Непотенциальые взаимодействия — вечный двигатель тонкой материи, космоса и общественной жизни. Необычные грани 2-го закона термодинамики.
После опубликования статьи некоторые читатели просили уточнить, что я понимаю под непотенциальными взаимодействиями. Я исхожу из общепринятого определения потенциального поля, изложенного, например, в Википедии:
«Если работа сил поля, действующих на перемещающуюся в нём пробную частицу, не зависит от траектории частицы, и определяется только её начальным и конечным положениями, то такое поле называется потенциальным»
Очевидным условием такого поля является зависимость его величины ТОЛЬКО ОТ КООРДИНАТ, а следствием — «работа сил на замкнутом контуре равна нулю». Отсюда следует, между прочим, что слова «векторный потенциал» — просто «фигура речи» и к настоящим потенциальным полям не имеет никакого отношения.
Поля и взаимодействия, работа сил которых зависит не только от координат, я называю непотенциальными. К этой категории относятся не только диссипативные силы, но и, например, воздействие магнитного поля на движущийся заряд, о чем почему-то умалчивает школьная физика, что и вызывает вопросы читателей.
2-й закон термодинамики (ВЗТ) предсказывает выравнивание температуры в изолированной системе – процесс, называемый диссипацией (рассеянием) энергии. Один из последовательных разработчиков ВЗТ Р. Клаузиус отметил весьма неординарное следствие этого закона.
Если в качестве изолированной системы выбрать всю Вселенную — а она очень подходит под определение “изолированная”, т.к. при больших размерах термодинамической системы условия на её границах все меньше влияют на внутренние процессы — то, следуя ВЗТ, придём к выводу, что с течением времени температура во Вселенной выравнится, и прекратятся любые процессы и движения, кроме однообразного теплового движения атомов и молекул.
В своё время (середина XIX в.) это высказывание произвело весьма сильное впечатление. Ещё не известна была ядерная природа энергии Солнца и звёзд, поэтому “тепловая смерть” не казалась такой уж далёкой.
Трудами известного австрийского физика Л. Больцмана (1844 —1906) было показано, что, если в качестве модели вещества принять модель в виде системы хаотически движущихся молекул, упруго, т.е., потенциально сталкивающихся друг с другом (наподобие бильярдных шаров), то ВЗТ получается как неизбежное следствие такого движения.
В 1867 г. Д. Максвеллом был предложен – правда шуточно – механизм (ловушка Максвелла), в котором быстрые молекулы собирались в одной части пространства, медленные – в другой, и, таким образом, вместо диссипации осуществлялась концентрация энергии. Хотя самим Максвеллом уже в те времена была разработана теория непотенциальных (электромагнитных) взаимодействий, строение атомов было неизвестным, поэтому идея зависимости их взаимодействий от энергии воспринималась в качестве чуда – «демона Максвелла».
С появлением теории относительности и новых космологических моделей проблема «тепловой смерти Вселенной» отошла на задний план, а представление о термоядерной природе излучения звёзд сделала эту проблему неактуальной.
Космологическая модель Фридмана, предполагающая возникновение Вселенной в результате так называемого «Большого взрыва» (БВ), имеет к себе много вопросов, среди которых вопрос о возникновении наблюдаемых в настоящее время термодинамических неравновесностей не выглядит особо каверзным. Но если задать его в форме: каким образом в предыстории «Большого взрыва» Вселенная пришла к состоянию энтропии S = min, в то время, как ВЗТ требует, чтобы все физические процессы приводили к увеличению энтропии (ΔS всегда должна быть больше нуля), то этот вопрос к модели Фридмана окажется на самом деле самым острым.
Отговорка, что до БВ не было ни времени, ни пространства, во-первых, не имеют под собой почвы, поскольку все понятия – категории сознания (см. тему "Откуда берутся понятия?"), в норме языка и неизбежной логики глубинные пространство и время не могут быть не бесконечными; во вторых, сродни с утверждением: «так Богу угодно», но, как показывает история познания, Богу всегда было угодно, чтобы его законы соблюдались во все времена. Подобные отговорки часто оказывались не только признаком отсутствия знаний, но и сознательным игнорированием логики.
Уравнения ОТО выведены для консервативных систем без учёта ВЗТ, см тему "Пуанкаре и основания ОТО". Решение этих уравнений, особенно для ретроспективы, не может быть адекватным реальности.
Как известно, энтропия – это мера неопределённости. ВЗТ гласит, что в системе предоставленных природой возможностей материальные объекты будут стремиться использовать эти возможности максимально «размыто» – с максимумом неопределённости. В процессе своего движения система увеличивает неопределённость, т.е., теряет информацию. Одно и то же конечное состояние может возникнуть из множества самых различных ситуаций. Можно сказать, что в термодинамическом мире вычислить прошлое сложнее, чем будущее (теоретически вообще невозможно).
Между тем, зависимость силы взаимодействия от скорости движения тел, проявляющаяся в уравнениях Максвелла и силе Лоренца, имеет все атрибуты «демона Максвелла». Демон это или ангел – судить общественникам, но большая часть вырабатываемой в настоящее время электроэнергии обязана этому существу, именно оно двигает электроны в генераторах электростанций.
Общая теория относительности показывает, что в гравитационном поле с потенциалом ϕ равновесная температура T равна:
где T0 – температура вдали от гравитирующего тела,
c — скорость света.
Формулу (1) легко получить, используя более общие физические принципы, в частности — барометрическую формулу Больцмана для плотности частиц n в зависимости от потенциала ϕ:
n0 и ϕ0 — соответственно, плотность и потенциал на поверхности гравитирующего объекта,
kB — постоянная Больцмана,
m — лоренцевская масса:
E — полная энергия частицы,
m0 и v —соответственно, масса покоя и скорость частицы в АСО, см. тему «Почему эйнштейновцы не любят эйнштейн-лоренцевскую динамическую массу?». https://dzen.ru/a/ZXG5MHv1S2R33q4U?share_to=link
В соответствии с формулой (2) получим, что более массивные – а значит, и более энергичные частицы скапливаются вблизи гравитационных центров, увеличивая там температуру.
Этот результат легко получается также моделированием в компьютерном эксперименте.
Общая схема возникновения термодинамических неравновесностей выглядит так: гравитационный центр притягивает из окружающего холодного пространства наиболее энергичные частицы (охлаждая холодное), которые вблизи центра набирают дополнительную энергию (отбирая её, опять же, у выталкиваемых холодных объектов); эти частицы вступают затем в ядерные реакции, в результате которых высокотемпературная тепловая энергия преобразуется в ядерную.
Поскольку нейтроны и радиоактивные ядра имеют значительное время жизни, в процессе диффузии (или при других процессах переноса) они уходят в окружающее пространство, снабжая его так называемым “ядерным горючим”, которое в дальнейшем служит источником всех движущих сил в природе. Компьютерное моделирование ультралоренцевских движений показывает, что даже в термодинамическом равновесии такие объекты могут вырабатывать и выбрасывать в космос нейтроны и другие радиоактивные частицы, которые в дальнейшем служат «ядерным топливом» для вновь образующихся звёзд, см. http://viryazancev.narod.ru/re12.htm .
Изложенный выше механизм позволяет выяснить, в чём статистические обоснования классических формулировок 2-го закона термодинамики отличаются от реальной природы. В моделях Больцмана и Гиббса не учитываются непотенциальные взаимодействия, которые «упаковывают» термодинамические неравновестности в структуры радиоактивных частиц (в т.ч. – в нейтроны), делая ложным предположение классической статистики о меньших временах установления термодинамического равновесия в малых структурах по сравнению с большими.
На самом деле реальные сверхсжатые космические объекты (СКО) не находятся в термодинамическом равновесии, и их поведение несравнимо богаче на всевозможные процессы, чем гипотетическое поведение нереалистичных «чёрных дыр». В частности, при падении на СКО возникает громадная разница в энергии тяжёлых и лёгких частиц, что вызывает эффект «кипящего слоя», когда, наподобие солнечной короне, в окрестности СКО возникает сверхгорячее излучение с температурой триллионы градусов. Ещё более кардинальные возмущения получаются при столкновениях СКО, когда быстро изменяется геометрия гравитационного поля, и частицы, образовавшиеся в зоне высокого давления, вдруг оказываются в неравновесном состоянии.
В этой модели войды играют роль холодильников в цикле типа Карно. В процессе движения фотона от светящихся объектов к войдам фотон оказывает давление на встречающиеся материальные частицы, передавая им часть импульса, увеличивая их кинетическую и потенциальную энергию (войды служат в качестве разгонного полигона) и создавая условия функционирования упомянутого и ещё более масштабного «кипящего слоя». Таким способом преобразуется излучательная энергия фотонов в энергию движения атомов и молекул.
Этот результат находится в прекрасном согласии с наблюдаемой Вселенной независимо от её предыдущей истории, он применим, в том числе, и к случаю существования взрывающихся «чёрных дыр»
При этом также выясняется, что в случае действия непотенциальных сил действует так называемая условная вероятность, и, соответственно, к максимуму мы должны устремить локальную условную энтропию. Всеобщей аддитивной энтропии Вселенной как функции состояния не существует.
Непотенциальные взаимодействия в физике твёрдого тела
Непотенциальные взаимодействия играют заметную роль в физике твёрдого тела. Сверхпроводящие состояния, в сущности, происходят от непотенциального взаимодействия (притяжения) амперовских токов. При низких температурах могут образовываться квазиатомы из электрона и «дырки», называемые экситонами. Динамика таких движений изложена в работе Дубовик В. Н., Рязанцев В. И. "О влиянии силы Лоренца на движущуюся в магнитном поле атомоподобную систему" // В сб. "Проблемы ядерной физики и космических лучей", вып. 32, Харьков, из-во при Харьковском государственном университете, 1989. Размещено также на ресурсе «Магнитная ионизация и 2-й закон термодинамики».
http://www.sciteclibrary.ru/cgi-bin/public/YaBB.pl?num=1635624845/0#3.
В 1991 г. автором было получено авторское свидетельство «Способ измерения электрофизических параметров полупроводников», использующий распад холодных экситонов в магнитном поле с последующей диффузией свободных носителей в область меньшей напряжённости магнитного поля и возникновением эдс. В числе консультантов была Ия Павловна Ипатова – главный специалист Ленинградского Физико-технического института (того самого, директором которого был нобелевский лауреат Ж. Алфёров), которая, к сожалению, трагически погибла в 2003 г. Светлая память этой замечательной женщине и выдающемуся учёному.
Пример из общественной жизни
Учёные подтвердили наблюдения обывателей, что леса делают климат мягче. Помощник предложил вождю произвести посадку лесов в засушливых зонах Поволжья и Украины. В голове вождя проскочили некоторые биотоки, и вот уже на просторах огромной страны протянулись как длинные (тысячекилометровые), так и более короткие лесополосы между полями. Можно ли понять этот процесс с позиций потенциальной механики? Вопрос риторический.
Понять физику без учёта непотенциальных взаимодействий – всё равно, что понять стереометрию без учёта 3-го измерения, социум без учёта наличия разума и интересов людей, полёт птиц без учёта крыльев.
Кажущиеся столь различными проблемы квантовой механики, теории относительности, 2-го закона термодинамики решаются одним способом – учётом непотенциальных взаимодействий.