Квантово-механическое явление природы

ПРИЛИВНАЯ ВОЛНА КАК 

КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ 

ЯВЛЕНИЕ ПРИРОДЫ 

Федеральное государственное бюджетное учреждение 

науки Геологический институт Кольского научного 

центра РАН, Апатиты

Ильченко В.Л.

В «оправдание» темы доклада

•

Принцип соответствия Бора

: всякая новая, 

более общая теория (

квантовая механика

) 

развивается на классической основе 

(

механика Ньютона

), не отвергает ее 

полностью, а включает в себя, указывая 

границы её применимости.

•

Современная геофизика создавалась на  

базе классической физики, «благодаря» 

чему её «возможности» ограничены лишь 

определением свойств макрообъектов и 

описанием «

линейных

» процессов. 

Приливные волны

, во многом похожие на 

«

нелинейные

» объекты –

солитоны

, 

оказывают весьма существенное влияние 

на динамическую эволюцию Земли

.

Наложение «приливной нелинейности» на 

геодинамический процесс приводит к тому, 

что ход развития этого процесса делается  

«

нелинейным

» и 

непредсказуемым

.

Солитоны

(и приливные волны) проявляют 

одновременно свойства и волны и частицы

(

корпускулярно-волновой дуализм – КВД

), 

типичные для элементарных частиц, чью 

природу изучает 

квантовая механика

.

Волны де Бройля и корпускулярно-волновой 

дуализм (КВД)

КВД

: Любая частица с импульсом 

р

создаёт волну, 

чья длина вычисляется по формуле де Бройля: 

λ

де Бр.

= h/p = h/mv

, 

m –

масса,

v

- скорость, 

h

- постоянная Планка.

Связь волны де Бройля с радиусом электронной 

орбиты: 

2πr = nλ

де Бр.

(

n

- количество электронов). 

Волны де Бройля

иногда называют электронными 

волнами, но они 

не являются электромагнитными

; 

т.е.: волна де Бройля = упругое колебание.

Стоячая волна 

и электронная «орбита»

Электронная орбита – это, по 

сути, «замкнутая» (кольцевая) 

система 

стоячих волн

, которая 

сформирована в результате 

взаимодействия осцилляторов 

(

электронов)

, размещённых в её 

узловых точках 

(расстояние 

между электронами равно 

электронной длине волны де 

Бройля

:

λ=2πr/n, n –

количество 

электронов).   

Электроны (отрицательный заряд) взаимно отталкиваются, 

одновременно притягиваясь к ядру атома (положительный 

заряд); возможно, что упругая энергия и динамика стоячей 

волны «помогают» электронам не «падать» на ядро.

Приливная волна - солитон

Относительная стабильность околоземной орбиты и массы источника

энергии (Луна) – главное условие «вечности» и постоянного «размера»

волны лунного прилива – «солитона»

- в земной оболочке.

Солитон – долгоживущая

волна

, проявляющая

свойства частицы

с внешним

источником энергии. Сходство приливов и солитонов: а) пара приливных

волн-

антиподов

на Земле; солитоны: б) Френкеля-Конторовой (Филиппов, 1986); в)

двойной солитон (бризер) Sine-Gordon (

http://ir.on.ufanet.ru /soliton/gallery.htm

).

БРИЗЕР

В качестве формального аналога приливной волны идеально подходит 

двойной солитон (бризер), описываемый уравнением Син-Гордона. 

Луна и бризер образуют 

гравитационный диполь

(по Евзикова, 1994).

Вещество «внутри» бризера пребывает в динамических 

условиях поля 

стоячих волн

(Филиппов, 1986).

Приливно-волновой солитон (бризер), в 

составе гравитационного диполя) мигрирует  

вместе с Луной, оставляя за собой «

след

» -

«возмущённый» фрагмент земной оболочки, 

превращённый приливом в колебательную 

систему с динамикой 

поля стоячих волн

.

Любая колебательная система (

в т.ч. поле 

стоячих волн

), лишённая притока энергии, 

переходит в режим затухания.

Энергия приливной волны 

Затухание звука (стоячей волны) в натянутой струне 

принципиально не отличается от затухания стоячей 

волны в породах земной оболочки

Звучание струны: колебание в 

зоне пучности 

стоячей волны –

с неподвижными 

узлами

на 

концах (длина волны 

L 

равна 

длине струны:

λ=L

). 

По мере затухания, в середине 

струны возникает узел, делящий 

эту волну на 2 половины (моды) 

и т.д. по закону: 

λ

n

=λ/2

n

, где 

λ

–

длина струны, 

n

- № моды (n

=0,1… целые числа), 

λ

n

– длина 

n-й моды; 

из пучностей часть 

напряжений «отжимается» к 

узловым точкам

.

Модель тектонического расслоения земной коры 

Печенгского блока как колебательной системы

Колебательную систему блока земной коры активизирует 

импульс лунной массы (прилив); колебание затухает по 

закону затухания звука в натянутой струне - с разделением 

пространства узлами (

концентраторы избыточно 

высоких напряжений

) на моды; длину мод вычисляют по 

формуле: 

М

n

=M/2

n

, 

М

n

– длина, 

n

- № моды.

Параметры тектонического расслоения модели вычислены 

из мощности земной коры Печенгского блока (ЗКПБ) М0 = 

42±2 км - расстояние между отражающими поверхностями 

(подошвой и кровлей) (таб.1).

Модель тектонического расслоения земной коры Печенгского блока в ритме 

затухающей колебательной системы (интервал 0-12 км) и динамический 

разрез Кольской сверхглубокой (СГ-3): 1 – диаметр скважины D (размер 

породных вывалов), 2 – модельные границы. 

Частота совпадения модельных 

границ с реальными (тектоническими) ≈ 74%. 

Проверка механизма расслоения с его 

применением «в обратную сторону» 

Номер измеренной по результатам ГИС моды М

к

(n=к) определяют сравнением 

результатов измерения с модельными данными в столбцах таблицы.

Механизм тектонического расслоения

М

n

=M/2

n

предполагает возможность для 

расчёта мощности колебательной системы (глубины залегания границы 

М

) и 

мощность элементов расслоения из длин «конечных» мод (

М

к

) - в «обратном 

порядке», по формуле 

M=M

n

∙2

n

(

M

n

=М

к

); значение 

М

к

измеряют на графиках 

ГИС (профилеметрия и др.): расстояние между соседними переломными 

(узловыми) точками кривой, полученной в однородных по минеральному (и т.п.) 

составу интервалах пород. 

Уральская сверхглубокая скважина (СГ-4)

•

Уральская сверхглубокая скважина

. Строение и эволюция Урала изучены 

комплексными работами проекта EUROPROBE с проведением сейсмических 

экспериментов (UWARS, ESRU и URSEIS-95) и по проекту URALIDES. По результатам 

этих работ граница «М» в устье СГ-4 находится на глубине 

Н≈46-47 км

.

•

Геологическое строение земной коры вдоль профиля через СГ-4 (с упрощениями): 1 –

архейские и раннепротерозойские породы ВЕП; 2 – корово-мантийная переходная 

зона; 3 –палеозойские метаморфические комплексы; 4 – палеозойские гранито-гнейсы 

и гранулит-базиты; 5 – верхняя мантия; 6 – зоны коровых тектонитов; 7 – граница «М» 

(Строение…, 2006), 8 – проекция СГ-4 на границу «М».  

Расслоение разреза СГ-4: а) вариации динамических проявлений в породах по

разрезу СГ-4 (кр. ГИС: пористость (К

п

), трещиноватость (В), прочность (σ

сж

)

(Рабинович и др., 2006); б) модель расслоения, в) моды в расчёте от целых

значений мощности земной коры для определения номера

М

к

(жирная клетка);

расчёт по конечной моде -

М

к

, по формуле

M=M

n

∙2

n

; глубина

М0

=46.7 км.

Сейсмологические границы

Оболочка Земли имеет дискретное 

(блочно-глыбовое, слоистое) 

строение; элементы расслоения 

разделяют сейсмические границы, 

расположенные на разной глубине. 

Геофизики различают глобальные 

(

100, 410, 520, 670, 2900 км

) и 

промежуточные (

60, 80, 220, 330, 

710, 900, 1050, 2640 км

) границы. 

Кроме того, продолжают находить 

всё новые границы (

800, 1200-1300, 

1700, 1900-2000 км 

и др.), т.е. их 

список пополняется. 

Модели строения Земли: а – традиционная; б - новая, основанная на анализе 

сейсмических границ и сейсмотомографии [Пущаровский, Пущаровский, 1998].

Рельеф границы Мохо и вариации плотности 

вещества земной коры

Вариации рельефа эквипотенциальной поверхности вызывает контраст

пространственных вариаций плотности вещества: а) пород в составе

базального слоя; б) пород осадочного чехла (

Epuh, 2012

).

В этом случае глубина границы Мохо - под каждой точкой на земной

поверхности - определяет средняя плотность вещества в вертикальном

«радиусе», проведённом из точки на поверхности Земли к её центру.

Глубина приливного воздействия 

(принцип ЭГМ)

Если известные сейсмологические границы (глобальные,

промежуточные и прочие) – тоже результат тектонического

расслоения в ритме затухающей колебательной системы,

которую возбуждает лунный прилив, а вариации коровой

мощности обусловлены вариациями плотности пород, мы

можем определить глубину приливного воздействия.

Принцип эквивалентности гравитирующих масс (ЭГМ):

гравитационное взаимодействие планет вызывает в

них «возмущения» - приливные волны, причём масса

вещества в области возмущения эквивалентна массе

источника возмущения;

размер (объём, радиус) такой

приливной области будет зависеть только от средней

плотности вещества в её составе.

По принципу ЭГМ, масса вещества в паре волн-антиподов 

лунного прилива в оболочке Земли эквивалентна или равна 

массе Луны: 

М

Л

=7.35·10

22

кг. 

Масса (

m=Vρ

) зависит от объёма (

V

) и плотности (

ρ

), объём 

планеты (шара):

V=4πr

3

/3

(

r

– радиус). 

Тогда радиус волны твёрдого прилива в земной оболочке: 

R

ЛПВ

=(3M

Л

/4πρ

КМОЗ

)

1/3

≈

1.58·10

3

км 

≈

1600 км

(

M

Л

– масса 

Луны, 

π

=3.14, 

ρ

КМОЗ

≈4.5 г/см

3 

- средняя плотность корово-

мантийной оболочки Земли).

Вечная работа приливов вызывает обособлению в земной 

оболочке 

Главной Колебательной Системы

(

ГКС

)  –– с 

ритмичным тектоническим расслоением и переменной 

латеральной мощностью из-за пространственных вариаций 

плотности пород (средняя мощность ГКС: М

гкс

=1600 км).

Глубина приливного воздействия

Измерение «квантовых» объектов

Объекты «квантового мира» имеют 

крайне малые 

размеры

, что сильно затрудняет их изучение.

Развитие квантовой теории было бы невозможно 

без сложных лабораторных экспериментов по 

взаимодействию частиц на высоких скоростях (в 

экстремальных условиях).

Парадокс гравитации - сильное дальнодействие и 

слабое взаимодействие - затрудняет постановку 

экспериментов; почти все знания о гравитации 

получены из астрономических наблюдений.

Макроскопические квантовые эффекты на Земле 

– редкость, но -

приливная волна

- один их них.

Современные познания о гравитации на 

различных пространственных масштабах

Реалистичной теории квантовой гравитации пока не существует...

О «квантовых истоках» гравитации

•

Если Луна - это гигантское скопление атомов, то 

её гравитационная энергия – «суммарный квант 

действия группы лунных атомов», чья групповая 

скорость равна орбитальной 

скорости Луны

. 

•

Глубина приливного воздействия 

М0≈1600 км

; 

«высота» волны твёрдого прилива: 

Δh≈0.5м

; что 

подводит к «

измерению

» на квантовом уровне.

•

Итак: приливная упругая деформация радиуса: 

ΔR

п

=Δh/М0=0.5 м /1600000 м = 3.125∙10

-7

, то есть, 

гравитация Луны удлиняет каждый метр в радиусе 

прилива на 3.125∙10

-7 

м (это в ≈ 6000 раз больше 

радиуса 1-й боровской орбиты атома водорода:    

а

0 

≈ 0.529∙10

-10 

м – в невозмущённом состоянии).

По-видимому, «уход» 

источника энергии 

возбуждения (в случае 

приливной волны) 

должен вызвать с 

«диссипацию» 

приливной энергии и 

обратную перестройку 

«электронных облаков» 

с их возвращением к 

исходной 

«сферической» форме.

Форма электронных «облаков» в различных возбуждённых 

состояниях атомов зависит от количества (квантов) 

потреблённой ими энергии.

•

Почти все атомы земной оболочки (исключая 

благородные газы) пребывают в ионном виде, 

причём известно, что «

средний радиус иона» 

не более r ≈ 10

-10

м

(как правило – в 2-3 раза 

меньше, чем радиус одноимённого атома). 

•

При среднем радиусе атома 

r ≈ 10

-10

м

, лунная 

масса создаёт на Земле волну приливного  

«возмущения» - совокупную реакцию каждого 

атома приливной области в форме «упругой 

деформации» его электронного «облака»:

D

r

≈

3.125∙10

-17

м

: «квантовый» размер деформации 

– указание на «квантовую» природу явления. 

•

Остаётся невыясненным влияние гравитации 

на состояние электронных оболочек атома.

Удлинение радиуса 

приливной волны –

результат перехода 

атомного «облака»  в 

возбуждённое 

состояние (смена  

формы его орбиты 

от сферической к 

эллиптической). 

Для «квантовых 

скачков» типичен 

«

фотоэффект

», не 

характерный для  

приливных волн. 

Влияние энергетического воздействия на форму и 

размер электронной оболочки («облака»)

О «квантовании» гравитации

Квант излучаемой (поглощаемой) энергии: 

E=hγ

(

h

– постоянная Планка, 

γ 

– частота колебаний).

Орбитальный момент электрона: 

mvr=nh/2π=const

.

Гравитационное «растяжение» радиуса удлиняет 

орбиту электрона и волну де Бройля –

λ

, снижает 

его скорость -

v

, частоту 

γ= v/λ

и энергию «кванта 

действия»: 

E=hγ

. 

Гравитационное снижение энергии электрона (

v, γ,

E

) исключает орбитальные «квантовые скачки» 

(и объясняет отсутствие «фотоэффекта»).

Тезис о «квантовании» гравитационной энергии -

без «квантовых скачков» - как бы теряет смысл.

Заключение

•

Приливная волна на Земле = макроскопическое 

квантовое явление 

Δh≈0.5м 

- суммарный отклик на 

лунную гравитацию всех атомов в составе области 

приливного возмущения с «упругой деформацией» 

их электронных оболочек: D

r

≈ 3.125∙10

-17

м.

•

Ненаблюдаемость «квантового фотоэффекта» в  

приливной волне связана с низкой частотой кванта 

гравитационной энергии, которая способна лишь 

вызвать упругое растяжение электронной орбиты. 

Это растяжение запускает колебательную систему 

(механизм тектонического расслоения), затухание 

которой приводит к тектоническому «квантованию» 

геопространства (корово-мантийной оболочки)

Спасибо за внимание