Вы здесь

О применимости принципа Паули в макромире

Сама попытка вообразить картину элементарных частиц и думать о них визуально значит иметь абсолютно неверное представление о них.

В. Гейзенберг

 

 

Аннотация: в статье рассмотрены вопросы применения в макромире принципа Паули, который можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы, в данном квантовом состоянии, может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом. Автор аргументирует, что принцип Паули в полной мере может быть отнесен ко всей природе.

Ключевые слова: принцип Паули, квантовая механика, информационная защита, универсальные  идентификационные метки

 

Принцип Паули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Принцип был сформулирован для электронов Вольфгангом Паули в 1925 г. в процессе работы над квантомеханической интерпретацией аномального эффекта Зеемана и в дальнейшем распространѐн на все частицы с полуцелым спином [1-2]. Полное обобщѐнное доказательство принципа было сделано им в теореме Паули (теореме о связи спина со статистикой) в 1940 г. в рамках квантовой теории поля. Из этой теоремы следовало, что волновая функция системы фермионов является антисимметричной относительно их перестановок, поведение систем таких частиц описывается статистикой Ферми-Дирака. В 1945 году Паули получает Нобелевскую премию,  которая и была сформулирована так «За принцип запрета Паули». Классические поля, описывающие частицы с целым спином, квантуются по Бозе-Эйнштейну, а классические поля, описывающие частицы с полуцелым спином, квантуются по Ферми-Дираку [3]. Фактически, это означает, что фермионы, то есть частицы с полуцелым спином, антисимметричны, то есть при «перестановке» двух частиц состояние всей системы меняет знак,  а частицы с целым спином (бозоны) – симметричны и при «перестановке» двух частиц состояние всей системы не меняется [4].

Обратим внимание на тот факт, что максимальное число электронов на уровнях и подуровнях атома всегда имеют четное число электронов.

Количество электронов в каждом уровне вычисляется, как известно, по формуле: 2N2

Стремление фермионов образовывать пары не случайно. Возникает «простой» вопрос – электрон – это фермион, а неразрывная пара электронов – это фермион или уже бозон? Судя по тому, что свойство стабильных элементов зависят только от числа пар электронов на уровнях и подуровнях и не зависят от их перестановок этих пар, то пару электронов скорее можно считать бозонами.

Принцип Паули можно сформулировать следующим образом: в пределах одной квантовой системы, в данном квантовом состоянии, может находиться только одна частица, состояние другой должно отличаться хотя бы одним квантовым числом. Принцип Паули помогает объяснить разнообразные физические явления. Следствием принципа является наличие электронных оболочек в структуре атома, из чего, в свою очередь, следует разнообразие химических элементов и их соединений. Количество электронов в отдельном атоме равно количеству протонов. Так как электроны являются фермионами, принцип Паули запрещает им принимать одинаковые квантовые состояния. В итоге, все электроны не могут быть в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией (для невозбуждѐнного атома), а заполняют последовательно квантовые состояния  с наименьшей суммарной энергией (при этом не стоит забывать, что электроны в атоме неразличимы, и нельзя сказать, в каком именно квантовом состоянии находится данный электрон). Примером может служить невозбуждѐнный атом лития (Li), у которого два электрона находятся на 1S орбитали (самой низкой по энергии), при этом  у них отличаются собственные моменты импульса, и третий электрон не может занимать 1S орбиталь, так как будет нарушен запрет Паули. Поэтому, третий электрон занимает 2S орбиталь (следующая, низшая по энергии, орбиталь после 1S). Все это хорошо известно и является классикой.

Зададимся еще несколькими «простыми» вопросами. Можно ли принцип Паули распространить на все элементы макромира?  Какая технология позволяет это сделать? Что происходит в социальной среде при отсутствии такой технологии? Нужна ли вообще технология неповторимости макрообъектов?

Частично на последний вопрос ответил лучший ученик Зигмунда Фрейда. Вспомним предупреждение Карла Юнга: «Не отличая, угодим мы за пределы сущности, за пределы Творения, и низвергнемся в неотличимость, а она есть иное свойство. Мы низвергнемся и перестанем быть Творением, себя обрекая растворению в Ничто. А это смерть Творению. Неотличимость и неотличение являют собой великую опасность для Творения». Понятие неотличимости сегодня эквивалентно понятию отсутствия универсальной системы идентификации.

Предупреждение прозвучало, но было ли оно услышано? Над философом посмеялись и, руководствуясь  вроде  бы  мудрым  на  то  время тезисом «Наука начинается с воспроизводимого экспери- мента», решили, что этот тезис автоматически по- зволяет перенести его и на технологии и начать производство ничем не отличимых друг от друга деталей для последующей сборки более крупных машин. Аналогичным образом поступили и с денежными купюрами, посчитав наличие номеров и серии на бумажных купюрах достаточным для их идентификации. Никто при этом не задумался над грозным предупреждением Карла Юнга о том, что все выпускаемые в мире бумажные купюры не проявляют своей индивидуальности и по своей сути неотличимы. К чему это привело? Или точнее, к чему это может привести? А приводит это к тому, что тезис Карла Юнга начинает подтверждаться, наша цивилизация действительно низвергается в неотличимость и приближается к своей смерти (растворению в Ничто). Полный разрыв между производством материальных благ и выпуском денежных купюр, в демонстративно-показном исполнении за последние годы показала ФРС, фактически разорвав монаду на промыш- ленную и финансовую половинки. Наказание за это неизбежно.

Мало кто задумывается над простыми  фактами – в природе расширенный принцип Паули использовался всегда – невозможно найти две одинаковые песчинки, две одинаковые снежинки (существуют многочисленные альбомы, подтверждающие их индивидуальность), два одинаковых растения и даже два одинаковых листочка. Тем более, не существует и двух одинаковых людей. Наши настойчивые попытки создавать клоны человеческих существ представляют собой определенную опасность. Возможно, что и здесь природа сможет сама себя обезопасить и создать неотличимые друг от друга клоны будет просто невозможно. Клоны могут оказаться очень похожими, но у них всегда будут найдены индивидуальные отличия, подтверждающие тот факт, что принцип Паули может быть распространен на все макрообъекты материального мира [10]. Речь в данном случае идет не столько о природе, сколько об искусственно созданных и неотличимых друг от друга макрообъектах.

Остановимся на технологиях выпуска денежных купюр, которые придадут им свойство отличимости. Другими словами, остановимся на технологиях универсальной идентификации денеж- ных купюр и других банковских документов, которые обладают универсальными метками с квантовым уровнем защиты [5-8]. Это подтверждено научным открытием в области квантовой механики [9]. В основе научного открытия лежит известное несколько сот лет явление искрового разряда. Во всех учебниках и монографиях на эту тему явление описано как стохастическое (неповторяемое). Исследовать проявление стохастичности считалось если и невозможным, то, по крайней мере, технологически бесполезным. Технологи, занимающиеся электроискровыми технологиями, вышли из этой ситуации просто – они не стали изучать начальную стадию формирования поверхности, а сразу принялись за создание многослойных покрытий, обеспечивающих нанесение на изделия  износостойких  твердых  покрытий. Однако внутри этой стохастичности была обнаружено явление образования интерференции, которое, как известно, проявляется только в том случае, когда плазменные сгустки искрового разряда проявляют себя не как частицы, а как волновой процесс [9].

Идентификационные признаки, защищающие бумажные купюры известны в большом количестве. Однако они по своей сути основаны на типографских и других технологиях, которые всегда можно повторить. Первый шаг в нужном направлении сделали банки Швейцарии, применив нанесение на бумажные купюры перфорации. В России, в тех статьях, которые посвящены этой тематике гордо говорится, что именно Россия первая применила эту технологию, а в скобках уточняется мелким болдом – вторая после Швейцарии. Что нового принесли эти технологии в защиту банковских купюр? Помимо типографских методов нанесения номинала купюры, эту же информацию повторили и с помощь перфораций. На всех 1000-х и 5000-х купюрах появились перфорации с таким номиналом. Дало ли это ожидаемый эффект? Нет, не дало, и не могло дать. В конце 2013 года в Москве  практически  во  всех  банковских автоматах, принимающих и выдающих банкноты 5000-го номинала, пришлось приостановить работу. Пришлось затратить более миллиарда рублей на переоборудование банкоматов и усложнение методики проверки банкнот на истинность. Причина простая – на всех купюрах набор перфораций не отличался друг от друга. Другими словами, денежные купюры с повторяющимися перфорациями не придали им свойства индивидуальности и неповторимости. Более значимым можно признать технологию защиты денежных купюр, при которой перфорации наносятся с помощью стохастического (случайного) процесса [6]. Стоит на одном квадратном сантиметре бумажной купюры нанести около100 перфораций таким процессом, и вероятность повтора такого набора  оценивается математиками  в 10-350.

Для сравнения напомним, что число частиц во Вселенной оценивается в 1090. Можно всю планету усеять многокилометровым слоем бумажных купюр и не на одной из них не повторится стохастичная картинка из электроразрядных перфораций. На рис. 1 приведен характерный набор таких перфораций [12].

Рис. 1. Пример набора перфораций, полученных электроразрядным процессом.

1 – невоспроизводимая идентификационная метка, 2 – цифровой кол, 3 – информационная сетка, 4 – электроразрядные перфорации

 

Обратим Ваше внимание на тот факт, что не только набор, но и каждая из сделанных перфораций обладает свойством неповторимости.

 

Рис. 2. Банкнота Российской Федерации с квантовым уровнем защиты:

1 – денежная купюра, 2 – номинал купюры, нанесенный методами полиграфии, 3 – цифровой код купюры, нанесенный методом полиграфии, 4 – номинал купюры, нанесенный с помощью воспроизводимых технологий, 5 – универсальная невоспроизводимая матрица, нанесенная электроразрядным способом

 

Въедливый читатель конечно и здесь увидит лазейку – с помощью 3D-принтера можно повторить и бумажные купюры, и все особенности, в том числе и стохастических перфораций. И на эту потенциальную усмешку въедливого читателя, можно дать достойный ответ. Разработана информационная технология на основе электронно-цифровой подписи [11], позволяющая с помощью криптографии зашифровать стохастический набор перфораций.

До этой разработки [11] электронно-цифровая подпись применялась только для защиты виртуальной информации. Новая разработка позволяет ее применять для защиты любого текста и любого рисунка на материальном объекте. И здесь въедливый читатель будет спорить – любую зашифрованную информацию можно будет со временем расшифровать. Ответ на это  сомнение простой – не существует ни одного случая в банковской сфере, ни одной успешной атаки со стороны злоумышленников на электронно-цифровую подпись. Квантовый уровень технологий и здесь одерживает уверенную победу. Время на расшифровку такой технологии с помощью современных компьютеров превышает срок существования  Вселенной.

Предложенный набор информационных технологий позволяет сегодня приступить к производству принципиально новых банковских банкнот, обладающих свойством неповторимости. Новая мировая валюта будет способна восстановить цивилизационный разрыв между промышленными и банковскими структурами и избежать «растворению в Ничто». Та страна, которая первая применит эту технологию, может перераспределить финансовые потоки мировой экономики в свою пользу».

Проанализируем возможности информационной защиты металлических материальных объектов с помощью универсальных идентификационных меток. Сегодня делается попытка сделать это с помощью цифровых кодов. Попытка безуспешная, все цифровые коды, наносимые как на автоматы Калашникова, на лопатки турбин и на все элементы машин не дают надежных результатов, а лишь имитирует процесс идентификации.

Попытки построить идентификационную систему на основе присвоения каждой детали своей уникальной матрицы (картинки) также не может дать результата. Отсутствие серьезного прогресса в математике, точнее в распознании образов, не позволит за короткое время в многомиллионной базе данных найти нужный образ.

Только сочетание воспроизводимых цифровых кодов и невоспроизводимых матриц дает оптимальный результат по построению системы. По цифровому коду практически мгновенно находится нужный образ, а сравнение его с базовым информационным аналогом сразу дает ответ – перед нами легальный или фальсифицированный материальный объект. Только сочетание двух противоположностей – цифрового воспроизводимого кода и невоспроизводимого образа дает нужный результат [5]. Любое вмешательство злоумышленников путем перебивки номеров или на изменение образа становится очевидным для системы. В основе таких технологий может лежать целый набор стохастических физических процессов, например, электроразрядных [6-9, 12-16], электрохимических [17-18], ультразвуковых [19], спектральных и изотопных [20]. В связи с вышеизложенным, предлагается к рассмотрению следующая научная гипотеза (принцип расширенного толкования запрета Паули):

«Принцип Паули, который ранее считался применимым только к микромиру элементарных частиц, в полной мере может быть отнесен как  ко всей природе, так и к технологиям  универсальной идентификации, позволяющим добиваться неповторимости макрообъектов и приводящим к запрету существования макрообъектов с одинаковой универсальной идентификационной меткой».

Литература

  1. Паули В. "О связи между заполнением групп электронов в атоме и сложной структурой спектров" (Получена 16 января 1925) в книге "Вольфганг Паули Труды по квантовой теории: Квантовая теория. Общие принципы волновой механики. Статьи 1920-1928." М.: Наука, 1975. С. 645 – 660.
  2. Pauli W. Uber den Zusammenhang des Abschlusses der Elektronengruppen in Atom mit der Коmplexstruktur der Spektren, Z. Phys., 1925, 31, 765 – 783.
  3. Паули В. Общие принципы волновой механики. М.-Л.: ГИТТЛ, 1947.
  4. Давыдов А.С. Квантовая механика. Наука, 1973. С. 334.
  5. Шкилев В.Д., Шкилева В.Д. «О единстве хаоса и порядка, о единстве воспроизводимых и невоспроизводимых технологий» 2012, Россия, Издательство Грамота. Журнал «Исторические, философские, политические и юридические науки, Вопросы теории и практики». 2012. №8 (63). С. 174.
  6. Шкилев В.Д. и др. «Электроразрядный способ изготовления бумажных купюр» Патент Российской Федерации №2399496.
  7. Шкилев В.Д. Способ изготовления штрих-кода. Патент Российской Федерации №2408929.
  8. Шкилев В.Д. Способ внесения дополнительной технологической информации в идентификационную метку. Патент Российской Федерации №23978457.
  9. Шкилев В.Д. Мартынюк Н.П., Адамчук А.Н. Научные открытия 2011. Сборник кратких описаний научных открытий. Научное открытие в области квантовой механики. Научное открытие в области интерференции искрового разряда №421. Издание Российской академии естественныx наук, ISNN №978-5-94515- 100-0 Составитель Потоцкий В.В., 2012. С. 46 – 47.
  10. Шкилев В.Д., Адамчук А.Н., Шкилев Д.В. «О свойствах мироздания»: Материалы XXII Международного научного симпозиума. Симферополь, 2013. Раздел «Космическая экология». С. 591 – 616.
  11. Пушняк Ю.А., Шкилев В.Д., Адамчук А.Н. «Криптографически защищенный бумажный документ, способ его маркировки и способ его идентификации. Решение о выдаче патента по заявке РМ №20110042 от 2011.05. 11.
  12. Шкилев В.Д., Адамчук А.Н « Об уникальности набора электроразрядных перфораций» Электронная обработка материалов. Издательство Академии наук Республики Молдова. Журнал «Электронная обработка материалов». 2009.№5. С. 4 – 5.
  13. Шкилев В.Д., Адамчук А.Н., Мартынюк Н.П.Технология защиты документов государственной важности 2009, Издание Российской Академии естественных наук. Вестник РАЕН. 2009. Т. 9. №3. С. 30 – 34.
  14. Шкилев В.Д., Недиогло В.Г., Адамчук А.Н. Электроразрядная идентификация денежных купюр. Академия наук Республики Молдова, Журнал «Электронная обработка материалов». 2010. №3. С. 4 – 8.
  15. Моложен В.А., Шкилев В.Д., Редченко В.А. и др. «Денежная купюра, способ и установка для подтверждения ее истинности». Патент РФ №2496145 с приоритетом от 26 августа 2009 года.
  16. Шкилев В.Д., Адамчук А.Н. Новые информационные технологии при изготовлении бумажных купюр с квантовым уровнем защиты. Издательство Министерства информационного развития Республики Молдова, ICT-2009. 2009. С. 186 – 188.
  17. Шкилев В.Д., Паршутин В.В. и др. Способ электрохимической идентификации материальных ресурсов. Патент Республики Молдова №4045.
  18. Паршутин В.В., Шкилев В.Д. Способ электрохимической обработки поверхности. Патент Республики Молдова №3992.
  19. Шкилев В.Д, и др. Способ ультразвуковой идентификации материальных объектов. Патент Республики Молдова №4023.
  20. Шкилев В.Д., Каранфил В.Г. и др. Евразийский патент №14299. Способ спектральной идентификации материальных объектов.
Яндекс.Метрика