Дискуссии - Наука

В.А. Шашлов

Рассмотрен физический смысл и практические приложения 2-х родственных физических явлений: «пара спинов» и «пара вращений».

Цель работы

Работа преследует 2 основные цели:

1. описать известный классический эффект «пара вращений» и его квантово-механический аналог – эффект «пара спинов»,

2. описать практические применения данных эффектов для создания нового класса квантовых компьютеров и нового способа передвижения в пространстве.

Содержание работы

Работа включает в себя 3 части:

в первой части изложена суть эффектов «пара вращений» и «пара спинов»,

во второй части описаны проявления эффекта «пара спинов» в микромире,

в третьей части рассмотрено применение эффекта «пара вращений» для создания новых классов летательных аппаратов, надводных и подводных кораблей.

I. Суть эффектов «пара вращений» и «пара спинов»

Суть эффектов «пара вращений» и «пара спинов» предельно проста. Пусть имеется материальный объект, к которому приложены 2 одинаковых по абсолютной величине и противоположно направленных вращательных момента, будь то механической или спиновой природы. Точки А, В, к которым приложены моменты, разделены ненулевым расстоянием d = (АВ) – это «плечо» пары, и, кроме того, действуя по-отдельности, вращательные моменты придают объекту близкие по абсолютной величине угловые скорости (ω₁, ω₂): |ω₁| ~ |ω₂| ~ ω.

Примечание. Последнее условие автоматически выполняется, если вращательные моменты приложены симметрично относительно центра инерции объекта.

Перечисленные условия являются необходимыми и достаточными, чтобы реализовались эффекты «пары вращений» или «пары спинов». Результатом данных эффектов будет вращение объекта с угловой скоростью (ω₁ - ω₂) вокруг мгновенной оси вращения, которая параллельна исходным осям и расположена на продолжении отрезка АВ на значительном расстоянии от этого отрезка. При условии (ω₁ - ω₂) << ω, величина этого расстояния (R) прямо пропорциональна величине «плеча» (d) и угловой скорости (ω), а также обратно пропорциональна разности угловых скоростей (ω₁ - ω₂).

Простые расчеты [1] показывают, что коэффициент пропорциональности равен 1, т.е. искомое расстояние равно R ~ d*ω/(ω₁ - ω₂).

Примечание. Данная формула является количественным выражением утверждения, приведенного во многих руководствах по теоретической механике, что при сложении антипараллельных вращений, приложенных к крайним точкам отрезка, «результирующая ось вращения делит отрезок внешним образом обратно пропорционально угловым скоростям этих вращений».

В эффектах «пара вращений» и «пара спинов» энергия, затрачиваемая на создание 2-х противоположных вращательных моментов, которые стремятся привести объект во вращение вокруг 2-х осей с высокой угловой скоростью, преобразуется в энергию вращения с более низким значением угловой скорости, которое совершается вокруг удаленной оси вращения по окружности большого радиуса.

Примечание. Каждое из вращений создает для другого вращения тормозящий вращательный момент (М), на преодоление которого затрачивается энергия Е ~ М*ωt, здесь t – время работы двигателя, создающего данные вращения.

При достижении точного равенства ω₁ = ω₂, результирующая ось вращения «уходит» на бесконечность. Вращение вокруг бесконечно удаленной оси равносильно прямолинейному движению: в этом случае, энергия 2-х вращений преобразуется в поступательное движение. Обычно, только данный случай рассматривается как эффект «пара вращений», хотя, как видно из вышеизложенного, этот эффект – частный (предельный) случай сложения антипараллельных вращений.

На практике, точное равенство физических величин никогда не достигается, поэтому ось вращения всегда остается в конечной области, хотя расстояние до нее может превышать «плечо» на много порядков (за счет множителя ω/(ω₁ - ω₂) >> 1). В этом случае, результирующее движение выглядит, как «квази-прямолинейное», хотя в действительности, это вращение по окружности радиуса R.

II. «Пара спинов» – фундаментальный закон микромира

Уже почти целый век известен принцип Паули, согласно которому частицы материи, собираясь вместе, стремятся расположиться таким образом, чтобы их спины были противоположны. Это означает, что для каждой пары таких спинов выполнены 2 условия реализации эффекта «пара спинов»:

а) имеется пара одинаковых вращательных моментов,

б) эти моменты ориентированы в противоположных направлениях.

Осталось выполнить еще 2 условия: моменты должны быть приложены к одному объекту и разнесены в пространстве, чтобы между ними имелось ненулевое «плечо». Физическое сообщество в течение почти целого столетия не допускало такой возможности, полагая, вслед за Паули, что противоположные спины величиной 1/2 всегда компенсируют друг друга. Однако, такая компенсация имеет место только в том случае, если спиновые моменты количества движения располагаются вдоль одной прямой.

Расположение спинов вдоль одной прямой является весьма специфическим (частным) случаем: в общем случае спины располагаются вдоль не совпадающих прямых. Соответственно, должен иметь место эффект «пара спинов». Поскольку противоположно направленные спины имеются в каждой молекуле, атоме и даже в каждом нуклоне, то эффект «пара спинов» должен быть чрезвычайно распространенным, являясь одним из фундаментальных законов микромира.

Особенно наглядно существование эффекта «пара спинов» проявляется в нуклонах. Каждый нуклон включает в себя 3 кварка, которые в каждый момент времени образуют треугольник АВС: в вершине А расположен непарный кварк, а в вершинах В и С – одноименные кварки. Согласно принципу Паули, одноименные кварки должны иметь противоположные спины, однако эти спины не направлены вдоль соединяющей их прямой, поскольку выделенное направление определяется направлением спина непарного кварка, а этот спин направлен перпендикулярно плоскости (АВС), поскольку именно при таком расположении оси вращения, нуклон будет иметь максимальное значение момента инерции и вращение нуклона будет устойчивым (он не будет «кувыркаться»).

Это означает, что спины одноименных кварков также ориентированы перпендикулярно плоскости треугольника, вследствие чего между ними имеется «плечо», равное длине стороны ВС, соединяющей эти 2 кварка: в нуклонах выполнены все условия для реализации эффекта «пара спинов».

Учет эффекта «пара спинов» для одноименных кварков нуклона позволяет вычислить величину аномальных магнитных моментов нуклонов: если бы эффект «пара спинов» в нуклонах отсутствовал, магнитные моменты нуклонов были бы примерно в 2 раза меньше экспериментальных величин [2].

Рассмотрим еще один объект, в котором эффект «пара спинов» может приводить к важным физическим следствиям: тонкое колечко возможно меньшего радиуса, состоящее из атомов или молекул, обладающих значительными дипольными магнитными или электрическими моментами, причем эти моменты располагаются регулярно: каждая пара соседних моментов расположены противоположно друг другу. Другими словами, данное колечко выполнено из антисегнетоэлектрического или антиферромагнитного материала.

В случае антисегнетоэлектриков «пары спинов» могут создавать спины электронов, входящих в состав атомов, расположенных на концах электрических диполей, а случае антиферромагнетиков – объединенные в пары магнитные диполи.

Величины спиновых моментов одинаковы, однако в рассматриваемых структурах они располагаются несимметрично относительно центра инерции молекулы (или пары жестко связанных молекул). Это означает, что моменты инерции данной молекулы (или пары молекул) относительно осей вращательных моментов будут отличаться друг от друга, и, следовательно, угловые скорости, которые придают эти (одинаковые) вращательные моменты, также будут различными. Разницу моментов инерции можно сделать такой (это достигается строением молекул), чтобы разность угловых скоростей попадала в интервал (6*10¹² - 6*10¹³) рад/сек. Данные вращения будут передавать энергию колебательным модам, имеющим частоту (1/2π)*(6*10¹² - 6*10¹³) ~ (10¹² - 10¹³) гц.

Это означает, что эффект «пара спинов» способен выполнять функцию накачки, возбуждая колебания указанного диапазона. При достаточно большой интенсивности накачки, хаотические колебания будут преобразовываться в когерентные, т.е. будут образовываться когерентные колебания гиперзвукового диапазона.

Примечание 1. Поскольку эффект «пара спинов» реализуется на каждой молекуле в составе колечка, накачка действительно может превышать пороговую величину.

Примечание 2. Основным препятствием для реализации лазерного эффекта служат хаотические (тепловые) фононы указанного диапазона, которые стремятся разрушить когерентные колебания, однако когерентные колебания образуются в результате фазирования хаотических колебаний, и в колечке практически не остается тепловых фононов, которые могли бы разрушить когерентное состояние.

Кроме накачки, реализация лазерного эффекта требует также наличия обратной связи. Для этого толщину колечка необходимо выбрать такой, чтобы колебания указанной частоты распространялись в колечке в волноводном режиме. Совершив полный оборот, волны накладываются, образуя резонансные моды. В зависимости от соотношения между длиной колечка и длиной волны, это будут либо бегущие, либо стоячие моды.

Колечки субмикронных размеров, в которых возбуждаются когерентные бегущие и стоячие моды, могут выполнять кубитов, на основе которых могут быть построены квантовые компьютеры нового типа [3,4].

Данные кольцевые кубиты реализуются в цилиндрических слоях миелиновых оболочек нейронов, и информационная система мозга (сознание человека) может работать как совокупность чрезвычайно большого числа кольцевых квантовых компьютеров [3,4].

III. Летательные аппараты на «паре вращений»

«Пара вращений» является ключевым эффектом, на основе которого может быть создан принципиально новый тип двигателя, использование которого позволит летательным аппаратам достигать максимально больших скоростей в атмосфере, океане и в космическом пространстве.

В общих чертах, конструкция такого двигателя и летательного аппарата описана в работах [5,6]. Здесь будут приведены уточняющие моменты, способные убедить в реальности подобного летательного аппарата самого последнего скептика.

Для того чтобы заставить летательный аппарат совершать полет с использованием эффекта «пара вращений», необходимо решить 2 главные проблемы:

1) придать аппарату требуемые вращательные моменты в течение возможно более короткого отрезка времени, чтобы на стадии разгона мгновенная ось вращения не успела сильно изменить свое положение,

2) возможность изменять положение в пространстве отрезка АВ, соединяющего центры приложения моментов, поскольку в каждый момент времени направление полета перпендикулярно данному отрезку.

Выполнение данных условий позволит аппарату реализовать любую заданную траекторию. Вращая отрезок АВ, можно сохранять направление движения, несмотря на изменение положения мгновенной оси вращения. Вместе с тем, траектория движения будет рассчитываться с учетом изменения положения мгновенной оси вращения.

Именно для решения первой задачи в летательном аппарате предусмотрены 2 маховика, быстрое (и синхронное) торможение которых будет придавать аппарату начальный момент импульса, позволяющий аппарату двигаться по окружности радиуса R.

Маховики раскручиваются до угловых скоростей, которые на порядок превышают угловые скорости |ω₁| ~ |ω₂| ~ ω. Поскольку масса каждого маховика на порядок меньше массы аппарата, то при быстрой (и одновременной) остановке маховиков, вследствие закона сохранения момента импульса, на аппарат будут действовать 2 вращательных момента, каждый из которых будет стремиться привести аппарат во вращение с угловой скоростью в 10 раз меньше угловой скорости маховиков. Данные вращения и составят «пару вращений» {ω₁ ^ ω₂}, которая будет проводить аппарат в движение.

Для решения второй задачи потребуется дополнительный двигатель, вращательный момент которого будет приложен к середине отрезка АВ, и который будет способен вращать аппарат вокруг любого пространственного направления, что позволит постоянно держать отрезок АВ перпендикулярно выбранному направлению движения.

Конечно, управление всеми этими параметрами представляет весьма нелегкую задачу: траектория полета будет состоять из множества криволинейных участков, однако современные компьютеры вполне способны рассчитать такую траекторию. Для реализации такой траектории потребуется обеспечить высокую синхронность работы всех двигателей, однако, это тоже чисто техническая задача, которая будет решена при испытаниях прототипа данного аппарата.

Чтобы завершить теоретическое обоснование возможности создания летательных аппаратов на основе эффекта «пара вращений», осталось убедиться, что данные аппараты могут быть реализованы с энергетической точки зрения.

Требуемая для полета энергия определяется двумя главными величинами:

1. мощностью, которая требуется, чтобы аппарат преодолевал силу тяжести, поднимаясь вверх с заданной скоростью,

2. тормозящим вращательным моментом, который создают друг для друга вращения, из которых состоит «пара вращений».

Мощность была вычислена в работе [6]: при скорости v ~ 100 м/сек, направленной вертикально вверх (против силы тяжести Р ~ mg, m ~ 1000 кг – масса летательного аппарата, g ~ 9,8 м/сек² – ускорение свободного падения), требуется мощность N ~ Р*v ~ (10³ кг)*(9,8 м/сек²)*(10² м/сек) ~ 10⁶ вт. Полагая КПД двигателя 0,5, получаем, что для реализации такой мощности, запаса горючего в виде 75 литров бензина (что эквивалентно энергии W ~ 6,5*10⁸ дж) хватит на то, чтобы аппарат мог подниматься вверх в течение t ~ 0,5*W/N ~ 300 сек, т.е. в течение 5 минут.

Величину тормозящего вращательного момента оценим как произведение момента инерции (I) аппарата вокруг каждой из 2-х осей «пары» на угловое ускорение (ε): М ~ I*ε. В свою очередь, угловое ускорение ε ~ (Δω/Δt), здесь Δω – изменение угловой скорости, Δt – интервал времени, в течение которого происходит это изменение.

В нашем случае, вращательные моменты тормозят друг друга весьма эффективно: если бы вращения не поддерживались крутящими моментами, создаваемыми двигателем, угловая скорость изменялась бы от ω до нуля (Δω ~ (ω - 0) ~ ω) за время, равное десяти периодам: Δt ~ 10*Т ~ 10*(2π/ω).

Оценка величины Δt получена исходя из того, что более 90% массы аппарата расположено между точками А и В. Эту часть аппарата оба вращательных момента вращают в одном направлении и это вращение не создает препятствия для вращательных моментов: торможение создается за счет вращения тех частей аппарата, которые находятся вне отрезка (АВ), а масса этих частей составляет менее 10% массы аппарата.

Примечание 1. Вероятно, именно в этом заключалась одна из главных причин, которая не позволила экспериментаторам обнаружить поступательное движение под действием «пары вращений»: они располагали моторчики слишком близко к центру диска, и моторчики просто «захлебывались», не имея достаточной мощности, чтобы преодолеть инерцию вращения в противоположном направлении внешних слоев диска.

Примечание 2. Именно благодаря преодолению тормозящего момента, создаваемого внешними слоями аппарата, аппарат будет осуществлять безопорное движение: именно эти моменты являются «опорой» для движения аппарата.

Таким образом, тормозящий вращательный момент имеет величину М ~ I*ω²/20π.

Величину угловой скорости, с которой двигатель должен будет вращать аппарат в противоположных направлениях, найдем из формулы для момента «пары вращения»: v ~ [d ω], откуда для v ~ 100 м/сек и d ~ 3 м, получаем ω ~ v/d ~30 рад/сек.

Величина момента инерции вычислена в [6]: I ~ (3/2)mr², здесь m ~ 1000 кг, r ~ d/2 ~ 1,5 м – радиус летательного аппарата. Соответственно, тормозящий момент равен М ~ (3/2)*(10³ кг)*(2,25 м²)*(30² рад²/сек²)/20π ~ 0,5*10⁵ н*м.

Как было указано выше, энергия, которая требуется для противодействия данному тормозящему моменту вращения, имеет величину Е ~ М*ωt`, здесь t` – время, в течение которого будет осуществляться торможение. Положив это время равным времени полета t` ~ t ~ 300 сек, получаем Е ~ (0,5*10⁵ н*м)*(30 рад/сек)*(300 сек) ~ 4,5*10⁸ дж.

Таким образом, энергия, затрачиваемая на взаимное торможение вращательными моментами друг друга, имеет такой же порядок величины, как и энергия, требуемая для подъема аппарата в течение этого же времени в поле тяготения Земли.

Это означает, что залив в топливные баки еще 75 литров горючего (общий объем баков составит 150 литров), аппарат сможет в течение 300 секунд подниматься над поверхностью Земли. Поскольку подъем будет происходить со средней скоростью 100 м/сек, за это время аппарат поднимется на 30 км, т.е. в среднюю часть стратосферы.

За счет увеличения габаритов аппарата и увеличения угловой скорости «пары вращений» (оба эти параметра могут быть увеличены примерно на порядок), станет возможным подъем за линию Кармана (100 км над уровнем моря), т.е. выход в космос.

Приведенные оценки не являются окончательными. Однако уточнение расчетов не повлияет на главный вывод, что летательные аппараты на основе эффекта «пара вращений» являются весьма перспективными и заслуживают того, чтобы изготовить прототип и запатентовать это изобретение. Автор все еще надеется собрать достаточные средства, чтобы реализовать данную идею. Банковские реквизиты указаны в работе [6].

Учитывая утверждение наиболее грамотных экономистов, что все «серьезные люди давно ушли в валюту», а также возможность того, что к безопорному летательному аппарату проявят интерес зарубежные инвесторы (исторический и личный опыт автора подсказывает, что «в России это никому не нужно»), сообщаю валютные реквизиты:

Получатель: SHASHLOV VLADIMIR ALEXANDROVICH

Счет получателя: 40817810542190248355

Наименование банка получателя и адрес: SBERBANK (VOLGO-VYATSRY HEAD OFFICE) NYZHNIY NOVGOROD RUSSIAN FEDERATIOV

SWIFT-код: SABRRUMMNA1

Заключение

В данной работе автор пытается привлечь внимание к эффектам «пара вращений» и «пара спинов» с целью их широкого практического применения.

Эффекты «пара вращений» и «пара спинов» возникают, когда к объекту приложены 2 противоположных вращательных момента, между осями которых имеется ненулевое расстояние. Эти эффекты позволяют преобразовывать энергию вращательного и спинового движения в энергию поступательного и колебательного движений.

В эффекте «пара спинов» происходит преобразование энергии кручения вещественных проективных прямых (это кручение и порождает спин материальных частиц [7]) в обычные виды энергии микрочастиц. В уравнения современной теоретической физики энергия кручения проективных прямых не входит, поэтому кажется, что дополнительная энергия берется «из ничего». В действительности, никакого нарушения закона сохранения энергии не происходит: нужно лишь учесть бесконечный резервуар энергии, каковым является внешнее проективное пространство: с учетом энергии внешнего пространства, закон сохранения энергии выполняется.

Благодаря эффекту «пара спинов», часть энергии кручения проективных прямых преобразуется в энергию колебательного движения во всем диапазоне от 0 до 10¹⁴ гц. Вблизи нулевой частоты данная энергия проявляется в виде фликкер-шума [1], а на частотах (10¹¹ - 10¹⁴) гц эта энергия может выполнять функцию накачки, обеспечивающей синхронизацию тепловых колебаний данных частот в объектах субмикронных размеров, выполняющих функцию резонаторов для данных частот.

В результате, в этих объектах происходит генерация когерентных колебаний указанных частот. Наиболее эффективно накачка происходит в тонких кольцевых пленках, подобным кольцевым слоям в миелиновых оболочках нейронов.

На основании этого можно сделать вывод, что в миелиновых оболочках в диапазоне (10¹¹ - 10¹⁴) гц генерируются когерентные гиперзвуковые колебания, которые служат материальным носителем сознания, и что мозг работает как совокупность большого числа гиперзвуковых квантовых компьютеров [3,4].

Использование эффекта «пара вращений» позволяет создать новый класс летательных аппаратов способных совершать движение как в атмосфере, так и в океане. Данные аппараты будут весьма эффективны для освоения космического пространства.

Выводы

1. Эффекты «пара вращений» и «пара спинов» возникают, когда к объекту приложены 2 одинаковых по абсолютной величине и противоположно направленных механических или спиновых моментов количества движения, между которыми имеется ненулевое плечо.

2. Эффект «пара спинов» играет чрезвычайно важную роль в устройстве Мироздания, обеспечивая поступление энергии в материальный мир из Субстанции в форме внешнего проективного пространства.

3. Именно благодаря эффекту «пара спинов» в миелиновой сети мозга генерируются когерентные гиперзвуковые колебания, из которых формируются кубиты, на основе которых работает сознание.

4. Использование эффекта «пара спинов» позволит создать квантовые компьютеры, которые будут работать на тех же самых принципах, на которых работает человеческое сознание.

5. Эффект «пара спинов» реализуется для одноименных кварков в нуклонах: благодаря этому эффекту, нуклоны приобретают дополнительную магнитную энергию, которая вносит вклад в величину магнитных моментов нуклонов.

6. Эффект «пара вращений» может быть использован для создания нового класса летательных аппаратов, которые могут подниматься в космическое пространство, а также служить надводными кораблями и подводными лодками.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Принцип безопорного движения и природа фликкер-шума // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26057, 29.01.2020

2. В.А. Шашлов, Магнитные моменты и массы нуклонов // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25855, 06.11.2019

3. В.А. Шашлов, Новый класс квантовых компьютеров // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26028, 18.01.2020

4. В.А. Шашлов, Новый класс квантовых компьютеров (II). Трудная проблема сознания // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26494, 21.06.2020

5. В.А. Шашлов, Новый класс летательных аппаратов // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26102, 13.02.2020

6. В.А. Шашлов, Новый класс летательных аппаратов (II) // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26452, 06.06.2020

7. В.А. Шашлов, Что такое спин? Откуда берутся кванты? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26511, 27.06.2020

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]