Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 34. Спин и принцип Паули. Квантово-гендерная физика.

      Мы только что поняли, что момент импульса в квантовых системах принимает дискретные значения с интервалом в постоянную Планка-Дирака ħ. Принимая целочисленные (кратные ħ) значения в системах движущихся друг относительно друга частиц (орбитальные моменты). И полуцелые значения (спины) для многих одиночных, в том числе составных, частиц. Различие между частицами с целым и полуцелым спином, казалось бы, не является существенным. Но для их коллективов оказалось принципиальным. Что проявилось в таких макроскопических явлениях, как сверхтекучесть, сверхпроводимось, устройство мумий завершивших свою эволюцию звезд и многом другом. Весьма наглядным пояснением этого различия является приводимое ниже шуточное эссе "Квантово-гендерная физика".

      1. Спин и принцип Паули.
      Частицы, внутренний момент импульса (спин) которых кратен целому числу постоянной Планка-Дирака, называют бозонами. По имени впервые описавшего поведение коллектива таких частиц (фотонов) Бозе. А частицы, спин которых является полуцелым, называют фермионами. По имени впервые описавшего поведение их коллективов Ферми.

      Поведение коллективов бозонов и фермионов, занимающих нижние энергетические уровни квантовых систем, различается кардинально. Бозонам в таких ситуациях разрешено садиться в одно кресло квантовое состояние в любом количестве. А фермионам это категорически запрещено. Им можно садиться в каждое кресло квантовое состояние только по одному. Этот завет Всевышнего обосновал Паули. А остальные физики присвоили ему имя Паули (запрета или принципа Паули).

      Последствия принципа Паули и на атомарно-ядерном, и на макроскопическом уровнях, многогранны. Во втором случае составить образ таких последствий может помочь кочующее по просторам интернета шуточное эссе "Квантово-гендерная физика".

      2. Квантово-гендерная физика.
      На одной из пь̶я̶н̶о̶к̶ редколлегий «Популярной механики» речь зашла о науке.
- Опять в журнале какие-то матерные слова написаны! – пожаловались девушки из отдела рекламы.
- Где???
- Да вот же: «бо-зе-эйн-штейн-ов-ский кон-ден-сат»! Да тут не только язык сломаешь, вообще непонятно, что такое и о чем это! Спорим, ты и объяснить не сможешь простым людям!

Ах, даже вот так? Ну вот вам бозонный конденсат и квантовые эффекты для блондинок.

Смотрите: существуют два типа л̶ю̶д̶е̶й̶ частиц, “мальчики” и “девочки”. Мальчики одеты в брюки, на которые уходит 1 метр полотна. Это - целый спин. Такие частицы-мальчики называются ̶б̶и̶з̶о̶н̶ы̶ бозоны. Девочки одеты в юбки, на которые уходит 0,5 метра полотна. Это - полуцелый спин, а частицы-девочки - фермионы.

Ведут они себя по-разному.
Когда бозоны собираются вместе на чисто мужскую вечеринку и обнаруживают, что все одеты в абсолютно одинаковые костюмы, они радостно улыбаются, садятся рядом, хлопают друг друга по плечу, ставят друг другу пиво, становятся лучшими друзьями и действуют как единое целое. Это – бозонный конденсат (он же конденсат Бозе-Эйнштейна). А когда раздается крик «наших бьют!», все частицы-мальчики устремляются на защиту - в одном направлении и не мешая друг другу. Это - сверхтекучесть.

А когда девочки-фермионы, собравшись на девичник, обнаруживают, что на них одинаковые платья или юбки, они фыркают, отворачиваются и стараются друг к другу близко не подходить и на соседние стулья не садиться. Это - принцип запрета Паули.

Теперь представим себе торговый центр с двумя входами-выходами с разных сторон. Это - проводник. Внутри - множество магазинов и бутиков. Это - кристаллическая решетка. Если запустить через один вход частицу-девочку (фермион), то вместо того, чтобы пройти прямо насквозь и выйти с другой стороны, она будет испытывать многочисленные столкновения с магазинами, и выйдет с изрядно похудевшим кошельком. Это - механизм электрического сопротивления (электроны являются фермионами).

А теперь представим, что на входе девочка встречает подругу, и они ̶з̶а̶ц̶е̶п̶л̶я̶ю̶т̶с̶я̶ ̶я̶з̶ы̶к̶а̶м̶и̶ начинают болтать о моде, прическах и мальчиках. При этом две девочки (фермионы) действуют как единое целое. Это - куперовская пара. Увлеченные разговором, подруги не замечают магазинов и проходят торговый центр насквозь, не испытывая соударений с бутиками и не потратив ни копейки денег, то есть ведут себя точно так же, как мальчик (бозон). Это - сверхпроводимость.

Ну вот, теперь вы знаете столько же, сколько студенты-физики узнают в рамках годового курса квантовой теории. Ну, почти ;-)

      Первичный и на мой взгляд довольно удачный образ работы принципа Паули таким эссе, надеюсь, создан. Хотя в годовом курсе квантовой теории явлениям сверхтекучести и сверхпроводимости уделено очень мало внимания. Поэтому перейдем к описанию работы этого принципа на атомарном уровне.

Tags: Начала физики
Subscribe

  • В этот день 11 лет назад

    Этот пост был опубликован 11 лет назад!

  • Две мышки...

    Две мышки танцуют, хвостиками машут. Но мы видим лишь мгновенный снимок одного их па. Сколько же па еще будет и чем их танец закончится? На…

  • Зоология космических телескопов.

    "Кормовая база" земных телескопов довольно узка - они могут видеть объекты в оптической части спектра электромагнитных волн, близких к…

promo moralg march 5, 2018 03:01 46
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments