Живая наука – 2. Комиксы естествоиспытателя. Рем Ворд
ули-поле? Дальше будет интереснее
1. Со школьной скамьи мы знаем, что постоянный магнит разделен на две равные половины. Линии поля легко можно сделать видимыми с помощью железных опилок и листа картона, в известном опыте, или же масла с взвешенными в нем ферромагнитными пылинками. То же самое, с другим материалом, проделывается по отношению к статическому электрическому полю.
Делятся ли обычные, не магнитные, не наэлектризованные предметы на сколько то частей внутри себя? И, если это так, то какой метод можно использовать для наглядного определения разделения?
Постановка темы выводится из задачи, решение которой автор, сколько бы он ни листал учебники физики, так и не получил. Согласно принципу Паули в пределах квантовой системы, в данном квантовом состоянии, вправе находиться единственный фермион. Состояние другой такой же микрочастицы должно отличаться хотя бы одним квантовым числом. Фермионы суть атомы таблицы Менделеева. При определенном состоянии, свойствами бозона, своего рода антипода грузной материи, обладает гелий. Бозоны – частицы с целочисленным спином, как то кванты света, фотоны, накапливанию которых в некоем участке пространства ничто не препятствует.
Что же такое «квантовая система» и насколько она может быть велика? Какие физические силы расталкивают одинаковые микрочастицы? И, можно ли получить наглядное изображения действия, так скажем, Паули-полей?
Ответ на первый вопрос учебники формулируют туманно. «Это атом». Насколько большой атом? «И молекула». Молекула тоже может быть крупной, гигантской, десятки миллиардов атомов, вспомним хотя бы ДНК. Она тоже – «квантовая система»? Являются ли оной пляшущая в луче света пылинка, маковое зернышко, строительный кирпич или даже мы сами?
Ответа нет. Поэтому мы переходим к эксперименту. Характерные размеры используемой емкости – 10 на 18 см., высота 5 см. Материал – пластик, алюминий, нержавеющая сталь. Проявляющий неведомое поле раствор – взвесь тончайших металлических опилок в сахарном сиропе. Именно он является посредником между микромиром и зримой реальностью. Проявитель не обязательно должен обладать ферромагнитными свойствами. Вполне подходят взвешенная в воде кварцевая пыль или даже акварельная краска.
Раствор плюс емкость – ничто иное как пресловутая «квантовая система». Кто сказал, что она не может иметь макроскопические размеры? Взвешенные в растворе, сколько то изолированные друг от друга пылинки, имеют свой собственный спектр. И в пылинке А, и в подобном кластере В есть набор микрочастиц, имеющих одинаковые квантовые числа. Согласно принципу Паули, как мы его вправе понимать, пылинки должны разойтись на максимально возможное в данных условиях расстояние. Вектор их диффузии направлен в те области емкости, где кластеры изменят свой спектр так, чтобы не быть похожими на соседей.
Что это означает практически? Подогреваем «проявитель» до 80 С и заливаем прямоугольную емкость. Закрываем керамической плиткой. Ждем два часа, когда пылинки улягутся на дно. Смотрим. Как видно на фотографии 1, на дно емкости оседает некое подобие британского флага. Форма делится пополам вдоль и поперек и еще на четыре симметричные части по диагоналям. Это и есть стиль деления предмета линиями Ферми. Симметричные части дна покрываются кластерами, сколько то отличающимися квантовыми числами. Если уместен такой пример, так на одной орбитали атома удерживаются электроны с антипараллельными спинами. Но, вдруг за поведение танцующих в сиропе пылинок ответственны не таинственные Паули-поля, а банальные тепловые потоки? С начала прошлого века известны «ячейки Бенара» – похожие на соты шестиугольные структуры, возникающие в слое подогреваемого масла. То, что наблюдается в емкостях с проявителем, вовсе не похоже на конвективные потоки. Бюретка может иметь размеры 40 на 30 см. и более. Линии «флага» прямые. Конвективное круговое движение отсутствует. Взвесь «проявителя» без лишних движений занимает положенные участки. Тепло, как энергия, обеспечивающая направленную диффузию важно. Но, оно лишь помогает проявить действие поля, так же, как постукивание по листу картона вынуждает опилки выстраиваться вдоль магнитных линий.
2. Возьмем емкости 10 на 18 см, и соединим их сторонами (фотография 2). Зальем «проявителем» и оставим остывать под листом стекла. Что произойдет? Вариант 1. В каждой из емкостей вырастет собственный «флаг». Такой результат допускает мысль, что картина вызывается колебаниями жидкости, ее отражением от стенок, фокусом волн. Вариант 2. Создастся единая картина распределения частиц взвеси. Это означает, что стенка не препятствует взаимодействию. Тогда внутренние волны и конвективные потоки не при чем. Правильный ответ – 2. Совмещенные бюретки – единый объект с общей картиной Ферми-линий.
3. Посмотрим теперь, как линии Ферми (или уж Паули, терминология ведь еще не определена) делят какие-либо объекты по вертикали. Теперь наш инструмент исследований – бюретка высокая и узкая. Заливаем в нее горячий «проявитель», закрываем, наблюдаем. От дна до поверхности вытягиваются линии.