ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга - первая попытка автора привести в упорядоченную форму ряд научных результатов, полученных на основе процедуры макроквантования.

Работа целиком посвящена описанию термодинамического равновесия материальной среды, хотя в ней нельзя встретить ни знакомого классического, ни статистического подходов. Это касается и квантовых эффектов, которые учтены вне процедур квантовой механики. На первый взгляд может показаться, что среди существующих фундаментальных направлений в физике очень трудно найти незанятую нишу для нового описания термодинамического равновесия и, тем не менее, такая возможность существует. Последнее связано с появлением в физике парадигмы "квантовой макрофизики", которую автор рассматривает как альтернативу классической физике сплошной среды. Подобно тому как феноменологическая термодинамика составляет часть физики сплошной среды, так и расширенная версия классической термодинамики, о которой пойдет речь, есть часть новой парадигмы.

В год столетия со дня рождения одного из крупнейших ученых в области теплофизики профессора А.А. Гухмана автор с благодарностью вспоминает многочисленные плодотворные дискуссии и беседы с ним по проблемам термодинамики как научного метода в Московском институте химического машиностроения (Московский государственный университет инженерной экологии). Профессор А.А. Гухман был первым, кто активно поддержал исходную идею о макроквантовании термодинамических параметров, что, несомненно, способствовало становлению и развитию нового подхода.

Большую помощь в продвижении издания книги оказали академик А.М. Кутепов и профессор А.В. Каталымов.

Автор выражает искреннюю признательность Н.А. Жигачевой, А.И. Балунову, Т.П. Смолиной за неоценимую помощь при подготовке рукописи к изданию, а также благодарит всех, кто способствовал появлению этой книги.

В.П.Майков



ВВЕДЕНИЕ

Можно ли расширить классическую термодинамику, оставаясь в области термодинамического равновесия и сохраняя при этом макроскопический и феноменологический стиль описания? Автор книги утвердительно отвечает на этот вопрос, имея в виду "резервы" в уточнении описания термодинамического равновесия материальной среды; прежде всего, отказ от континуальных представлений и учет гравитационного поля.

Естественно, сразу возникает вопрос о конкретных способах реализации такой программы. В книге это достигается введением гипотезы, которая сводится к утверждению, что подобно кванту энергии hw должен существовать макроквант энергии kT, который позволяет рассматривать макроскопические процессы как макроквантовые. Вместе с использованием двух соотношений неопределенностей квантовой механики это позволяет автору рассматривать термодинамическое равновесие как динамическое флуктуационное состояние с включением характерных пространственных и временных масштабов. Принципиально, что при этом удается сформулировать объем, находящийся на границе микро- и макроуровня, и показать, что все макроскопические флуктуационные явления (деформация, электрическая и магнитная поляризация и др.) относятся к флуктуационному взаимодействию этого объема (макроячейки) с окружением (термостатом). Радиус макроячейки есть радиус кривизны пространственно-временной метрики виртуального характера, время жизни макроячейки определяется временем когерентности и в обычных условиях очень мало.

Читатель несомненно обратит внимание на фундаментальный характер следствий расширенной версии термодинамики (РВТ), которые можно разделить на три группы.

Первая группа следствий связана со статусом ненаблюдаемых (виртуальных параметров) в физической теории. В РВТ виртуальные параметры фактически приравниваются к статусу наблюдаемых. Это выражается в том, что если классическая термодинамика описывает только вещественные состояния материальной среды (конденсированные состояния, газ, плазма), то РВТ прогнозирует существование дополнительно двух виртуальных состояний: физического вакуума и абсолютно предельного (сингулярного) состояния физического вакуума с уточненными планковскими масштабами.

Вторая группа следствий связана с фундаментальными взаимодействиями. Динамический характер равновесия в РВТ позволяет рассмотреть фундаментальные взаимодействия на термодинамической основе. РВТ прогнозирует существование пяти фундаментальных взаимодействий. Кроме известных четырех, из РВТ следует существование еще одного взаимодействия - "сильной" гравитации. Сильная гравитация с участием гравитино известна в физике, но пока не получила статуса фундаментального взаимодействия. В РВТ это взаимодействие ответственно за природу сил инерции и "скрытую" массу. В упомянутом выше предельном, сингулярном, состоянии все пять фундаментальных взаимодействий объединяются в одну "суперсилу".

Третья группа следствий связана с установлением степени неточности закона сохранения энергии. Принципиальная возможность уточнения законов сохранения в физике также известна. Последнее связано с учетом гравитации. Интересны следствия, возникающие на стыке термодинамики и макроквантовой гравитации. Как можно было ожидать, дискретность пространственно-временной метрики приводит к нефлуктуационному нарушению как первого, так и второго начал термодинамики. Последнее выражается в самопроизвольном понижении температуры и энтропии классически равновесной материальной среды в гравитационном поле. Такой антиэнтропийный квантово-релятивистский эффект передачи части энергии материальной среды гравитационному полю физического вакуума в книге назван инфляцией энергии. В обычных условиях инфляционный эффект исчезающе мал - 0,00000001 К за 1000 лет (!). Это означает, что в полном согласии с принципом соответствия новая теория лишь незначительно уточняет старую в пределах ее применимости. Принципиально, однако, что состоянию термодинамического равновесия присуща эволюция, которая порождает космологическую "стрелу времени" с антиэнтропийной направленностью. Но в окрестности сингулярного состояния упомянутый процесс инфляции энергии проходит со скоростью взрыва ("большой взрыв").

Дискретность пространственно-временной метрики, как было сказано, кардинально изменяет принятое в физике представление о "стреле времени". Это обстоятельство позволяет автору утверждать о невозможности тепловой смерти Вселенной. В книге раскрывается механизм возврата материальной среды в область гипервысоких энергий через термодинамический коллапс космологически больших масс конденсированного вещества (черные дыры).

Таким образом, термодинамика в квантовом изложении возвращает нас к прежним представлениям о вечно существующей Вселенной. Этот возврат, однако, сопровождается полным отрицанием старой, статической картины мира и заменой ее современной динамической концепцией, в основе которой лежит релятивизм и дискретность пространственно-временной метрики.

История феномена квантовых макроскопических эффектов берет свое начало в явлениях, относящихся к низкотемпературной сверхпроводимости. Исследуя различные свойства сверхпроводников, Г. и Ф. Лондоны в 1934 году пришли к заключению, что в сверхпроводнике существует дальнодействующая связь между электронами, так что их движение оказывается коррелированным. Эта идея, по-видимому, впервые ввела макроскопический квантовый аспект в теорию сверхпроводимости [London F.,London H.,1935]. Близкие к этому соображения высказывались и в других работах того времени [Corter,Casimir,1935]. Однако, в дальнейшем, развитие их было связано с работой Ф.Лондона [London,1950]. Последний в 1950 году пришел к выводу о существовании (макро)кванта магнитного потока. Это была революционная идея для того времени, поскольку в макроскопическом образце квантовые эффекты микроуровня должны бы осредняться до нуля. Измеренный на опыте квант магнитного потока оказался в два раза меньше, предсказанного Ф.Лондоном. Расхождение теории с экспериментом было установлено в дальнейшем на основе сформировавшейся к этому времени теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера.

Согласно библиографическому справочнику по сверхпроводимости [Сверхпроводимость,1975], за десятилетие 1961-1970 гг. были опубликованы 152 работы, посвященные (во всяком случае по названию) только эффекту квантования магнитного потока. Вышедший в свет в 1967 году в популярной серии сборник работ с характерным названием "Квантовая макрофизика" [Квантовая макрофизика,1967] объединял уже такие столь различные явления, как сверхтекучесть и сверхпроводимость, эффект Месбауэра, процессы в оптических квантовых генераторах.

Другая ветвь исследований, относящихся к предмету анализа, восходит к работе Шредингера "Непрерывный переход от микро- к макромеханике" [Schrodinger,1926]. В ней рассматривались свойства волнового пакета для состояний, в которых реализуется минимум неопределенности в соотношении неопределенностей.

Позднее круг этих проблем был объединен понятием когерентного состояния квантового осциллятора как состояния, в котором произведение неопределенности координаты и импульса принимает минимально возможное значение [Glauberg,1963]. Такое состояние максимально приближается к классическому осциллятору. В состоянии гармонического осциллятора волновой пакет не расплывается, а его центр перемещается по классической траектории.

В последнее десятилетие физиков все больше привлекает идея квантования физических параметров как результат согласования классических представлений с квантово-механическими, либо даже независимо от квантовой механики. Обзор таких работ приведен в [Джекив,1986]. Сегодня достаточно часто при рассмотрении тех или иных физических явлений встречаются указания на их квантово-макроскопический характер. Ссылки на некоторые из них даются в тексте.

Если макроскопические квантовые эффекты столь часто и широко проявляют себя, то нельзя ли эти свойства изначально учитывать в макроскопических теориях, не обращаясь в каждом отдельном случае к физике микроуровня? Настоящая работа как раз и посвящена обобщению феномена квантовых макроскопических эффектов до самостоятельной концепции макрофизики на примере равновесной термодинамики.

Физической основой такого обобщения является феноменологизм равновесной термодинамики, пространственно-временная нелокальность и релятивизм ОТО, опора только на первые принципы физики, а также объективное существование в любой материальной среде объемов когерентности (макроячеек) - источников квантовых макроскопических эффектов.

Формальная основа теории строится на отказе от континуального представления свойств материальной среды. Трудность введения элементов дискретности связана, как известно, с использованием математического аппарата бесконечно малых, что и ведет часто к вынужденному признанию континуальности в макрофизике. Далее будет показано, что, по крайней мере, для равновесной материальной среды адекватное описание с введением свойств дискретности можно получить на основе физически предельно малых. Во всех без исключения случаях, эти характеристики удается довести до числа и показать, что последние являются обычными комбинациями термодинамических параметров равновесного состояния и фундаментальных физических постоянных. Речь идет фактически о квантово-термодинамической феноменологической теории равновесной изотропной материальной среды, в которой равновесие рассматривается как сложный динамический круговой процесс с квантово-релятивистской пространственно-временной топологией, так как физически предельно малые, выполняющие здесь роль флуктуаций, вводятся на квантовой основе с привлечением термодинамики. При этом выделяется надмолекулярный, кластерный уровень, которому присущи свойства как макро- так и микроуровня.

Введение физически предельно малых, имеющих смысл макроквантовых флуктуаций при описании взаимодействия в равновесной материальной среде, обеспечивает переход от статики к динамике, от точечной локальности к пространственно-временной нелокальности, от классического релятивизма к макроквантовому.

Развиваемый в работе макроквантовый подход, будучи феноменологическим (в термодинамическом смысле), естественно, не может претендовать на расшифровку тех или иных механизмов, как это принято в обычных модельных (ноуменологических) теориях. Получаемым результатам можно поставить в соответствие множество "объяснительных" механизмов. Важно, что сами результаты при этом не изменяются. Автор не считал для себя возможным последовательно осуществлять такого рода "объяснительную" связь между макро- и микроописаниями, за исключением, пожалуй, случаев, когда эта связь достаточно прозрачна. Здесь следует иметь в виду, что понятийный аппарат любой теоретической концепции только приближенно можно перевести на язык иного подхода.

Макроквантовый подход качественно расширяет границы термодинамического метода, снимая ограничения на величину флуктуаций. Эти новые возможности и положены в основу плана книги - от конденсированного состояния изотропной среды (разд. 1-6) через газовое и плазменное (разд.7) к состоянию физического вакуума (разд. 8) и "сингулярному" состоянию материальной среды с уточненными планковскими масштабами (разд. 9). Характеристики каждого из перечисленных состояний формально следуют из предыдущего, как более сложного. Состояние с планковскими масштабами здесь имеет смысл термодинамически предельного, в котором параметры состояния ( термодинамические, электромагнитные, гравитационные ) определяются лишь мировыми постоянными. В этом же разделе рассматриваются вопросы макроквантовой космологии.

В заключении обсуждается место квантовой макрофизики в современной системе научного знания.

В книге читатель найдет также отдельные следствия, которые можно рассматривать в качестве косвенного экспериментального доказательства квантованного характера пространственно-временной метрики (см. п.п.5.2.,9.4.). Получены первые такого рода подтверждения на основе решения задач прикладного характера [Майков,1994]. Одна из них, убедительно свидетельствующая о дискретной природе времени, подробно рассмотрена в приложении.