时空有序,典型的是能量波矢与空间有序结构相位的周期匹配,以达到谐振。空间有序结构周期单元尺度是谐振波波长的整数倍数,形成吸收对应频率的能量波的另类宏观量子效应。根据上文逻辑,如果这种状态持续,必然包含被吸收能量的有序转移,比如持续对外做功。这是非常有适用价值的宏观量子效应。
3.3 相变理论
相变问题一直是基础科学研究的重点问题之一,110多年来的诺贝尔奖,因与相变问题相关的研究发现而获得诺贝尔物理学奖的近20次,也可说明这一点。从时空结构几何学的角度上理解,自然界繁杂多样的物质存在,都是通过时空拓扑变换而来,“相”变是自然界的普遍现象,相变机制研究的重要性不言而喻;同时,物质相变往往产生一些神奇的物态,如超流、超导等等,自然会引人入胜。
广义上讲,相变是物体的一种物态,转变为另一种物态。物态转化过程形式各异,可以是可逆的,也可以是不可逆的;可以是相对稳定与平静的,也可以是剧烈变化的;可以是瞬间完成的,也可以是长时间过程。根据上节对有序结构的分类,本节所讲的相变,是传统物理学中所指的相变,是成份相对简单的物质,从一种均匀稳定的物态结构到另一种均匀稳定的物态结构的转变,组成物质的微观粒子单元为一种或少数几种,相变不产生微观粒子单元变化;由单一、简单的微观粒子单元组成的物质的物理相变,是可逆的过程,相变过程是确定的。如一般物质的气液相变、单原子物体的固液相变(或固相没有异形体的物质固液相变)、超导超流与常态相变等等。
随着时代的前进,人类对相变问题的认识也在不断进步。传统热力学将相变划分为两类:物体系统的热力学函数(如吉布斯自由能Gibbs free energy、亥姆霍兹自由能Helmholtz free energy)是温度、体积、压力等变量的函数,传统热力学理论认为,在一定条件下,相变过程这些热力学函数是有效的,在相变点,热力学函数本身是连续的,如果它的一阶导数是不连续的,则为一类相变;如果在相变点一阶导数也是连续的,二阶导数(及以上阶导数)不连续,则为二类相变,又称为连续相变。
相变理论很多,如关于气液相变的范德瓦耳斯(Van der Waals)状态方程,关于波色粒子基态凝聚的玻色-爱因斯坦统计理论,有关低温超导超流的朗道(L.D.Landau)唯象理论和电子配对的BCS理论,铁磁相变的伊辛(Ising)模型,威尔逊(Kenneth Wilson)关于临界现象的重整化理论,及多人提出多个不同机理的高温超导理论,等等(注:有些理论我也不是很懂,或没有认真拜读过)。本文无意对现有的相变理论进行评述,只是用时空结构几何与统计学的理论,分析探讨相变问题的本质及最普遍的内在逻辑关系。
3.3.1 相变的时空统计本质逻辑
3.3.1.1 相变过程的外部环境条件
假设系统变化过程在一个封闭容器内,与外界的能量交换形式为吸热或放热、电磁力做功、均匀膨胀或压缩做功等。为了简化,这里只考虑最普遍的情形,即容器在物质相变过程中保持体积不变。系统最小微观粒子单元,为一种原子或分子,或少数几种原子或分子。系统变化过程,总物质量不变,构成粒子及其数量都不变;同时,系统温度均匀变化,每个温度状态,封闭系统内部温度均匀一致,当然可以多态共存。简称为“等体等质均衡变化状态”。
3.3.1.2 相变的时空统计热力学本质机理
根据前文所讲的时空统计理论,系统的任一均匀稳定物态,有确定的内能U与内能密度u及确定的同能同类结构形态集与简并态数MШ,并存在确定的一一对应的正相关关系。(同质异形体有不同的有序结构势能,如果相同环境条件下一种物质不同的同质异形体均存在的话,因为实际内能不同,对应的时空结构态也不相同,相对不稳定的同质异形体是相对稳定的同质异形体的临近亚稳态。)。这种关系可以用普遍简单的数学关系来描述,单粒子的能级ε与简并态数mШ关系为本文式(13),即 mШ= f(ε/β),其中,β= k T,k为玻尔兹曼常数,T为物体温度,是单调递增函数。系统总能态关系则为多粒子的积和关系,系统内能关系为式(12)或(10),系统总态数关系为式(45)或(46)。
简单起见,这里只考虑由单一粒子组成的物体系统。假设系统总粒子数为N,某单一物态j的粒子数体密度为nj,结合式(38),则式(10)变为:
(59)
其中, 为单一物态j的内能密度, 为该物态i单粒子的内能(级), 和 分别是该物态i单粒子的热运动内能和结构势能,它们都是温度T的函数。这里不考虑单粒子自身的内部结构能,由于粒子自身内部结构形态在相变过程中保持不变,其内部结构能部分保持稳定不变,也可以认为已经包含在 之中。以下为了书写方便,在不需要特别注明时,式(59)中的有关项省略j下标记。
系统在均衡状态下,单一物态中的内能密度u(T)不变,但不同粒子的能级在不停地进行时空拓扑变换跃迁(吸放光量子),粒子的时空结构形态集均为同类态;系统的简并态总集由全部粒子同类时空结构形态子集组合叠加构成,为同能同类态简并态,系统简并态集的宏观表征为宏观均衡稳定状态。单一物态的均衡状态,结构稳定,所有粒子在时空统计中地位关系相同,所有单粒子的有序结构势能 (T)相同并稳定;所有单粒子的热运动能级 18/30 首页 上一页 16 17 18 19 20 21 下一页 尾页 |