Интересно е да се проследи от гледна точка на квантовата теория съществуването на йерархичност на стабилните състояния на материята. Йерархията на енергията е свързана с йерархия на организация на материята като многократно вложена като матрьошка материя (по С. Хокинг) и дискретни фрактални модели.

Представи за фрактална иерархия на материята са развивани от Кант в идеите му за безкрайна структура на сливащи се звездни системи; героят на този сайт, Беноа Манделброт – пророкът на фракталите като йерархични самоподобни множества, Роберт Олдершоу в хипотезата му за подобието на атомното, звездното и галактическото ниво, за която говорихме в статията за “Вселената на Фурние“, а сега ще ви запозная с още една теория.

Австрийският физик Виктор Вайскопф (Victor Frederick Weisskopf )  е забелязал, че нивото на елементарност (кристали макромолекули, молекули, атоми, ядра, нуклони, кварки и лептони) зависи от нивото на енергия и че може да се състави йерархична стълба, която той нарича квантова стълба на енергията Според Вайскопф има четири нива на квантова организация: 0. молекулно 1. атомно 2. ядрено 3. субядрено Всичко живо е вместено в нулевото стъпало.

Проф.В.Вайскопф – участник в проекта “Манхатън”. Снимка: MIT museum

Илюстрация: bgchaos

Всяко стъпало е отделна зона, ясно разделена по особеностите на материалните структури (елементарни частици, ядра, атоми, молекули и кристали) с граници на енергийни преходи между тях и типични размери: ниво енергия (eV) размер (cm) граници долна горна долна горна субядрено 10 8 10 -14 ядрено 10 6 10 8 10 -14 10 -12 атомно 1 10 6 10 -12 10 -8 молекулярно 1 10 -4 Представата за стълба е най-подходяща заради дискретните скокове при прехода от едно ниво в друго

У всяка система съществува състояние с възможно най-малка гранична енергия E₀, прагова стойност на енергията, която да гарантира стабилност.

Например, когато енергията надвишава праговата, атомите се разпадат на части – ядро и електрони. Да вземем за пример атомите на натрия и неона – първият има 11 електрона, а втория – 10. Когато енергията е по-малка от праговата, те се намират в специфични за тях, много различни квантови състояния. Единият е метал, а другият – газ. Когато енергията надвишава праговата, при много висока температура, те се превръщат в плазма – газ от ядра и електрони. В това състояние не е голяма разликата между плазмения натрий и неон.

Друг пример: ако движението на електроните в атома се подчиняваха на законите на Нютон и класическата електродинамика, атомът не би бил устойчив. Според законите на класическата електродинамика, електроните движещи се в орбити около ядрото ще излъчват електромагнитни вълни и следоватено ще губят енергия. Тъй като скоростта на електроните около ядрото ще намалее, привличането на Кулон ще доведе до бързо падане на електроните върху ядрото.

Илюстрация: bgchaos

От гледна точка на квантовата теория, това не се случва, защото има състояние с най-малката възможна стойност на енергията E₀, на електроните в атома. В основното си състояние атомът не може да излъчва, защото ако го направи, ще премине към състояние с по-ниска стойност от E₀, а такова състояние не съществува.

Една много важна характеристика на стабилната физическа система е величината ΔE=E_max-E₀, която характеризира енергията, необходима да се разруши системата като цяло. Забележителна черта на природата е възможността за определяне на най-малко четири класа стабилни системи, които се характеризират с различни по порядък енергии ΔE и размери. Тези класове могат да бъдат тълкувани като различни стъпала на една структурна организация на материята.

Нулево (молекулярно) ниво Нулева или класическа степен, съответства на ΔE ~ 1eV(1eV≈1.6.10-19J) и характеризира атома или молекулата като цяло. Енергията ΔE ~ 1eV е много по-малка от енергията, необходима за да се възбуди атом. Поради това, във всички експерименти, в които се предава на веществото енергия около ~ 1eV, атомите и молекулите се държат като еластични, безструктурни обекти, подобни на билярдни топки, подчиняващи се на законите на Нютоновата механика.

Илюстрация: sabine blecher

Тази енергия не е достатъчна, за прехода на атома от основно във възбудено състояние, а още по-малко не може да доведе до разцепване на атома. Тази степен съответства на класическата физика. На това ниво енергия, химическите вещества, състоящи се от атоми и молекули са стабилни.

Атомно ниво Атомната степен се характеризира с енергиен преход ΔE ~ 1eV и типични размери 10 -8cm. При експерименти с енергии от такъв мащаб, приложени към един атом, той може да премине във възбудено състояние или до разпад на атома на ядро и електрони. При този мащаб на енергия обаче, самите ядра са в стабилно състояние, тъй като енергията за възбуждане на ядрата е ΔE ~ 106eV. Така, при атомното ниво, вътрешните степени на свобода на ядрата не се проявяват и ядрата се държат като безструктурни обекти. Този етап съответства на вижданията за структурата на атомите, установени през първата четвърт на ХХ век и формулирани в планетарния модел на атома, предложен от Ръдърфорд и Нилс Бор.

Илюстрация: MSCD/UCDSociety

Ядрено ниво Ядреното ниво се характеризира с енергиен преход ΔE ~ 1MeV ~ 106eVи типични размери 10 -12cm. При такива мащаби на енергия, в условията на едно ядро, ядрата преминават във възбудено състояние, взаимно се превръщат или разрушават.Това се случва, например, при бомбардиране на ядрата с електрони с енергия ~ 1MeV. Част от енергията на електрона може да се прехвърли на ядрото и в резултат то да се разпадне на протони и неутрони.

Илюстрация: National Geographic News

На този етап ядрото е вече безструктурен обект и често в ядрата се извършва радиоактивен разпад, например протонът в ядрото се превръща в неутрон с излъчване на позитрон и антинеутрино:

                      _{_}
p → n + e⁺+  ν_e

Всички познати явления в ядрената физика може да се обяснят въз основа на протонно-неутрония модел на ядрото. Силите, удържащи протоните и неутроните в ядрото, се наричат ядрени сили.

Субядрено ниво Субядреното ниво се характеризира с енергиен преход ~ 1013eVи типични размери 10 -14cm. При такива енергии, които се постигнат при естествени условия при космическите лъчи или в съвременните ускорители на частици, съставните елементи на ядрата – протоните и неутроните не може да се разглеждат като елементарни частици. Експериментите с високоенергийни снопове електроните, въздействащи на свободни протони и неутрони, убедително доказват съществуването на вътрешна структура у протоните и неутроните – те са изградени от по 3 нови фундаментални частици – кварки.Наблюдавани са множество процеси на раждане и унищожаване на частици, процеси, при които някои частици се превръщат в други.

Ядро на силиций (с кварки). Илюстрация: sciencephoto.com

Какво значение има тази класификация

Като извод –  величината на характерните енергии на преход и пространственият мащаб, ясно очертават четири нива на структурната организация на материята. Вайскопф за първи път забелязва възможността за такава класификация. Съществуването на квантовата стълбица има дълбок физичен смисъл. Степените на свобода, активирани на дадено стъпало не се проявяват на по-ниските нива. Там те остават в своите основни състояния. Ето защо, обект, който има вътрешна структура по отношение на по-високо ниво, с много добро приближение може да се разглежда като безструктурен или дори въобще да не се проявява спрямо по-ниските нива от неговото. По този начин, атомът може с много добро приближение да се смята за безструктурна неделима частица от гледна точка на газовата динамиката, а ядрото – при анализа на атомните спектри и т.н.

Поради тази причина, всяко стъпало на стълбата се характеризира с определен диапазон от явления, които могат да се изследват повече или по-малко независимо едно от друго и да образуват отделен клон от физиката. Нулевото стъпало на стълбата съответства на физиката на макроскопичните явления и химията. Първото стъпало се изучава от атомната физика, второто – от ядрената физика, а третото стъпало – от физиката на елементарните частици.

Нулевото ниво с добро приближение се описва от класическата физика, а следващите три – от квантовата теория. Естествено, да се отнесе конкретно явление към дадено ниво от йерархията може да стане само след изясняване на същността и механизма на явлението. Затова опитите в зората на квантовата механика явленията, свързани с нея да се обяснят със законите на класическата физика неизменно са се проваляли.

“Нива на реалност” – брошура на Infrastructure Cooperation Network supported by the European Commission

Източник:
Физика в двадцатом столетии. КВАНТОВАЯ ЛЕСТНИЦА, Вайскопф В.
Квантовая лестница,  В. Вайскопф
CОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ, Томский государственный университет Заочная ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ШКОЛА
Эволюция энергии вещественной суперсистемы, Рудольф Арав
Универсальный эволюционизм