Стержневая идея строения вещества

Где же искать и в чем должна состоять объединяющая физическая идея?

Она, как ни странно, уже многие годы находится, что называется, “на виду”! По меткому выражению Р.Фейнмана так случается, когда к известному факту или физическому явлению так привыкают, что перестают его замечать.

Речь идет о волнах и частотах, используемых при описании микромира!

Действительно, квантово-механические волновые функции, характеризующие состояния частиц, содержат “циклические временные множители”, а переходы между различными состояниями сопровождаются возникновением реальных колебаний и волн в виде излучения.

Это и есть та ниточка, потянув за которую, можно терпеливо, шаг за шагом, распутать весь клубок противоречий и мистики. И мы увидим, что на самом деле этих противоречий нет, а вся картина микромира по-настоящему гармонична!

Итак, первым самым естественным предположением, которое следует из повсеместного использования частот и волн при описании микромира, является наличие в нем реальных колебательных процессов.

Наиболее наглядным и информативным примером взаимодействия различных колебательных процессов в микромире является рождение электрон-позитронной пары из кванта электромагнитной энергии.

Теоретики по этому поводу чаще всего почему-то приводят довольно фантастическое рассуждение. Оказывается, электромагнитный квант выбивает электрон из “моря Дирака” (в котором уже “плавает” все что угодно!). А в этом “море” соответственно остается “дырка” в виде позитрона.

На самом деле, более естественно для физика было бы предположить, что квант в виде “пакета” электромагнитных волн может инициировать образование одиночных волн – солитонов [6, 7], что и означает рождение частиц (рис. 1).

 

Рис. 1.

Схема образования электрон-позитронной пары.

　

Таким образом, один волновой процесс порождает другой волновой процесс! Разве это не логичнее, чем сомнительные мистические фантазии?

Образование из электромагнитного кванта двух вращающихся солитонов с противоположными направлениями полей в их структурах полностью объясняет свойства электрона и его античастицы - позитрона (рис. 2).

Рис. 2. Электрон (слева) и позитрон (справа) - вращающиеся одиночные волны (солитоны).

 

Поток энергии [ EXH ] электромагнитного поля в виде тонкого

вращающегося слоя создает спин - механический момент вращения электрона (s). Это реальная и вполне ощутимая величина! Она была давно обнаружена экспериментально в известном опыте Эйнштейна и де Хааза [3].

Видно также, что магнитные моменты (Р) электрона и позитрона имеют противоположные направления, совпадающие с направлениями магнитных полей в структурах частиц.

Внешнее электрическое поле, образующее заряд электрона (и позитрона), уравновешивает внутреннее электрическое поле вращающегося электромагнитного поля одиночной волны.

Более подробное описание электромагнитного солитона и его структуры приведено в [7, 8], и мы не будем здесь повторяться. Отметим лишь, что отношение толщины вращающегося слоя поля к диаметру вращения имеет порядок величины постоянной тонкой структуры (α≈1/137). Поэтому внешнее поле (уравновешивающее внутреннее поле) мало в сравнении с внутренним полем, составляющем почти всю массу - энергию частиц W.

Резонансный характер образования электрон-позитронной пары означает, что частота вращения солитонов должна равняться частоте исходного кванта ν. Следовательно, частота электрона соответствует его удвоенной массе

(1)

Здесь h =2 π ћ – постоянная Планка, с – скорость света, d =2 r_o – диаметр вращения, m – масса электрона (позитрона).

Отсюда же следует вывод, имеющий общий характер: чем больше масса элементарной частицы, тем меньше ее размеры.

(2)

Соответственно спин s (механический момент вращения) самой элементарной частицы – солитона, является константой:

(3)

Магнитный момент солитона вычисляется [7] исходя из того, что энергии электрического и магнитного полей в структуре солитона равны друг другу, а в сумме равны mc ². С учетом (2) он пропорционален радиусу частицы:

(4)

Здесь e – заряд электрона.

С другой стороны, масса и полная энергия частицы (1) обратно пропорциональны ее радиусу (~1/ r _о). Следовательно, плотности энергии электрического и магнитного полей в объеме частицы (объем ~ r _о ³) обратно пропорциональны четвертой степени радиуса. Но так как плотность энергии, в свою очередь, пропорциональна квадрату амплитуды поля, то это означает, что амплитуды внутренних и внешних полей частицы обратно пропорциональны квадрату ее радиуса.

Поэтому заряд электрона - это универсальная константа, как следствие пропорциональности заряда произведению внешнего электрического поля (~1/ r _о ²) на площадь внешней поверхности структуры частицы (~ r _о ²).

Итак, сведем воедино характеристики электрона, этой “истинно элементарной” частицы – вращающегося электромагнитного солитона.

Частота (вращения) электрона: 2,47∙10²⁰ Гц.

Диаметр электрона: 3,86∙10^{-13 м}.

Толщина вращающегося слоя внутреннего поля электрона: 2,82∙10^{-15 м.}

Механический момент вращения (спин): 6,62∙10^-34 Дж∙с.

Магнитный момент: 9,28∙10^-24 Дж/Тл.

Электрический заряд: 1,60∙10^-19 К.

Масса (энергия): 9,1∙10^{-31 кг (0,511 МэВ).}

Важно, что все эти величины закономерно взаимосвязаны и обусловлены структурой электрона, а не просто “постулируются” и неизвестно откуда берутся в качестве “квантовых” характеристик “точечного” электрона.

Принципиальное значение имеет то, что внешнее поле электрона, помимо средних составляющих (образующих заряд и магнитный момент), содержит и переменные составляющие, представляющие его как колебательную систему.

Естественным образом нам открывается и физическая сущность происхождения постоянной тонкой структуры – этой “таинственной” константы микромира. Оказалось, что она является характеристикой структуры вращающейся волны (солитона) – отношением толщины слоя вращающегося поля к диаметру вращения. Этим обусловлена очень малая величина отношения энергии внешних полей к полной энергии, выражаемой через массу частицы.

Но самым поразительным оказывается отсутствие всякой мистики в понятии “античастица”. Это просто частица с противоположным направлением полей в ее структуре. Далее мы увидим, что “античастиц” (не в полном смысле) множество даже в составе “обычного” вещества.

　

Строение атомного ядра

Мы убедились, насколько закономерно и гармонично взаимосвязана вся совокупность характеристик электрона, если рассматривать его как вращающийся солитон. С другой стороны, параметры и свойства солитонов полностью согласуются с важнейшим свойством фотона - пропорциональностью энергии частоте. Теперь нам предстоит убедиться в том, что не менее гармоничным и закономерным является строение атомных ядер.

Начнем разбираться по порядку и “потянем за ту же ниточку”. Известно, что протоны и нейтроны, образуя ядра атомов, сами являются составными частицами. Предполагается, что каждый из них состоит из трех “кварков” [5].

Однако эти кварки не одинаковые, а имеют две разновидности – u, d. Протон содержит в своем составе два кварка u и один d. А нейтрон, наоборот – два кварка d и один u. Но так как массы протона и нейтрона очень мало отличаются друг от друга, то логично предположить, что и массы этих двух разновидностей кварков также мало отличаются друг от друга.

Тогда, согласно (2), радиус каждого из трех кварков должен иметь порядок величины, соответствующий одной трети массы нуклона (m_k ≈ m_n /3):

(5)

Следовательно, размер нуклона (из 3 кварков) имеет порядок ~10^{-15 м,} что соответствует экспериментальным данным, полученным по среднеквадратичному распределению заряда и магнитного момента [9] ~0,8∙10^{-15 м.}

Известна также эмпирическая формула для расчета радиуса ядра в зависимости от числа входящих в него нуклонов А [10]:

(6)

Эта формула также подтверждает правильность оценки (5), но, кроме того, недвусмысленно указывает на то, что не только кварки в нуклонах “упакованы бок обок”, но и сами нуклоны располагаются в ядре атома вплотную друг к другу! Это очень важно для понимания строения ядер.

Остановимся подробнее на свойствах составных частиц – протонов и нейтронов. Это объединение кварков (в тройки) происходило в далекие времена “горячей Вселенной” - значительно раньше того периода, когда уже сами протоны и нейтроны начали объединяться в ядра атомов.

Близкое расположение кварков друг к другу в составе нуклонов привело к их сильному взаимному влиянию. Именно тогда в “горячей Вселенной” возникла удивительная асимметрия строения вещества.

Находящиеся вплотную друг к другу солитоны интенсивно взаимодействуют подобно сильно связанным колебательным системам. Поэтому, помимо основных одиночных волн, в структурах кварков имеются дополнительные “наведенные” волны относительно малых амплитуд.

Вполне предсказуемо и то, что дополнительные малые волны (подобие гипотетических “глюонов”) изменяют и массу, и заряд, и магнитный момент “троек” основных солитонов, входящих в состав нуклонов.

Действительно, основные солитоны в составе нуклонов (рис. 3) располагаются таким образом, чтобы их взаимная энергия была минимальной (положительные и отрицательные кварки с противоположными направлениями магнитных моментов чередуются). Поэтому суммарный заряд и магнитный момент протона должны были бы быть равны некомпенсированному заряду и магнитному моменту одного положительного солитона (q =+ e, P =3μ_яд). Соответственно нейтрон должен был бы иметь заряд и магнитный момент одного “некомпенсированного” отрицательного солитона (q =- e, P =-3μ_яд).

Рис. 3. По составу основных солитонов

протон (слева) и нейтрон (справа) – античастицы.

Заметим, что подобно магнетону Бора (4) магнитные моменты нуклонов нужно было бы измерять не в “ядерных магнетонах”, а в “магнетонах кварка”, так как кварк почти в 3 раза легче нуклона и поэтому его магнитный момент в 3 раза больше ядерного магнетона μ_яд= e ћ/2 m_p. Здесь m_p - масса протона.

Малые волны в составе нуклонов в меньшей степени сказались на параметрах протона (q =+ e, P =2,793μ_яд) и в большей – на параметрах нейтрона (q =0, P =-1,913μ_яд). Оказалось, что совокупность малых “наведенных” волн в составе протона в целом имеет нулевой заряд и влияет только на массу и магнитный момент. В то же время, совокупность малых волн в составе нейтрона компенсировала отрицательный суммарный заряд основных солитонов и уменьшила почти на единицу отрицательную величину магнитного момента.

Но это не означает, что амплитуды или количество малых волн в протоне меньше, чем в нейтроне. Совокупности малых волн и в протоне, и в нейтроне являются результатом установления равновесия.

В “колебательных системах” элементарных частиц отсутствуют потери, а поэтому амплитуды полей в их структурах определяются только условиями равновесного обмена энергией с окружающим миром.

Вследствие этого совокупности малых волн в составе нуклоноввыступают как полноценная дополнительная “единица”.

Таким образом, странное название “кварк” обозначает обычную одиночную волну (подобную электрону или позитрону), но вынужденную вращаться в “компании” меньших по амплитуде, но таких же по природе волн.

В этом заключается секрет “изотопического спина” нуклонов! Протон и нейтрон имеют разные конфигурации “комплектов” малых волн.

Подробнее влияние малых волн в составе нуклонов на характеристики протонов и нейтронов рассмотрено в [7]. Для нас же с точки зрения частотного подхода к анализу свойств вещества здесь важно отметить, что наложение полей малых волн на волны основных солитонов существенным образом сказалось на энергии - массах нуклонов.

Поэтому магнитные моменты в среднем на 6% оказались меньше соответствующих целочисленных значений в μ_яд (2,793 вместо 3 – для протона и 1,913 вместо 2 – для нейтрона). То есть, произошло увеличение эффективной массы и соответствующее уменьшение радиусов кварков (4), (5).

Эффективная масса кварков составляет около 332 МэВ, что превышает на упомянутые 6% одну треть “реальной” массы нуклонов (около 313 МэВ).

Исходя из усредненной эффективной массы кварков m_ke ≈332 МэВ, мы можем, аналогично (1), определить ориентировочное значение “наиболее мощной” частоты колебаний в микромире, создаваемой нуклонами, – Главную частоту Вселенной (ГЧВ):

(7)

ГЧВ является наиважнейшей характеристикой Природы. Это результат глобального процесса установления всеобщего равновесия. Неисчислимое количество народившихся солитонов “молодой” Вселенной с течением времени пришли к равновесному состоянию – равновесной частоте, определяющей существующую ныне картину микро- и макромира, - 1,60∙10²³ Гц.

С другой стороны, “дефицит массы” протонов и нейтронов (в сравнении с эффективной массой) составляет огромную величину порядка 56-58 МэВ. Это и есть энергия “сильного” взаимодействия кварков внутри нуклонов.

Она в несколько раз превышает удельную энергию связи нуклонов между собой в составе ядер, которая даже в самых прочных ядрах составляет относительно небольшую величину порядка 8 МэВ [9].

Это соотношение определило последовательность формирования вещества в процессе развития Вселенной. Сначала “с помощью” малых волн из солитонов сформировались протоны и нейтроны, что сопровождалось огромным выбросом энергии, и только после этого этапа стало возможным образование ядер из нуклонов со значительно меньшим объемом выделявшейся энергии.

В нуклонах между кварками действует сильное взаимодействие за счет дополнительных малых волн (наподобие гипотетических “глюонов”). Это выражается в огромном дефиците массы нуклонов порядка 56-58 МэВ.

В то же время удельная энергия связи, приходящаяся на один нуклон в составе ядер (порядка 8 МэВ) говорит об электромагнитном характере взаимодействия между нуклонами.

Чтобы не быть голословными, определим порядок величины энергии электростатического взаимодействия двух одинаковых “стандартных” солитонов, располагающихся вплотную друг к другу (то есть, расстояние между их центрами полагается равным диаметру солитонов (2)).

(8)

Таким образом, в общем случае энергия электромагнитноговзаимодействия солитонов, находящихся вплотную друг к другу, имеет порядок величины произведения постоянной тонкой структуры и энергии массы покоя взаимодействующих частиц. То есть, для нуклонов в составе ядер это будет величина как раз порядка 8 МэВ.

Электромагнитный характер взаимодействия нуклонов в составе ядер дает ответ и на вопрос о причинах более высокой прочности ядер с четным количеством нуклонов (и равным так называемым “магическим” числам). В составе ядер существуют своеобразные кластеры – подгруппы нуклонов в виде структурных элементов, обладающих повышенной прочностью.

Учитывая чередование положительных и отрицательных кварков, как в составе нуклонов, так и в составе ядер, структура “ядерного вещества” напоминает ионный кристалл. Этой особенностью строения определяется быстрое уменьшение “ядерных” сил с расстоянием (при делении ядер на части).

Конфигурации ядер атомов весьма многообразны и интересны. Но эта тема должна быть предметом отдельного исследования (в том числе, вопрос о соотношении количества протонов и количества нейтронов в ядрах атомов).

Важно только иметь в виду, что по мере увеличения размеров этого подобия кристалла, решающим фактором становится накопление некомпенсированного положительного заряда протонов, что увеличивает расталкивающие силы и делает большие ядра менее прочными.