Теория элементарных частиц как развитие электродинамики Максвелла

© Верин О.Г.

Контакт с автором: [e-mail]

Тайна природы (строения) элементарных частиц оставалась “за семью печатями” почти столетие не только из-за сложности самого предмета исследований, но, главным образом, вследствие негласного запрета, который был фактически наложен официальной наукой даже на саму возможность свободно обсуждать эту проблематику.

Действительно, как можно было обсуждать структуру частиц, если официально признанная теория – “Стандартная Модель” основана на точечном представлении об элементарных частицах. Да и вероятностный характер их движения, очевидно, не располагал к обсуждению внутренней структуры этих странных “фантомов”.

Теперь, когда положение “Стандартной Модели” уже не представляется столь незыблемым, вопрос о возможной структуре частиц снова становится предметом обсуждения.

________________________________________________________________________

Опубликованные в электронном виде книги [1 – 3] написаны мною уже относительно давно (напечатаны в 2002 – 2006 гг.), однако рассмотренные в них проблемы приобретают со временем все большую актуальность. Острота дискуссий о природе элементарных частиц, “странностях” микромира, о свойствах “физического вакуума”, о путях дальнейшего развития физики, а, главное, - об энергетических проблемах лишь набирает силу.

Идеи, положенные в основу этих книг, обдумывались и разрабатывались более полутора десятков лет и, по своей сути, являются продолжением электромагнитной теории Максвелла – распространением ее на ключевые процессы и свойства мира элементарных частиц вещества.

Табу, наложенное официальной наукой на попытки понять свойства микромира, противоречит исследовательскому духу самой физики.

Как же возникло это противоестественное состояние науки?

Дело в том, что в развитии физики фактически был пропущен большой и чрезвычайно важный этап. Если бы в начале ХХ века была выяснена и подробно разработана теория электрона, то удалось бы избежать тотальной формализации теории, приведшей физику к очевидному кризису. Но в те годы, почему-то, предпочли “постулировать” свойства микромира, а не понять, каким образом в пространстве возникают области, воспринимаемые нами как элементарные частицы вещества. Таким “изящным” способом (постулированием) решили обойти “трудный вопрос”, имеющий принципиальное значение для понимания Природы.

Какие же процессы в “физическом вакууме” порождают области, воспринимаемые нами как элементарные частицы?

Так как единство Природы является неоспоримым фактом, то вещество и поле не должны рассматриваться физикой в отрыве друг от друга. Они должны иметь некоторую общую основу, тем более, что и поле, и существенная часть свойств элементарных частиц характеризуются электромагнитными параметрами. По большому счету, и поле и вещество – это процессы, развивающиеся в вакууме.

Поэтому для описания са ́ мой элементарной частицы вещества –солитона, мной были взяты “строительные леса”, которые использовал Максвелл при создании электродинамики и о которых теоретики ХХ века благополучно “забыли”. Речь идет о максвелловской механической модели свойств окружающего пространства - вакуума (эфира).

По сути, теперь никто не отрицает, что вакуум – это не пустота, а некоторая “особая среда” - основа всего сущего.

Другое дело, как подойти к моделированию и описанию процессов, происходящих в этой “особой среде”?

Так как уже более полутора столетий электродинамика Максвелла подтверждает свою состоятельность, то и модель Максвелла как инструмент анализа тоже доказала свою правомерность и эффективность.

Именно эти соображения подтолкнули меня к тому, чтобы искать единство вещества и поля в свойствах вакуума как “особой среды”, а для анализа явлений в этой среде использовать модель Максвелла [1].

Максвелл совершенно справедливо полагал, что вакуум не может быть “пустотой”, так как никакой волновой процесс, а, следовательно, и свет не может распространяться без соответствующей среды.

Следует особо подчеркнуть, что я (вслед за Максвеллом) рассматриваю модель только как инструмент анализа и не более того. Думаю, было бы слишком прямолинейно отождествлять вакуум с его механической моделью. Природа всегда сложнее любых наших представлений о ней.

Но то, что модель Максвелла, являясь довольно простой, наглядной моделью, адекватно описывает свойства вакуума, сомнений не вызывает. Более того, проведенный мной анализ показал удивительную эффективность модели для описания самой элементарной частицы вещества – электромагнитного вращающегося солитона.

Что же получилось, как говорят, в “сухом остатке”?

Оказалось, что электромагнитный солитон (вращающееся электромагнитное поле) совершенно органично объясняет и объединяет в себе все свойства элементарной частицы: и отличную от нуля дивергенцию электрического поля в этой области, и магнитный момент, и спин.

Элементарные частицы имеют размеры, зависящие от их массы, и по порядку величины определяются формулой:

В формуле (1) в числителе – постоянная Планка, а в знаменателе – произведение массы частицы на скорость света.

Кроме того, структура самой элементарной частицы в виде электромагнитного солитона, например, электрона имеет осевую симметрию и напоминает кольцо, толщина которого по отношению к диаметру составляет очень малую величину, порядка постоянной тонкой структуры.

Внутри кольцевой области вращается поле солитона в виде “одногорбой волны”, бегущей по азимутальной координате (рис. 1).

 

Рис. 1.

Схема образования электрон-позитронной пары из фотона (а), направления полей в структурах электрона и позитрона (б).

Поле внутри этого тонкого слоя изменяется не только по азимуту, но и по радиусу. Радиальная зависимость описывается универсальной математической функцией (справедливой для солитона любой массы):

Здесь D ₀ – условное (единичное) значение электрического смещения, зависящее от размера (массы) частицы:

е – электрический заряд электрона является универсальным для любого солитона; скорость распространения поля в кольцевой области пропорциональна расстоянию от центра вращения c = c_o (r /r_o), соответственно внутренний и внешний радиусы кольца с вращающимся полем обозначены как r ₁ и r ₂, а отношение

приблизительно равно постоянной тонкой структуры.

Электрическое поле внутри кольцевой области имеет радиальное направление, а соответствующее магнитное поле направлено вдоль оси:

Таким образом, поток энергии направлен по азимутальной координате и создает момент импульса (спин), равный ħ/2.

Соответственно осевое магнитное поле создает магнитный момент, а внешнее электрическое поле, уравновешивающее внутреннее поле, образует заряд частицы. И количественно, и качественно все параметры электрона оказываются объяснимыми и взаимосвязанными.

Кроме того, внешнее поле частиц, наряду с постоянной составляющей в виде заряда и магнитного момента, содержит и переменное поле. В результате этого все частицы взаимодействуют друг с другом как своеобразные подвижные колебательные системы!

Именно это последнее обстоятельство лежит в основе “странных” свойств микромира, описываемых квантовой теорией – частицы, являясь энергетическими возмущениями вакуума, обладают необычными свойствами. Они могут за счет взаимодействий перескакивать или “перекачиваться” из одного места в другое, могут “интерферировать” (друг с другом и “сами с собой”), переходя в некоторое другое равновесное состояние.

Квантовая механика “упрощает” реальные взаимодействия, существующие в природе, и не рассматривает переходные процессы, сведя все к вероятностным методам описания физических явлений.

В обычных условиях мы, естественно, не замечаем колебаний, реально присутствующих на уровне микромира! Элементарные частицы как особые колебательные системы, характеризуются огромными собственными частотами (частотами вращения образующих солитонов):

- частота нуклонов (протонов и нейтронов), или Главная частота Вселенной (ГЧВ) - 1,60·10²³ Гц;

- частота электронов почти на три порядка меньше - 2,47·10²⁰ Гц (причиной этого является так называемое слабое взаимодействие [2]).

Реальные частотные свойства элементарных частиц оказались “зашифрованными” иносказательным языком квантовой теории: “свободные” частицы описываются так называемыми волновыми функциями с циклическим комплексным множителем (e^-iωt), частота которого пропорциональна полной энергии, то есть, массе частицы.

Очевидно, что сам факт существования указанных колебательных процессов на уровне микромира, определяющих свойства и взаимодействия элементарных частиц вещества, открывает совершенно новые подходы к изучению Природы.

В результате, перед нами открывается чрезвычайно важная сторона физической картины мира – частотный принцип формирования Вселенной. Именно в результате равновесного взаимодействия и взаимной “частотной настройки” электромагнитных солитонов во Вселенной образовалось такое огромное количество идентичных друг другу протонов (нейтронов, электронов).

Получены убедительные доказательства электромагнитной природы элементарных частиц, но электромагнитное поле оказалось более сложным и многоликим, чем это представлялось ранее.

Внутри вращающегося солитона поле ближе к обычному поперечному, но с “примесью” радиальных колебаний, из-за которых возникает отличная от нуля дивергенция электрического поля. Внешнее же поле, наряду с постоянными составляющими электрического и магнитного полей, содержит переменные поля в виде стоячих продольных волн.

Таким образом, все многообразие окружающего мира основано на комбинациях и взаимодействиях различных процессов в вакууме, а фотоны и вращающиеся электромагнитные солитоны (частицы вещества) являются “всего лишь” энергетическими возбуждениями “особой среды” – вакуума.

Поразительно, сколь экономными средствами Природа создала такой сложный и грандиозный мир!

В связи с этим очень занятно наблюдать, как, увлекшись экстравагантными математическими построениями, далекими от реальности, “энтузиасты” используют гигантский адронный коллайдер в поисках так называемого бозона Хиггса, “ответственного” (по их мнению) за обретение массы элементарными частицами. Ведь этим бозоном, очевидно, является фотон, так как именно из кванта электромагнитной энергии рождается электрон-позитронная пара, как и другие пары частиц и античастиц, обладающих “реальной массой”, как это условно показано на рис 1.

Кроме того, именно излучающийся фотон уносит избыток массы летящей частицы в тот момент, когда она останавливается и ее масса уменьшается до “массы покоя”.

Что касается различного рода споров о природе инерционной массы частиц, то она, очевидно, отражает соотношение между направленным движением поля солитона (поглощенный или излучаемый фотон) и вращательным движением внутреннего поля самого солитона. Это чем-то напоминает зигзагообразное движение волны в волноводе.

В завершение необходимо сказать отдельно пару слов о книге “Энергия. Вещество и поле” [3].

С одной стороны, эта книга, в значительной степени, популяризирует первые две книги и совершенно не содержит математических выкладок. Кроме того, упор сделан на том, чтобы способствовать раскрепощенному, творческому подходу к решению важнейшей проблемы современности: как получить экологически чистую энергию в количестве, достаточном для устойчивого развития?

С другой стороны, книга ни в коей мере не упрощает задачу. Энергия рассматривается как всеобщий эквивалент, как единственная и парадоксальная реальность окружающего мира (вещество и поле). Именно в этой универсальности энергии – “строительного материала” Вселенной, заключены, как показано в книге, самые неожиданные практические возможности решения энергетической проблемы.

Еще несколько моих статей на затронутые здесь темы можно найти в электронной библиотеке по адресу: http://www.sciteclibrary.ru/rus/avtors/v.html

　

Литература

1. Верин О.Г. Динамика вакуума и солитонная теория элементарных частиц. М. РТ-Пресс. 2002 г. http://library.by/portalus/modules/science/readme.php?subaction=showfull&id=1296812262&archive=&start_from=&ucat=&

2. Верин О.Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и Великое Объединение. М. Контур-М. 2005 г. http://library.by/portalus/modules/science/readme.php?subaction=showfull&id=1300099327&archive=&start_from=&ucat=19&

3. Верин О.Г. Энергия. Вещество и поле. М. Контур-М. 2006 г. http://library.by/portalus/modules/science/readme.php?subaction=showfull&id=1300099609&archive=&start_from=&ucat=19&

 

　

Дата публикации: 23 апреля 2011

СОЛИТОН И ФИЗИКА

© Верин О.Г.

Контакт с автором: verinOG @ list. ru

Солитон – уединенная структурно устойчивая волна со свойствами частицы, был открыт еще в первой половине Х I Х века и поначалу не привлек к себе особенного внимания. В те далекие годы вряд ли кто мог предположить, что со временем он будет все чаще становиться объектом серьезных исследований и займет особое и очень важное место в науке о Природе. Теперь становится все более очевидным, что теория солитона является основой для изучения не только многих процессов “макромира”, но и для исследования материи на уровне элементарных частиц.

________________________________________________________________________________

Дело не только в том, что солитоны обладают очень необычными свойствами волны и частицы одновременно (сохраняют свою форму при распространении и даже после столкновения друг с другом). Оказалось также, что описание физических процессов, лежащих в основе этого очень красивого и необычного явления, требует использования специфических нелинейных уравнений. Поэтому солитоны дали начало развитию целого направления прикладной математики, посвященного многочисленным и разнообразным проявлениям этих нелинейных процессов.

Широкое проникновение математических методов в физику является закономерным и весьма благотворным. Однако нельзя забывать и того, что наглядная физическая трактовка также необходима и не менее полезна. В случае же с солитонами математика явно превалирует над физикой. Более того, многие студенты рискуют оказаться разочарованными при первой же попытке познакомиться с солитонами, не находя наглядного и достаточно ясного описания физики этого явления.

Наибольшим “откровением” при описании физического механизма, например, самого первого открытого Расселом в 1834 году солитона (на поверхности воды) является указание на равновесие двух противоборствующих факторов [1]: уединенные волны образуются, когда эффекты нелинейности, делающие волну круче, уравновешиваются эффектами дисперсии, стремящимися сделать ее положе (т. е. “размывают” ее).

В целом это правильное объяснение, но именно солитон сам “каким-то образом” создает эти эффекты (“точка усмехнулась и стала запятой…”).

Сначала приведем ставшее классическим описание солитона (“волны трансляции”), сделанное его открывателем Джоном Скоттом Расселом в “Докладе о волнах” [2]: “Я следил за движением баржи, которую быстро тянула пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась; но масса воды, которую баржа привела в движение, не остановилась. Вместо этого она собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения, т. е. округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма, который продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда я нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью приблизительно восемь или десять миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до фута с половиной. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала. Так в августе 1834 г. мне впервые довелось столкнуться с необычным и красивым явлением, которое я назвал волной трансляции; теперь это название общепринято.

С тех пор я обнаружил, что такие волны играют важную роль почти во всех случаях, когда жидкость оказывает сопротивление движению, и пришел к убеждению, что к тому же типу относятся огромные движущиеся повышения уровня моря, которые с регулярностью обращения небесного тела входят в наши реки и катятся вдоль наших побережий.

Для подробного изучения этого явления с целью точно установить его природу и управляющие им законы я придумал другие, более удобные способы его вызвать… и применил разнообразные методы наблюдений”.

Помимо известной сложности математического описания есть и другая причина обширности теории этого явления: солитоны оказались воистину многоликими. Поэтому и физические механизмы солитонов различных видов оказываются весьма непохожими, хотя и характеризуются некоторыми общими чертами математического описания. К таким весьма непохожим друг на друга солитонам можно, например, отнести импульсы в нервных волокнах и мощные световые импульсы в нелинейной среде.

Более того, некоторые разновидности солитонов вызывают сомнения в “чистоте” своей принадлежности к этому классу физических явлений, а другие их представители могут “плавно переходить” из “простых” волн в солитоны.

Анализируя электромагнитные вращающиеся солитоны – “кирпичики” внутреннего строения элементарных частиц [3], я убедился в том, что и эта разновидность солитонов весьма отличается от остальных “собратьев”. И по своим свойствам, и по возможностям описания, и по физическому механизму.

Здесь следует, тем не менее, подчеркнуть одно чрезвычайно важное свойство, общее для всех солитонов. Приходя в то или иное место, солитон меняет среду (насыщает ее каким-то видом энергии), но покидая это место, он возвращает все в исходное состояние. Впрочем, и это не вся “правда”. Дело в том, что оставляя неизменной среду, солитон, тем не менее, производит важные изменения в окружающем пространстве. Иногда это проявляется в фазовых соотношениях, но чаще – это ощутимые “материальные” изменения. На воде – он “тащит” с собой соответствующий объем воды (перемещение в твердом теле в виде дислокации, или в виде петли на струне, также приводит к перемещению вещества). Если это электромагнитный солитон в виде элементарной частицы, то он, перемещаясь, изменяет распределение заряда в пространстве. При этом, как и любой другой солитон, он сначала насыщает вакуум энергией (меняет его свойства, создавая отличную от нуля дивергенцию поля), а покидая это место, забирает энергию и “приводит все в порядок”. Об этих физических свойствах солитонов мы еще будем говорить.

Несмотря на все многообразие солитонов, первый солитон, открытый Расселом, остается как бы эталоном этого физического явления. И говоря о солитонах, мы обычно в первую очередь вспоминаем приведенное выше описание события, произошедшего в 1834 году.

Поэтому, рассматривая особенности физического механизма явления, логично вернуться именно к этому исторически первому виду солитонов. Попытаемся при минимуме математики посмотреть на это физическое явление с разных точек зрения. Попробуем “поближе познакомиться” с солитоном, привлекая самые разные аналогии и не опасаясь радикальных упрощений для достижения большей наглядности.

　

Солитон на веревке

В литературе о солитонах обычно не упоминают об одиночной волне, которую можно “пустить” вдоль самой обычной веревки, растянутой на земле. И такую “осторожность” можно понять, так как пример этот нагляден, но требует внимательного исследования и, вообще говоря, не вполне корректен.

Тем не менее, мы воспользуемся этим примером, проанализируем его, а заодно посмотрим, в каких случаях возникает упомянутая некорректность.

 

 

Рис. 1.