплошная среда и прекращается ионизация воздуха, значительно легче. Поэтому на большой высоте и сгорают метеориты и спускаемые космические аппараты. Чтобы не взорваться на высоте 70-80 км надо сильно затормозить. Последний Шатл с астронавтами на борту вошел в "плотные слои" атмосферы на скорости 7.9 км/с, почти так, как падают метеориты: 10-70 км/с, и сгорел, а надо было просто затормозить.

Таким образом, сплошная среда защищает нас от сильного взаимодействия, она является энергетически более выгодной, чем состояние, в котором поля сильного взаимодействия активны и все превращают в высокотемпературную плазму так, как это происходит в космосе или на Солнце, например. При этом надо понимать, что меняется не симметрия вещества из которого состоит сплошная среда, а изменяется симметрия поля взаимодействия или ОТНОШЕНИЕ этого поля взаимодействия к веществу.

Поле сильного взаимодействия "нельзя тревожить" когда оно "отдыхает" в сплошной среде, иначе оно превращает в плазму все что движется. Это напоминает детскую игру: "тигр пришел – тигр ушел". Почему так происходит? Это вопрос на который не знает ответа даже сам Хиггс, поэтому он назвал свой переход спонтанным. Мы можем попытаться сказать, что это количество переходит в качество, имея ввиду как изменяется плотность и образуется наша атмосфера. Однако, эти рассуждения вряд ли подходят для объяснения сверхпроводимости.

По материалам физика Александра Брагинского

От автора

Как только нам удалось описать молнию, взрыв и высокотемпературную плазму, сразу была написана статья "Молния и взрыв – как фазовый переход разрушения сплошной среды" и отправлена для публикации в журнал "Физика Плазмы". Однако, из журнала был получен вот такой ответ: "К сожалению, Ваша статья не соответствует тематике нашего журнала, поэтому не может быть опубликована в "Физике плазмы" С уважением, Редакция".

Может быть в журнале физика плазмы занимаются только низкотемпературной плазмой? Согласитесь, странный ответ.

Тогда решили отправить работу в журнал "Теплофизика Высоких Температур" (ТВТ), в котором точно должны рассматривать статьи, описывающие высокотемпературную плазму. Действительно, редколлегия ТВТ отправила статью на рецензию. Вот содержательная часть ответа рецензента:

"Статья более соответствует журналу "Физика твердого тела", как это видно из опубликованной ранее работы автора, и базируется на не обоснованном использовании применительно к газовому  разряду молнии, уравнений твердого тела."

После такого ответа мы сначала растерялись, но потом посмотрели на включенную лампочку и ответили рецензенту:

"Компенсирующее поле – это поле взаимодействия. Ограничение рассмотрения рамками твердого тела компенсирующего поля дисторсии, которое предложил рецензент, сродни ограничению рассмотрения электромагнитного поля, например проводами, на том основании, что по ним течет ток. Однако, судя по распространению света в воздухе, такого ограничения реально не существует."

Если перевести на нормальный язык, то суть спора заключается в том, что уравнения для фононного поля или тензора дисторсии, полученные при описании неоднородных состояний в твердом теле, по мнению рецензента, нельзя использовать в воздухе. Здесь можно возразить следующее. Во-первых, это уравнения, которые описывают сильное взаимодействие - одно из 4-х фундаментальных взаимодействий в природе, и рамками твердого тела его ограничивать неверно. Во-вторых, мы же с Вами знаем, что звук есть в любой сплошной среде, а не только в твердом теле, и во время молнии он точно есть. 

В общем, второго ответа из редакции ТВТ уже не последовало, редколлегия сообщила, что решение принято и прекратила переписку. 

Как раз в это время – 29.05.2016, по всем каналам центрального телевидения показали выстрел из американской пушки рельсотрон и рассказали в новостях, что Объединенный Институт Высоких Температур РАН занимается разработкой отечественных рельсотронов. Тогда было принято решение написать письмо В.Е. Фортову, который возглавляет этот институт и одновременно является главным редактором журнала ТВТ. В своем письме мы попросили В.Е. Фортова вернуться к рассмотрению данной работы, так как она как раз объясняет взрыв воздуха без пороха, который наблюдается при выстреле из пушки рельсотрон. 

Так как ответа до сих пор нет, то прошу считать эту статью открытым письмом в редакции журналов "Физика Плазмы" и "ТВТ".  Уважаемые Главные Редакторы, Уважаемые Члены Редколлегий,  прошу Вас или опровергнуть все то, что здесь было написано выше, или принять к печати данную работу.

комментарии