Строение материи, от атомов до Вселенной, Долгинов А.З., 2012
Строение материи, от атомов до Вселенной, Долгинов А.З., 2012.
В книге в научно-популярной форме рассказывается о нашей Вселенной — о строении атомов и атомных ядер, о различных элементарных частицах, о телепортации квантовых состояний, о том, что пустое пространство вовсе не пустое, а содержит множество частиц, которые рождаются и исчезают, о строении звезд и источниках их энергии, о возникновении и развитии Вселенной и о многом другом. При этом излагаются только те результаты, которые утвердились в современной науке и подтверждены опытом.
Эта книга — для самого широкого круга читателей.
ТЕОРИЯ И ОПЫТ.
Начнем с общих замечаний о природе науки. Первичным всегда является опыт, включая сюда и наблюдения. Только те факты, которые обнаружены и проверены многократными экспериментами, ложатся в основу науки. Однако надо помнить, что мы всегда определяем свойства объекта только по отношению к взаимодействию с другими объектами, в частности с наблюдателем, и если имеет смысл говорить о каких-либо свойствах объекта самого по себе, то только через описание взаимодействий.
Описание поведения объектов вне взаимодействия это лишь удобная модель, которая изменяется при необходимости объяснить новые открытия, если они не соответствуют прежней модели. Например, электромагнитное взаимодействие движущихся зарядов объяснялось как результат распространения волн взаимодействия в некоторой неподвижной среде — эфире, подобно волнам в воде. Мы говорим о распространении волн, но реально определяем только связь поведения одного из зарядов с поведением другого. Когда опыты показали, что скорость перс-дачи взаимодействия не зависит от движения зарядов относительно предполагаемой промежуточной среды, то от эфира пришлось отказаться. Это не прибавило наглядности, но упростило описание взаимодействия зарядов и привело к согласию с новыми опытами.
ОГЛАВЛЕНИЕ.
Для кого написана эта книга.
Глава 1 ТЕОРИЯ И ОПЫТ.
Глава 2 ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ.
Частицы.
Волны.
Электромагнитные полны.
Объемная фотография.
Глава 3 ФОТОНЫ: ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ.
Глава 4 ЭЛЕКТРОНЫ.
Частицы или волны?
Спин электрона.
Как электрон выглядит в зеркале.
Глава 5 С КАКОЙ ТОЧНОСТЬЮ СОХРАНЯЕТСЯ ЭНЕРГИЯ.
Глава 6 ПУСТАЯ ЛИ ПУСТОТА.
Глава 7 КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ.
Глава 8 АТОМЫ Из чего состоят атомы.
Вынужденное излучение атомов. Лазер.
Что держит протоны и нейтроны в ядре атома.
Атомные ядра.
Глава 9 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И СИЛЫ МЕЖДУ НИМИ.
Глава 10 ВОЗМОЖНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА.
Молекулы.
Нанотехнологии.
Девять состояний вещества.
Природа магнетизма различных веществ.
Глава 11 ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ.
Борьба с беспорядком.
Случайные блуждания.
Волны в веществе.
Распространение тепла.
Глава 12 ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.
Пространство и время.
Геометрия нашего мира.
Является ли наше пространство трехмерным.
Глава 13 ВОЗНИКНОВЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ.
Глава 14 СОЛНЦЕ.
Глава 15 ПЛАНЕТЫ.
Строение Солнечной системы.
Внутренние планеты — Меркурий. Венера. Земля, Марс.
Планеты-гиганты.
Кометы и метеориты.
Глава 16 ЗВЕЗДЫ.
Межзвездная среда.
Космические лучи.
Почему зажигаются звезды.
Какие бывают звезды.
Колебания звезд.
Пятнистые звезды.
Белые карлики.
« Новые» звезды вовсе не новые.
Сверхновые звезды.
Нейтронные звезды.
Черные дыры.
Глава 17 КАК ВОЗНИКАЮТ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЗВЕЗД И ПЛАНЕТ.
Глава 18 ГАЛАКТИКИ.
Структуры галактик.
Млечный Путь.
Магнитные поля галактик.
Квазары.
Загадка темной материи.
Глава 19 ВСЕЛЕННАЯ.
Чем дальше, тем краснее.
Сколько весит пустота.
Излучение Большого взрыва.
Где записаны законы природы.
Глава 20 ЧТО ОЖИДАЕТ НАС ЗАВТРА.
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Строение материи, от атомов до Вселенной, Долгинов А.З., 2012 — fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России. Купить эту книгу
Источник
Строение материи от атомов до вселенной
Предложена новая точка зрения на структуру материи
В работе [1] мы говорили о понятии энергии, где рассмотрели противоречия, на основании которых сделали вывод о необходимости пересмотра данного понятия. Учитывая, что энергия играет формирующую роль в представлениях о материи, можно предположить, что пересмотра требует и понятие материи в целом.
Дополнительным аргументом могут служить противоречия в еще одной важной составляющей понятия материи – в представлениях о фундаментальных частицах (которые в [2] названы истинно элементарными и определены как первичные, далее не разложимые частицы). Вот некоторые из этих противоречий.
1. Принято считать, что из фундаментальных частиц состоит вся материя [2]. Они образуют различные системы материальных объектов, связываясь друг с другом, вступая во взаимодействие.
Вписывается ли взаимодействие фундаментальных частиц в рамки понятия взаимодействия?
Согласно квантовым представлениям взаимодействие между материальными объектами осуществляется через физическое поле (электромагнитное, гравитационное и др.), которое состоит из квантов (фотонов, гравитонов и др.) [2]. Физическое поле создают сами объекты – участники данного взаимодействия, излучая соответствующие кванты. При этом происходит превращение материи – выделяемая часть материи объектов переходит в кванты поля взаимодействия. В процессе взаимодействия объекты обмениваются квантами поля, испуская и поглощая их. Поглощение квантов также предполагает превращение материи – материя квантов поля взаимодействия переходит в материю поглощающих объектов.
Обмен квантами физического поля является необходимым условием взаимодействия. Однако в случае фундаментальных частиц данное условие не выполнимо.
По определению фундаментальные частицы являются неделимыми. Поэтому в процессе излучения они будут превращаться в кванты не частично, а целиком, полностью. Излучение для фундаментальных частиц означает самоуничтожение. Они перестают существовать как исходные частицы, превращаясь в кванты.
Тогда вторая составляющая взаимодействия – поглощение квантов поля, становится невозможной, т.к. уже нет участников взаимодействия – исходных фундаментальных частиц, и нечему поглощать кванты.
Следовательно, фундаментальные частицы не взаимодействуют между собой, т.к. не могут обмениваться квантами поля.
Получается, что материальные объекты не могут состоять из фундаментальных частиц, т.к. фундаментальные частицы не способны взаимодействовать, не способны объединяться в системы.
2. Составные материальные объекты в конечном итоге представляют собой системы из фундаментальных частиц. Из опыта известно, что образование данных систем сопровождается выделением энергии – т.н. энергия связи [2]. Полагают, что выделение энергии происходит в результате установления связи между структурными элементами системы, т.е. в результате взаимодействия.
Вписывается ли факт выделения энергии в рамки понятия взаимодействия?
Частицы, вступая во взаимодействие, образуют систему. В эту систему входит также физическое поле, через которое осуществляется данное взаимодействие.
Физическое поле создают частицы, вступая во взаимодействие. На это они тратят свою материю, испуская кванты. Эти кванты составляют физическое поле. Обмениваясь квантами поля (испуская и поглощая их) частицы взаимодействуют.
Следовательно, в процессе объединения частиц в образующейся системе сохраняется материя. Происходит ее перераспределение внутри системы – материя частиц переходит в материю квантов физического поля взаимодействия.
Сохранение материи в рамках системы означает сохранение энергии этой системы. Она равна суммарной энергии частиц до взаимодействия, т.к. энергия частиц при объединении превращается в энергию взаимодействия.
Сохранение энергии системы, в свою очередь, означает, что при объединении частиц не должно происходить выделение энергии во внешнюю среду и энергия связи частиц должна быть равна нулю.
Получается, что выделение энергии в процессе образования системы из фундаментальных частиц, как опытный факт, не имеет объяснения в рамках понятия взаимодействия. Более того, выделение энергии противоречит выводам, сделанным на основе понятия взаимодействия.
3. Материю принято делить на вещество и поле. Одним из отличительных свойств вещества является наличие у него массы покоя – в системе отсчета, где вещество покоится, его масса не равна нулю [2]. У поля нет массы покоя.
Согласуется ли данное свойство с определением фундаментальных частиц? Иначе говоря, могут ли фундаментальные частицы иметь ненулевую массу покоя?
Фундаментальные частицы, являясь неделимыми, не имеют внутренней структуры – нет частей, находящихся во взаимодействии и осуществляющих механическое движение. Следовательно, у фундаментальных частиц нет внутренней энергии. Тогда полная энергия фундаментальных частиц вещества определяется только энергией движения частиц. И согласно уравнению Эйнштейна (Е = m с 2 ) это движение осуществляется со скоростью света. Для частиц движущихся со скоростью света не существует систем отсчета, относительно которых они бы покоились.
Получается, что фундаментальные частицы не имеют массы покоя и их деление на частицы вещества и поля не обосновано. Т.е. частиц вещества не существует, материя представлена только полем.
4. Фундаментальные частицы, чтобы образовать систему, должны объединяться, т.е. должны вступать во взаимодействие, которое носит характер притяжения.
Однако взаимодействие притяжения связано с нарушением закона сохранения энергии. Нарушение касается того положения, что энергия не исчезает и не появляется из ниоткуда и того, что, изменяясь, энергия переходит из одной формы в другую.
Покажем это на следующем примере.
Пусть две притягивающиеся частицы движутся навстречу друг другу. При этом у частиц растет скорость поступательного движения. Следовательно, по мере сближения частиц происходит увеличение их энергии механического движения (кинетической энергии).
Энергия взаимодействия претерпевает аналогичное изменение, т.к. с уменьшением расстояния между частицами их взаимодействие увеличивается.
Делаем вывод, что энергия механического движения и энергия взаимодействия в данном примере не превращаются друг в друга, т.к. они изменяются в одинаковых направлениях – обе увеличиваются.
Можно было бы предположить, что изменение энергий происходит за счет внутренней энергии частиц. Такой вариант допустим, если взаимодействующие частицы не являются фундаментальными. В случае же фундаментальных частиц выдвинутое предположение не приемлемо. Превращение внутренней энергии частиц в энергию взаимодействия означает, что частицы способны делиться на составные элементы, выделяя и превращая эти элементы своей материи в кванты поля взаимодействия. Фундаментальные частицы такой способностью не обладают – они неделимы по определению.
Следовательно, в противоречие закону сохранения энергии при сближении притягивающихся фундаментальных частиц их энергии механического движения и взаимодействия появляются из ниоткуда и исчезают в никуда, когда частицы удаляются друг от друга.
Получается, что фундаментальные частицы не способны вступать в гравитационное, электромагнитное (если они разноименно заряжены) и любое другое взаимодействие, которое носит характер притяжения, т.к. притяжение нарушает закон сохранения энергии.
Таким образом, мы рассмотрели противоречия в общепринятых представлениях о фундаментальных частицах, на основании которых можно говорить о проблеме строения материи.
В качестве варианта решения данной проблемы ниже в общих чертах изложена новая точка зрения на структуру материи.
Начнем с определения материи. В наиболее общем виде можно сказать, что материя – то, чем заполнено пространство. Учитывая известное положение о фундаментальных частицах, как наименьших и неделимых частицах, из которых состоит вся материя, делаем вывод, что пространство заполнено фундаментальными частицами. Тогда определению материи можно придать конкретную форму.
Материя – это фундаментальные частицы и образованные ими системы.
Нижний предел делимости материи и верхний предел ее организации пока не установлены. Поэтому мы еще не можем сказать, какие объекты являются фундаментальными и какое место во всеобщей структуре материи занимает исследуемый нами мир. Но на основании накопленной информации можно говорить о некотором фрагменте в цепи организации материи, а именно, от атомов до Вселенной.
В рассматриваемом фрагменте атомы являются наименьшими структурными образованиями. Они состоят из частиц, которые назовем атомными. Атомные частицы – это пока достигнутый нами предел делимости материальных объектов. Мы не знаем фундаментальны ли они, если обладают структурой, то из каких частей состоят, отличаются ли по размеру и т.д.
Будем полагать, что атомные частицы внутренне и внешне одинаковы. Одну атомную частицу будем считать единицей материи. Тогда, с учетом определения энергии, как меры количества материи [1], единицу энергии можно приравнять к некоторому числу атомных частиц N а.ч . :
Отсюда энергия одной атомной частицы εа.ч. равна
Атомные частицы распределены в атоме неравномерно (рисунок 1). Каждый атом имеет внутри себя область, где концентрация атомных частиц наибольшая. Эту область будем считать центром атома. В направлении от центра (т.е. с увеличением атомного радиуса) концентрация атомных частиц уменьшается. Если за меру распределения атомных частиц в пространстве принять плотность энергии ρЕ, то ее зависимость в атоме от атомного радиуса R можно выразить в виде степенной функции:
где b – константа, имеющая смысл плотности энергии атомной частицы, которая с учетом объема атомной частицы V а.ч. равна
Графически зависимость (3) для различных n представлена на рисунке 2.
Рисунок 1 Рисунок 2
Согласно зависимости (3) атомный радиус может иметь бесконечное значение. Но такая возможность абстрактна, т.к. предполагает наличие в пространстве только одного атома. Реально же размеры атома определяются границами соседних атомов.
Атомы могут отличаться друг от друга по структуре, т.е. по распределению атомных частиц. Распределение атомных частиц в атоме выражает плотность энергии ρЕ, которая как показано на рисунке 2 зависит от значения n в выражении (3). Поэтому n определяет индивидуальную, качественную характеристику атома. Данная характеристика может служить основой для классификации атомов – деления их на химические элементы, если под химическим элементом понимать тип атомов с одинаковым значением n , т.е. с одинаковым распределением атомных частиц. Если все известные химические элементы классифицировать по значению n , то получится ряд, который, вероятно, возглавит водород, как химический элемент с наименьшим значением n и наибольшей плотностью энергии атомного центра.
Количественной характеристикой атома выступает ее внутренняя энергия, определяемая количеством атомных частиц, составляющих структуру атома.
Изменение объема атома возможно посредством перераспределения атомных частиц (из плотных участков в менее плотные и наоборот) или выделения и поглощения атомных частиц (т.е. при изменении внутренней энергии атома) и только в процессе взаимодействия с другими атомами.
Под взаимодействием здесь имеется в виду процесс, направленный на изменение внутренней энергии взаимодействующих объектов, при котором происходит выделение или поглощение энергии взаимодействующими объектами и, соответственно, их взаимное сближение или удаление.
Атомы осуществляют два вида взаимодействия – притяжение и отталкивание, сопровождаемые движением атомов. В процессе притяжения атомы движутся в направлении друг к другу, в результате чего уменьшается расстояние между атомными центрами. Это движение становится возможным благодаря удалению (передаче другой атомной паре, т.е. паре взаимодействующих друг с другом атомов) атомных частиц из межатомного пространства – выделению энергии притягивающимися атомами. В процессе отталкивания атомы, поглощая энергию, движутся в сторону увеличения расстояния между атомными центрами. Атомные частицы, приобретаемые в процессе отталкивания, идут на достраивание структуры атомов в межатомном пространстве.
Скорость движения атома в процессе взаимодействия, например, в процессе отталкивания, зависит от того, как быстро выстраивается его структура в межатомном пространстве. Последнее, в свою очередь, зависит от плотности энергии на выстраиваемом участке структуры и от количества сообщаемой атому энергии в единицу времени, т.е. от силы, действующей на атом.
Под силой здесь имеется в виду интенсивность взаимодействия. Она определяет энергию, поглощаемую или выделяемую с единицы площади в единицу времени:
Еще одним (третьим) фактором, определяющим движение атома и, в частности, его ускорение, является неравномерная структура атома относительно энергетической плотности.
Взаимодействие атомов имеет следующие особенности.
1. Когда взаимодействующим атомам не подводится энергия, они притягиваются, выделяя энергию, т.е. удаляя атомные частицы из своей структуры.
2. Энергия, сообщаемая притягивающейся паре атомов, приводит к смене процесса притяжения на процесс отталкивания данных атомов.
3. В процессе взаимодействия атом выделяет или поглощает столько же энергии, сколько взаимодействующий с ним атом, благодаря тому, что атомы находятся в контакте друг с другом в межатомном пространстве участками равной плотности энергии. Отсюда равенство сил, действующих на атомы в атомной паре.
4. Контактирующие участки образуют поверхность (назовем ее поверхностью связи), разделяющую взаимодействующие атомы (рисунок 3). Характеризуя поверхность связи, можно условно говорить
о распределении на ней энергии. Поверхность связи имеет центр, отличающийся наибольшей плотностью энергии.
5. Выделяемая и поглощаемая энергии передаются по поверхностям связи.
6. Атом участвует одновременно в нескольких взаимодействиях, т.к. образует взаимодействующие атомные пары со всеми непосредственно с ним соседствующими атомами.
Притяжение и отталкивание – неравновесные взаимодействия, т.к. направлены на изменение состояния взаимодействующих атомов. Если состояние атомов в целом остается неизменным, то общее взаимодействие имеет колебательный характер (когда происходит непрерывная смена взаимодействия – притяжение на отталкивание и отталкивание на притяжение). Такое общее взаимодействие является равновесным. Для равновесного взаимодействия можно говорить о равенстве выделяемой и поглощаемой энергии и сохранение постоянным среднего расстояния между центрами взаимодействующих атомов. Если обозначить энергию, выделяемую атомной парой, через e п и аналогичную ей поглощаемую энергию через e в (а каждая из них есть энергия взаимодействия атомной пары e вз), то условием равновесного взаимодействия этой пары будет равенство
(6)
Для взаимодействия N числа атомных пар в единице объема равновесие примет вид
При нарушении равновесия, т.е. при общем неравновесном взаимодействии, среднее расстояние между центрами атомов будет меняться. В частности, преобладание количества поглощаемой энергии (Еп > Ев) ведет к увеличению среднего расстояния между центрами атомов, а преобладание количества выделяемой энергии (Еп
Энергия, выделяемая одной атомной парой, поглощается другой атомной парой. Поэтому в процессе взаимодействия атомные пары, выделяя и поглощая энергию, осуществляют между собой энергообмен. Мерой энергообмена является температура Т. Она выражает энергию, выделяемую или поглощаемую атомными парами (т.е. энергию взаимодействия Евз) в единицу времени и в единице объема:
Следует различать общую температуру системы и температуру атомной пары. Общая температура системы является средней от температуры атомных пар, составляющих данную систему.
Температура атомной пары определяется отношением
Т i = εвз / ( t 
) , (9)
где – средний по времени объем атомной пары. Пояснение к этой величине дает рисунок 4, где v 1 и v 2 – объемы атомной пары, соответственно, после выделения и поглощения энергии.
При равновесном взаимодействии температура системы сохраняет свое значение, т.к. остается постоянной Евз. Такое равновесие можно назвать температурным, а соответствующую ей температуру равновесной.
Неравновесные взаимодействия. Молекулы
Общее неравновесное взаимодействие вызывает изменение температуры, понижая ее в случае ЕВ > ЕП и повышая в случае ЕВ
Следует различать три вида общего неравновесного взаимодействия – линейное, излучательное и фазовое. В процессе линейного взаимодействия система сохраняет постоянным свое качественное состояние, претерпевая только количественные изменения. Последние сводятся к изменениям энергии взаимодействия и объема атомных пар, при которых меняется температура системы.
Возможность изменения температуры обусловлена различием в изменении энергии взаимодействия и объема атомных пар. Это показано на рисунке 5, где представлена кривая зависимости энергии взаимодействия атомной пары от среднего объема атомной пары (назовем ее кривой взаимодействия). Сверху кривая ограничена прямой, отвечающей температуре Та, при которой происходит образование новых атомов из энергии, выделяемой атомными парами. Снизу кривая касается прямой температуры Тф.
Правая часть кривой взаимодействия от точки касания прямой Тф (с координатами 
, εф) отвечает изменениям εвз и 
при линейном взаимодействии. Изменение температуры – это, своего рода, реакция системы на нарушение равновесия и стремление к установлению нового равновесия. Например, если системе уменьшить подвод энергии (уменьшением внешней температуры, т.е. охлаждением), то она выделяет часть своей энергии. При этом уменьшаются значения εвз и атомных пар и снижается температура системы. Процесс продолжается до установления нового температурного равновесия. Если системе увеличить подвод энергии (увеличением внешней температуры – нагреванием), то она поглощает подводимую энергию. В результате происходит увеличение значений εвз и 
атомных пар и температура системы повышается до установления равновесия.
Когда система уменьшает свою температуру до значения Тф, не достигая температурного равновесия, происходит смена линейного неравновесного взаимодействия на излучательное (левая ветвь кривой на рисунке 5). При данном взаимодействии система претерпевает качественное изменение – атомы выделяют свою материю, стремясь к взаимоуничтожению. В процессе излучательного взаимодействия в отличие от линейного взаимодействия изменение опережает изменение εвз, как это видно на рисунке 5. При таком характере изменения величин εвз и атомных пар в системе не устанавливается температурное равновесие с внешней средой. В результате система непрерывно излучает энергию. Данное взаимодействие в конечном итоге ведет к уничтожению атомов, точнее, когда из множества взаимодействующих атомов остается только один атом. Схематично это показано на рисунке 6, где энергия, равная энергии трех атомов, уходит на излучение.
Однако, если система атомов способна уменьшить плотность своей энергии, то излучательное неравновесное взаимодействие превращается в фазовое взаимодействие.
При фазовом взаимодействии, которое протекает при Тф и является изотермическим процессом, система претерпевает качественное изменение – образуется новая система (рисунок 7).
Рисунок 6 Рисунок 7
В зависимости от того, как система достигает фазового значения температуры (сверху – уменьшением температуры при охлаждении, или снизу – увеличением температуры при нагревании), происходят следующие процессы. В первом случае (сверху) участники фазового взаимодействия образуют новую систему, в которую они входят в качестве структурных составляющих. В частности, при температуре Тф1 атомы объединяются в молекулы 1-го порядка (кривая 2 на рисунке 7), при Тф2 молекулы 1-го порядка объединяются в молекулы 2-го порядка (кривая 3) и т.д. Во втором случае (снизу) происходит распад системы на ее составные элементы. Например, при Тф2 молекулы 2-го порядка распадаются на молекулы 1-го порядка, при Тф1 молекулы 1-го порядка распадаются на атомы.
При образовании или распаде молекулярной системы происходит изменение зависимости энергии взаимодействия от объема атомной пары, как это видно на рисунке 7. Необходимо иметь в виду, что кривая взаимодействия 2 в молекулярной системе является усредненной. При фазовом взаимодействии, например, когда атомная система переходит в молекулярную, протекают процессы уменьшения объема одних атомных пар и, за счет поглощения выделяемой при этом энергии, увеличения объема других атомных пар. Происходит перераспределение энергии внутри молекулярной системы, когда она из более плотных участков переходит в менее плотные, уменьшая тем самым плотность энергии системы.
При контакте разных молекулярных систем в контактной зоне образуются атомные пары, кривые взаимодействия которых отличаются от кривых взаимодействия одинаковых молекулярных систем. Взаимодействие данных пар при некоторой температуре может стать фазовым – химической реакцией. Образуется сложное вещество – молекулярная система, в которую в качестве структурных составляющих входят разные молекулярные системы. У молекул сложных веществ структурными элементами могут выступать молекулы как простых (т.е. состоящих из атомов одного типа), так и сложных веществ. Химическая реакция является изотермическим процессом. Соответствующую ей температуру можно назвать температурой химической реакции. Данная температура является температурой образования сложного вещества и одновременно температурой его распада. Вновь образованное сложное вещество может претерпевать фазовые переходы. Сложное вещество также может участвовать в других химических взаимодействиях.
Строение молекул аналогично строению атомов – концентрация структурных элементов, которая имеет наибольшее значение в центральной области молекул, уменьшается от центра к границе молекул (рисунок 8).
Образование или распад молекул в ходе фазового взаимодействия является фазовым переходом. По уменьшению фазовых значений температуры фазовые переходы располагаются в следующем порядке: атомы ↔ молекулы 1-го порядка; молекулы 1-го порядка ↔ молекулы 2-го порядка; … молекулы (k-1)-го порядка ↔ молекулы k-го порядка. Каждая молекулярная система, образующаяся при фазовом переходе, характеризуется фазовым состоянием. В настоящее время известно четыре фазовых состояния: плазменное; газообразное; жидкое и твердое. Пока остается не ясным, к каким системам (атомам, молекулам 1-го порядка и т.д.) относятся эти фазовые состояния и на сколько полон их список.
Давление и гравитация
Все взаимодействия в зависимости от позиции рассмотрения можно разделить на температурные и структурные (рисунок 9). О температурном взаимодействии мы уже говорили выше. Теперь несколько слов о структурном взаимодействии – его составляющих упругом и гравитационном взаимодействиях.
Упругое взаимодействие имеет место в случае сжатия или расширения системы, т.е. при, соответственно, уменьшении или увеличении объема атомных пар системы.
Возникновение упругого взаимодействия можно показать на следующем примере (рисунок 10). Пусть изотермическое уменьшение объема атомной пары от 
до 
вызывает изменение ее энергии взаимодействия вдоль температурной прямой от ε0 до ε1. При таком объеме атомной пары (
) энергия взаимодействия для несжатого состояния составляет ε2. Энергия взаимодействия сжатой пары превышает энергию взаимодействия той же пары, но не в сжатом состоянии, на ∆εвз = ε1–ε2. Эта разница определяет упругое взаимодействие.
Если обозначить энергию упругого взаимодействия через Еупр, то Еупр = ∆Евз. Упругое взаимодействие направлено на изменение объема системы в сторону несжатого (или нерасширенного) состояния. Мерой упругого взаимодействия является давление Р. Оно равно
Можно говорить и о силе упругости F упр :
Давление определяется также как и температура, но с той разницей, что сюда входит не вся энергия взаимодействия, а ее составляющая, связанная с упругим взаимодействием: Еупр
Гравитационное взаимодействие возникает при неравномерном распределении атомов, которое характерно для молекулярных систем.
Неравномерное распределение атомов предполагает неравномерное распределение атомных пар, что, в свою очередь, обуславливает различие в объеме атомных пар. С увеличением концентрации атомов объем атомных пар уменьшается. И согласно зависимости (9) при постоянной температуре у таких атомных пар уменьшается энергия взаимодействия. Тогда по мере приближения к центру молекулы уменьшается энергия взаимодействия атомных пар. Это, во-первых. Во-вторых, с уменьшением объема атомных пар уменьшается и площадь поверхности связи атомных пар. При этом изменение площади опережает изменение энергии взаимодействия. Следовательно, в направлении к центру молекулы уменьшается сила взаимодействия. Все это определяет гравитационное взаимодействие (гравитацию) и появление гравитационной силы. На рисунке 11 гравитационная сила F представлена для атома 2, как геометрическая сумма сил F 1 и F 3 .
Рисунок 10 Рисунок 11
Гравитация вызывает смещение атомов по направлению к центру молекулярной системы. Смещение, в свою очередь, вызывает сжатие атомов со стороны центра молекулы – уменьшается объем и увеличивается энергия взаимодействия атомных пар. В результате возникает упругое взаимодействие, которое противодействует гравитации. Когда силы упругого и гравитационного взаимодействий выравниваются, смещение атомов прекращается.
Распространение неравновесного взаимодействия.
Сила и скорость энергетического тока
Движение атомов является составной частью взаимодействия: атомы сближаются друг с другом в процессе притяжения и удаляются друг от друга в процессе отталкивания. При равновесных взаимодействиях движение атомов в целом беспорядочно. Движение приобретает некоторый порядок в случае распространения в системе неравновесного взаимодействия. Это относится к атомам, которые являются участниками неравновесного взаимодействия. Движение данных атомов осуществляется вдоль направления распространения неравновесного взаимодействия.
Атомы при взаимодействии выделяют и поглощают энергию – энергию взаимодействия. В процессе движения атомы осуществляют перенос энергии взаимодействия, получая ее от одних атомов и передавая другим атомам так, что параллельно с движением атомов происходит движение энергии взаимодействия. Движение энергии взаимодействия в целом направлено на ее равномерное распределение в системе и установление равновесного взаимодействия. Нарушение равновесного взаимодействия происходит после появления в системе области неравновесного взаимодействия. Данная область, отличаясь энергией взаимодействия, становится источником распространения неравновесного взаимодействия в системе.
Процесс распространения неравновесного взаимодействия можно охарактеризовать как движение неравновесной энергии. Под неравновесной энергией имеется в виду энергия, на которую отличается энергия неравновесного взаимодействия атомной пары от средней энергии взаимодействия в системе. Движение неравновесной энергии можно назвать энергетическим током (ЭТ). Мерой ЭТ является сила тока I . Сила тока определяет количество неравновесной энергии Енвз, проходящей через единицу площади S за единицу времени t :
Другой характеристикой ЭТ является его скорость. Скорость ЭТ uЭТ отражает процесс передачи неравновесного взаимодействия от одной атомной пары другой и определяется в виде
где z – расстояние между двумя атомными парами, равное размеру атома, tвз – время, за которое происходит передача неравновесного взаимодействия между атомными парами, равное времени взаимодействия атомной пары.
Согласно выражению (13) скорость ЭТ зависит от размера атома. В свою очередь на размер атома оказывает влияние температура. Температура, как показано на рисунке 5, определяет средний по времени объем атомной пары, а значит и размер атомов. Размер атомов находится в прямой зависимости от температуры. Следовательно, скорость ЭТ прямо зависит от температуры: с увеличением температуры скорость ЭТ растет и уменьшается с понижением температуры.
Давление тоже определяет размер атомов. С ростом давления размер атомов уменьшается, что указывает на обратную зависимость скорости ЭТ от давления.
Скорость ЭТ также зависит от типа атомов. Атомы различных химических элементов при равных условиях (температуре и давлении) отличаются размерами. С увеличением плотности энергии атомного центра, т. е. с уменьшением n , размер атома увеличивается. Следовательно, скорость ЭТ и n имеют друг с другом обратную связь.
На скорость ЭТ согласно (13) можно влиять и через время взаимодействия. Влияющим фактором здесь выступает сила тока. Согласно (12) чем больше сила тока, тем больше неравновесная энергия. А с увеличением энергии взаимодействия растет время взаимодействия. Получается обратная зависимость скорости ЭТ от силы тока.
По направлению распространения неравновесного взаимодействия следует различать линейный и объемный ЭТ. Линейный ток отличается от объемного тем, что имеет преимущественное направление движения неравновесной энергии, тогда как при объемном токе происходит многонаправленное (сферическое) распространение неравновесного взаимодействия. Такое деление ЭТ в некоторой степени условно, т.к. объемный ток можно представить как множество линейных токов с одним источником.
Каждый атом, осуществляющий линейный ЭТ, участвует в нескольких взаимодействиях одновременно. Кроме основного взаимодействия (т.е. взаимодействия, отвечающего за линейный ЭТ) имеют место взаимодействия вне направления линейного тока – побочные взаимодействия. Поэтому неравновесное взаимодействие передается и другим атомам. В результате возникает побочный ЭТ (рисунок 12). Сила побочного тока меньше силы линейного тока. Побочный ток приводит к рассеянию энергии линейного ЭТ.
Преломление и отражение энергетического тока
В однородной равномерной системе – системе, состоящей из атомов одного типа и с равномерным в среднем распределением атомов, линейный ЭТ имеет прямолинейное направление.
В однородной неравномерной системе (например, в системе, подвергнутой гравитации) направление линейного ЭТ претерпевает изменение в результате протекания процесса преломления. В данной системе с неравномерным в среднем распределением атомов имеет место градиент энергии взаимодействия.
Градиент энергии взаимодействия обуславливает несимметричное побочное взаимодействие атомов, осуществляющих ЭТ (если направление тока не параллельно направлению градиента энергии взаимодействия). Это показано на рисунке 13 на примере атома 3, который вместе с атомом 1 осуществляет линейный ЭТ. У атома 3 энергия побочного взаимодействия с атомом 2 больше чем с атомом 4. После передачи движения от атома 1 атому 3 данная разница определяет большее удаление атома 3 от атома 2, чем от атома 4. В результате траектория движения атома 3 искривляется в сторону атома 4. Происходит преломление линейного тока.
Преломление происходит также в процессе перехода линейного тока в систему с другими химическими элементами (например, из воды в стекло).
Системы с различными химическими элементами при одинаковых условиях (температуре и давлении) отличаются энергией взаимодействия. В контактной зоне таких систем имеет место градиент энергии взаимодействия (рисунок 14).
Рисунок 13 Рисунок 14
При переходе в систему с другими химическими элементами линейный ЭТ претерпевает не только преломление, но и отражение (рисунок 15).
Строго говоря, отражение имеет место во всех случаях взаимодействия. Оно представляет собой обратное движение атома после передачи взаимодействия. Но в случаях с однородными системами и при переходе ЭТ в другую систему перпендикулярно к поверхности раздела систем линии отраженного и линейного токов совпадают.
Отклонение направления отраженного тока происходит, когда направление линейного ока не перпендикулярно к поверхности раздела разнородных систем. Причем данный отклоненный отраженный ток берет начало с контактной поверхности систем. Такое отражение, как показано на рисунке 15, обусловлено несимметричным побочным взаимодействием на контактной поверхности.
Звезды представляют собой молекулярные системы. Они являются источниками двух потоков – энергетического (т.е. потока неравновесной энергии) и вещественного (потока атомов и молекул). Кроме того, в звездах осуществляются процессы образования атомов.
В деятельности звезд есть общие закономерности, определяющие эволюцию звезд, и частные, определяющие эволюцию Вселенной.
Рассмотрим общие закономерности. “Жизнь” звезды можно разделить на три периода – планетарный, звездный и послезвездный. В планетарный период будущая звезда формируется в планету и не осуществляет потока вещества. Она находится в системе прозвезды, т.е. звезды, из вещественного потока которой формируется структура планеты. Например, прозвездой планеты Земля является Солнце. Для Солнца прозвездой является звезда, находящаяся в центре нашей Галактики.
Процесс образования планеты из потока, осуществляемого прозвездой, можно представить следующим образом. С увеличением расстояния от поверхности прозвезды температура пространства вокруг прозвезды уменьшается. Это является причиной фазовых переходов в вещественном потоке. Вещественный поток не однороден по составу химических элементов. В первую очередь фазовым превращениям подвергаются атомы химических элементов с наибольшим значением n .
В вещественном потоке за счет действия гравитационных сил происходит объединение молекулярных систем. Молекулярные системы, первые претерпевшие фазовые превращения, становятся центрами гравитационных взаимодействий. Под действием гравитационных сил происходит сжатие взаимодействующих систем. Наибольшее сжатие происходит в центральных областях гравитации.
По мере удаления скопления вещества от поверхности прозвезды снижается температура и происходят фазовые переходы в данном скоплении. Вследствие увеличения количества вещества в скоплении растет сжатие и все больше затрудняются фазовые переходы относительно объемных изменений атомных пар. Наконец наступает момент перехода атомов в гравитационных центрах в неравновесное излучательное взаимодействие. Это вызывает увеличение температуры в данных областях скоплений, как следствие, увеличение процессов сжатия и вовлечение все большего числа атомов в излучательное состояние. Так формируется ядро планеты, где сосредоточено все вещество в излучательном состоянии. Остальное вещество, которое не вошло в структуру ядра, образует оболочку, необходимую для гравитационного сжатия ядра. С момента появления ядра планета становится источником энергетического потока.
Внутри планеты за счет излучательного состояния атомов в центральной области могут происходить процессы образования атомов различных химических элементов из выделяемой энергии (рисунок 16). Основной процесс образования новых атомов протекает после окончательного перехода планеты в звезду.
При этом происходит осуществление новой звездой второго потока – вещественного, который явится источником структурного материала следующей звезды.
В процессе деятельности звезда расходует свое “горючее” (вещество ядра). Когда “горючее” полностью будет израсходовано, звезда остывает. Наступает послезвездный период.
Возможен и другой вариант. Для того, чтобы вещество звездного ядра находилось в излучательном состоянии, необходимо определенное сжатие. Это сжатие обеспечивает оболочка звезды с помощью гравитации. Вещественный поток уносит в космическое пространство часть вещества из звездной оболочки, что уменьшает гравитацию. Если гравитация станет меньше минимума, необходимого для сжатия ядра, произойдет взрыв звезды. Вся излучаемая энергия ядра уйдет на увеличение объема его вещества. И звезда прекратит свое существование.
Таков общий эволюционный путь звезд.
Теперь о частных закономерностях в деятельности звезд, на основании которых можно судить об эволюции Вселенной.
Вселенная – это система галактик. Галактики, в свою очередь, состоят из звезд с общей системой взаимопревращений. Время существования каждой галактики ограничено и его можно разделить на периоды.
В первый период своего существования галактику представляет только одна звезда (назовем ее главной). Она является “родоначальником” в цепи звездных превращений в пределах галактики (рисунок 17). Главная звезда имеет наибольшее значение внутренней энергии. Развиваемая в ее недрах гравитация способствует переводу в излучательное состояние атомов всех химических элементов, в том числе и водород.
Во второй период главная звезда создает новые звезды из своего вещественного потока и, тем самым, формирует галактическую систему. Главная звезда задает движение дочерним звездам (спиралевидное с увеличением радиуса) и определяет расширение галактики. На рисунке 18 представлены расширяющиеся галактики в виде увеличивающихся в радиусе окружностей, в центре которых точками обозначены главные звезды.
Звезды 2-го периода по внутренней энергии значительно уступают главной звезде. В них также меньше развиваемая гравитация. Поэтому в состав ядра звезд 2-го периода не входят химические элементы с меньшим значением n . Данные не “сгорающие” химические элементы накапливаются в оболочке звезд и в космическом пространстве, куда они уносятся вещественным потоком.
Еще больше уступают главной звезде по внутренней энергии звезды, появляющиеся в 3-ий период существования галактики из вещественного потока звезд 2-го периода. Поэтому ядра звезд 3-го периода состоят из меньшего перечня химических элементов и с большими значениями n , чем у звезд 2-го периода.
Замыкают ряд звездных превращений в галактике объекты, у которых наименьшая внутренняя энергия, вследствие чего они не в состоянии преодолеть планетарный период своего развития. Данные объекты (а также “потухшие” звезды предшествовавших периодов) в результате сближения галактик объединяются с такими же объектами соседних галактик в главные звезды новых галактик. На рисунке 18 места образования в будущем новых главных звезд обозначены крестиками.
Тем самым звездные превращения не прекращаются – они продолжаются в том же порядке, но уже в рамках новых галактик, образуя непрерывные галактические ряды (рисунок 19).
Рисунок 18 Рисунок 19
Получается, что “жизнь” Вселенной бесконечна – не имеет ни начала, ни конца.
Источник