Квантовая магия

6. Исходя из общего характера уравнения (5.12), можно сформулировать и более сильное утверждение: любая физическая сила в природе обусловлена наличием градиента энергии в рассматриваемой системе.

7. Уравнение (5.12) способно стать теоретической основой, позволяющей с единых позиций рассмотреть все многообразие процессов и явлений, изучаемых в различных разделах физики и других естественных науках. Открывается возможность взаимной интеграции многочисленных теорий и получения новых количественных соотношений, связывающих эти процессы.

Например, к понятию электрического заряда можно подойти с точки зрения нарушения равновесного состояния системы. Отрицательный заряд при этом соответствует избытку энергии, а положительный — недостатку. Это позволяет в едином ключе рассматривать электродинамические и механические процессы.

Первые пять следствий сформулированы для объекта, рассматриваемого как единое целое. Однако уравнение (5.12) справедливо для произвольно выделенного объема внутри системы, и на его основе можно описывать движение ее составных частей относительно друг друга.

5.4. Понятие градиента

Рассмотрим чуть более подробно понятие градиента. В общем случае градиент вводится как векторная характеристика скалярного поля — то есть области, каждой точке которой соответствует значение определенного скаляра. Напомню, что энергия — это скалярная величина. Градиент характеризует, насколько быстро меняется скалярная величина в том или ином месте этого поля.

Наглядно это выглядит так: в данном поле проводятся линии уровня, и густота этих линий дает представление о величине градиента энергии. Направление градиента есть направление наиболее быстрого увеличения скалярной величины в данной точке (по нормали к линии уровня).

По определению, градиент скаляра— это вектор, численно равный производной по нормали к поверхности уровня в данной точке скалярного поля и направленный по этой нормали в сторону возрастания скалярной величины.

Можно сказать, что градиент — это скорость изменения физической величины, но изменения не во времени, а в пространственном направлении. В некоторых определениях так и говорится: «…вектор, равный по величине и совпадающий по направлению с максимальной скоростью изменения потенциала относительно координат».

Величина градиента (его численное значение) — это не просто скорость изменения скаляра, а максимальная скорость в этой точке (по нормали). Например, по касательной линии уровня скалярная величина в данной точке совсем не меняется (на линии уровня значение скалярной величины одно и то же). А в разных точках, где больше градиент, быстрее меняется скаляр (линии уровня сгущаются).

В качестве примера можно взять электрическое поле и показать, что такое градиент энергии в этом случае.

Исходить я буду из разности потенциалов. Для начала приведу некоторые определения из книги И. Е. Тамма «Основы теории электричества»[160].

Разность потенциалов между двумя точками электростатического поля равна взятой с обратным знаком работе, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из первой точки во вторую.

∆= ф₂—ф₁ = —А.

В свою очередь, работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда на отрезок ∆s (это вектор), равна:

А = Е∆s,

где — вектор напряженности электрического поля, по определению, это сила, действующая на единичный положительный заряд. Следовательно, сила, действующая на некоторый (уже не единичный) заряде, будет равна: F = .

Из двух предыдущих выражений получаем:

∆= = —Е∆s.

Или, для бесконечно близких точек:

= —Е.

Отсюда, по определению градиента:

Е= —Ñ.

Таким образом, напряженность электростатического поля Е равна градиенту потенциала , взятому с обратным знаком.

Так как градиент потенциала направлен в сторону его возрастания и характеризует скорость этого увеличения, то можно сказать, что напряженность электрического поля есть мера быстроты снижения потенциала, или, проще говоря, она равна спаду потенциала.

Направление напряженности поля совпадает с направлением ортогональных траекторий эквипотенциальных поверхностей. Поэтому эти ортогональные траектории (линии градиента) совпадают с линиями электрических сил, или силовыми линиями.

Теперь, умножив в последней формуле обе части на заряд е и учитывая связь между напряженностью и силой F = , а также между потенциалом и энергией W = , получим, что сила равна градиенту энергии:

F = —ÑW.

Знак минус стоит в этом равенстве потому, что речь здесь идет о внешней силе, действующей на заряд, а не о внутренней, как в выражении (5.12).