Физическая сущность микромира

 

В повседневной жизни, а часто и в науке, говоря о материи, подразумевают химическое вещество, хотя сегодня мы знаем, что существует и другой вид материи – эфир со всеми специфическими особенностями. Естествознание изучает свойства, превращения и структуру отдельных видов материи. Понятие «структура» или «строение материи» означает структуру атомов, молекул и построенных из них материальных тел. В ХХ веке появилась и начала быстро развиваться новая ветвь науки – физика микромира, изучающая частицы, более мелкие, чем атом. Результаты исследований в этой области оказались в высшей степени неожиданными. Было установлено, что в микромире многие законы классической механики не действуют, так как свойства микрочастиц отчасти подчиняются совершенно другим законам, чем свойства макроскопических тел. Тем не менее, основные законы природы (такие, как закон сохранения энергии, материи и момента импульса) справедливы как для макро-, так и для микромира.

Сегодня считается, что происходящие в микромире явления можно понять только на основе квантовой механики. Однако, по мнению Эйнштейна, квантовая механика сформулирована таким образом, что все её положения тесно связаны с техникой измерения, которая не отображает объективный ход процессов. Он считал, что поскольку квантовая механика не дает описания явлений «самих по себе», независимо от каких- либо измерений, а оперирует лишь вероятностями, задача физики в этой области ещё не выполнена и нужно найти подлинную реальность, лежащую в основе квантового описания, «очищенную» от всякого влияния измерительных процедур. Он придерживался тезиса: понятия «вероятность», «случайность» есть всего лишь непознанная закономерность, а не принцип устройства мира природы. Знаменитая фраза Эйнштейна: «Бог не играет в кости» вошла в историю физики как некий приговор квантовой механике, хотя последняя была построена на некоторых постулатах теории относительности. В своих рассуждениях Эйнштейн был не одинок. Так, например, Луи де Бройль отметил: «Квантовая физика нуждается в новых образах и идеях, которые могут возникнуть при глубоком пересмотре принципов, лежащих в её основе».П. Дирак так выразил своё отношение к этой науке: «Мне кажется вероятным, что когда-нибудь в будущем появится улучшенная квантовая механика, которая будет содержать в себе возврат к причинности. Но такой возврат может стать возможным лишь ценой отказа от какой-нибудь другой фундаментальной идеи, которую сейчас мы безоговорочно принимаем». Американский ученый И. Дж. Гуд по этому поводу пошутил: «С помощью квантовой теории удалось объяснить многие феномены микромира. Осталось лишь объяснить саму квантовую теорию».

Картина современной теоретической физики носит объединительный характер. Отдельные области физики имеют тенденцию сливаться между собой, так, акустика целиком вошла в механику, магнетизм и оптика слились с электродинамикой. Соответственным образом, понимание механики могло бы включить в себя электродинамику. Действительно, есть немало признаков, говорящих за то, что эти области со временем сольются в одну – общую динамику на основе механистического мировоззрения устройства природы. Это мировоззрение исходит из предположения, что все качественные различия физических явлений, в конечном счете, объясняются движением. Согласно этому воззрению задача теоретической физики состоит в том, чтобы объяснить движением все явления природы. С другой стороны, были также скептически настроенные ученые, которые сомневались в фундаментальном характере такой формулировки проблемы и считали механистическое мировоззрение слишком узким для того, чтобы оно могло объять все разнообразие явлений природы. Нельзя сказать, чтобы какое-то из этих двух противоположных мнений имело решительный перевес. Однако можно отметить, что признание механистического мировоззрения повлечет за собой такой разрушительный процесс в современном научном мире, что влияние его распространится далеко за пределы физики в соседние области – химию, астрономию, биологию и даже в область познания. Последней попыткой свести все явления природы к движению была механика Герца. Стремление механистического мировоззрения к единому образу мира получило в ней идеальную законченность. По Герцу, существует не только единый вид материи – материальная точка, но и единственный вид энергии – кинетическая. Все другие виды энергии, которые мы называем электрической, химической, тепловой в действительности представляют собой кинетическую энергию движения невидимых частиц. Различие между характером этих энергий обуславливается положениями и скоростями соответствующих материальных частиц. В следствии такого радикального упрощения все законы механики Герца отличаются удивительной простотой и ясностью. Но вместе с тем, есть и некоторые спорные моменты. Однако развитие физики (особенно физики микромира) пошло по совершенно другим путям, которые далеко разошлись с механистическим мировоззрением Герца. Причиной тому послужила проблема материальности эфира, который является необходимым постулатом этого мировоззрения. Постулат гласит – где есть движение, там должно находиться и то, что движется. Кроме того, уравнения Максвелла оказались несовместимыми с возможностью механистического истолкования электродинамических явлений. Это связано с тем, что электромагнитные волны, согласно его теории, распространяются в пространстве независимо от наличия в нём эфира, что соответствует принципам теории относительности Эйнштейна. Если нет эфира, то не приходится надеяться на возможность свести электромагнитные явления к механистическим, пусть очень своеобразным, изощрённым, но все же механистическим. Весь ход развития науки связан с ликвидацией различия между материей и полем – это взаимно связанные субстанции и тезис «поле – вид материи» устарел. Назрела необходимость замены его на тезис « поле – состояние материи» или «поле – энергетическое состояние эфира», понимая под термином «эфир» - пространство, заполненное некими частицами.

В экспериментах при идентификации элементарных частиц используются – выводы теории относительности Эйнштейна, теория поля Максвелла, уравнения Бора, Шредингера и Дирака, а также принцип запрета Паули. В сущности, эти математические построения учёных и определяют то, что мы называем квантовой механикой. Она создавалась как эмпирическая наука – на базе наблюдений, фактов и экспериментов. При этом создание теории оказалось просто невыполнимой задачей, поскольку эмпирические законы не связаны с физической реальностью.

Известный ученый В. А. Ацюковский в статье «Канун физической революции» писал: «На основе изучений эмпирических данных созданы многочисленные методы расчетов, опираясь на которые можно успешно применять те или иные физические явления для прикладных нужд. Но ясности в физической сущности всех этих явлений от этого не прибавилось. Ибо физическая сущность – это представление не о том, как использовать то или иное явление, а в том, почему оно именно такое, а не иное. Для этого нужно понимать движение материальных частиц этого явления, его внутренний механизм, который и есть физическая сущность явления. А само явление есть всего лишь внешнее проявление действия этого механизма, это феноменология. Отсутствие такого понимания неизбежно ведет к кризису в естествознании, что сегодня и имеет место». Так, например, все вышесказанное можно отнести к понятию «электрический заряд», которое задействовано во многих уравнениях квантовой теории. Это физическая скалярная величина, определяющая способность элементарных частиц быть источником электрических полей и принимать участие в электромагнитных взаимодействиях. Дать краткое, удовлетворительное во всех отношениях определение заряда невозможно. Мы привыкли находить понятные нам объяснения весьма сложных образований и процессов, а вот самые основные, фундаментальные понятия, неразделимые на более простые, лишенные, по данным науки, какого-либо внутреннего механизма, удовлетворительным образом уже не пояснить. Особенно, если объект непосредственно не воспринимается нашими органами чувств. Именно к таким фундаментальным понятиям относится электрический заряд. Впервые он был введён в науку в 1785 году в законе французского ученого Шарля Кулона. Это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов и в науке он считается фундаментальным. В нем заряд – величина постоянная. Эта характеристика возведена в ранг закона постоянства заряда. Он может быть условно назван положительным и отрицательным.

В современной электродинамике определение заряда трактуется еще следующим образом: «электрический заряд – свойство некоторых частиц, заключается в том, что они всегда связаны с электрическим полем и испытывают определенные взаимодействия со стороны последнего». Это значит, что заряды частиц не действуют друг на друга непосредственно, каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое или магнитное (если движется) поле. Поле одного заряда действует на другой и наоборот. Однако, оба эти определения не раскрывают физической сущности механизма этих взаимодействий, а просто констатируют факт действия, оставляя без внимания его причинность. Отсутствие заряда у частиц означает, что подобных взаимодействий они не производят. Такая неопределенность формулировки заряда отражается и на понятии «электричество» как таковое, введенное в науку Гильбертом. Электричество или электрический ток – это движение свободных (не связанных в атоме) электронов вдоль металлического проводника. Сложность в понимании электрического тока вызывает то обстоятельство, что при рассмотрении его движения мы сталкиваемся с двойственностью объяснения его скорости. Скорость электрического тока и скорость движения носителей заряда (электронов) в проводнике – понятия разные. Первые имеют скорость приблизительно 300000км/сек – это движение вдоль проводника импульса электрического поля. В свою очередь движение электронов в проводнике обычно происходит со скоростью несколько миллиметров в секунду, а то и меньше. К этому можно добавить интересную выписку из энциклопедии: «В нашем мире существует электричество. Мы не знаем его сути. Все, что мы знаем о нем,- это то, как оно себя ведет, если ему препятствуют или ограничивают». Из этого следует, что наука об электричестве и сегодня остается незавершенной, а может быть и ошибочной по причине отсутствия определения физической сущности заряда. Как заметил один ученый: «Если нет определения – то нет и науки».

И все же заряд и его знак в квантовой теории строения атома фигурирует, как основополагающая константа взаимодействия между частицами. Открытие Дираком античастиц (тождественным по массе, но с противоположным знаком заряда) еще более усугубило ощущение неопределенности, скрывающейся под термином «заряд». К решению этого вопроса Дирак подошел чисто математическим путем – составил и исследовал четыре уравнения. Два для частиц (электронов) со спином, имеющим вращение по часовой стрелке и против часовой стрелки, и два для энергии этих частиц. Последние совпадали по абсолютной величине с первыми, но одно из них было положительно, а другое отрицательно. Дирак предположил, что решение с отрицательной энергией отвечает электрону с положительным электрическим зарядом, который впоследствии был назван позитроном. Так, с легкой руки Дирака, в физику микромира вошло понятие античастиц. В дальнейшем античастицы были обнаружены и у других частиц, в том числе и у не имеющих заряда (нейтрон, нейтрино), а это указывало на то, что определяющим показателем наличия в природе античастиц является не знак заряда (положительный, отрицательный), а направленность спина по и против часовой стрелки. Но на это никто не обратил внимания.Не обошел эту проблему и Лев Ландау. Он пишет: «Любую атомную частицу отличает от её зеркального двойника-античастицы не просто перемена знака заряда (если частица заряжена). Но с этой переменой сопрягается и изменение направленности спина частицы на противоположное (антипараллельное)». Спрашивается, какой же механизм заставляет частицу изменять направленность спина? Здесь скорее наоборот, изменение направленности спина меняет знак заряда, если таковой вообще существует в природе. Вот об этом и пойдет речь ниже. Для решения этой проблемы обратимся к первоисточнику, т.е. к закону Кулона, прототипом которому послужил закон всемирного тяготения Ньютона.

В самом деле их формулы различаются лишь тем, что у Кулона вместо массы фигурируют электрические заряды. При этом, если теория Ньютона постулирует только притяжение тел, то у Кулона может быть как притяжение, так и отталкивание частиц. Это связано с тем, как считает Кулон, что в природе существует два рода электрических зарядов, условно названных «положительными» и «отрицательными» или просто знак заряда (+ и - ). Странное дело, но мы до сих пор не имеем определения знака заряда, как впрочем, и самого заряда.

В формуле закона Кулона имеется еще одна неувязка. Как известно, электрические заряды существуют не сами по себе, а связаны с частицами, являясь их внутренним свойством. Иначе говоря, заряды отдельно от частиц не существуют. Однако, вопреки этому, заряды в формуле закона Кулона фигурируют как самостоятельная физическая сущность. Все это вызывает сомнение в состоятельности этого закона. Как считают некоторые ученые, он является чисто эмпирическим и не имеет экспериментального подтверждения.

Дирак в отличии от Кулона, в своих уравнениях рассматривает не заряды, а частицы с зарядами (электроны и протоны) и устанавливает, что они наряду с зарядами, имеют спин (векторная величина) с энергией, соизмеримой с энергией заряда. Из этого следует, что спин вполне может служить альтернативой электрическому заряду в построении новой модели микромира на механистической основе.

Как известно, Максвелл долго пытался построить свою теорию динамики микромира на механистических понятиях, но в конце концов отказался от этой затеи. Заряд никак не умещался в прокрустово ложе механистических воззрений. Так появилась электродинамика. Но при этом Максвелл заметил, что в связи с неясностью мира электромагнетизма он намного сложнее мира механистического. Это заявление дает лишний довод в пользу выбора более простого варианта взаимодействия элементарных частиц – спинового. В этом случае вместо электродинамики появится новая наука – спинодинамика, как отдельная ветвь в общей классической механике, изучающая микромир. Она будет не только проще электродинамики, но и откроет новую страницу в изучении природы микромира.

Рассмотрим подробнее, что привнесет в науку микромира новая парадигма, сравнив электрический заряд частиц со спином.

Заряд – свойство элементарных частиц создавать вокруг себя электрическое поле, что дает повод представить форму частиц в виде некоего шарика. Источник энергии для выполнения этой основной функции неизвестен. Аналога в макромире не имеет.

Спин – это способность элементарных частиц создавать направленное силовое поле, состоящее из поляризованных частиц нейтрино. Поляризация – это устойчивость направленности спина. Само слово «спин» означает вращение, а это значит, что элементарные частицы, в том числе и нейтральные (нейтрон, нейтрино) имеют угловой момент вращения, то есть обладают кинетической энергией. Спин – это векторная величина силы, действующей в одной плоскости. Из этого можно предположить, что элементарные частицы должны иметь форму не шара, а диска. И последнее, спин имеет аналог в макромире – это маховик, как носитель кинетической энергии.

Знак заряда (положительный, отрицательный) в законе Кулона определяет свойство элементарных частиц при их взаимодействии притягиваться или отталкиваться. Однако, механизм этого действия не раскрывается. Несмотря на это, знак заряда (+, -) прочно укоренился в технической литературе. При замене электрического заряда на спин частицы мы получим уже знак спина, который определяет направленность вращения частицы по или против часовой стрелки. При взаимодействии частиц с одинаковой направленностью они отталкиваются друг от друга, а при разной наоборот сходятся. Физическая сущность этого феномена более наглядно проявляется на аналоге в макромире, в эксперименте с волчками. Если запустить их вблизи друг от друга в одну сторону (например, по часовой стрелке), они будут расходиться в разные стороны. самом деле их формулы различаются лишь тем, что у Кулона вместо массы фигурируют электрические заряды. При этом, если теория Ньютона постулирует только притяжение тел, то у Кулона может быть как притяжение, так и отталкивание частиц. Это связано с тем, как считает Кулон, что в природе существует два рода электрических зарядов, условно названных «положительными» и «отрицательными» или просто знак заряда (+ и - ). Странное дело, но мы до сих пор не имеем определения знака заряда, как впрочем, и самого заряда.

Но если один из них запустить против часовой стрелки, то они сходятся вплоть до соприкосновения и возможной деформации при высокой частоте вращения.

В микромире этот феномен называется аннигиляция электронно-позитронной пары, т.е. их разрушение и распад на высокоэнергетические нейтрино. Причиной тому является взаимодействие спина элементарных частиц с окружающей средой. В микромире такой средой является эфир, а в макромире в эксперименте с волчками – воздух.

Как уже говорилось, причиной отказа учеными механике Герца послужила проблема материальности эфира, который является необходимым постулатом его мировоззрения. Впервые эфир был предложен еще Аристотелем и состоял из атомов, считавшихся тогда самыми мелкими частицами вещества. Он прошел в науке долгий и сложный путь становления, как некая субстанция. Не обошел эту проблему и Менделеев. В статье «Попытка химического понимания мирового эфира» он ввел в свою таблицу нулевой элемент, названный «Ньютоний», как частицу эфира. Он считал, что эта частица является системообразующей сущностью всех элементов его таблицы как праматерия. Эфир (ньютоний) по Менделееву имеет массу, хотя, как он пишет «должно говорить не об невесомости, а только о невозможности его взвешивания». Сегодня под напором многочисленных факторов эфир вернули в лоно науки, дав ему довольно неудачное название «сложно устроенный физический вакуум». Логичнее все же оставить старое название – «эфир», который состоит из нейтрино вместо ньютония. Можно предположить, что нейтрино играет чрезвычайно важную роль в строении всей вселенной. Это реликтовые частицы, которые существовали везде и всегда, даже внутри атомов, вместо электрического поля, постулированного современной наукой. Из этого следует, что нейтрино не рождаются ни в атомных реакторах, ни солнцем, ни получаются искусственно – везде происходит их циркуляция. Кроме того, нейтрино – это полевая частица, участвующая во всех взаимодействиях механистического толка. По подсчетам ученых в одном кубическом метре пространства содержится около 300 млн. этих частиц. Вполне естественно, что после всех этих радикальных преобразований в мире элементарных частиц, приведших к механистическому пониманию устройства природы микромира, нам придется пересмотреть и модель атома Бора – Резерфорда, построенную на электрических, кулоновых силах. Еще в середине ХVIII века ученые высказывали мысль, что природа макро и микромира построена по одному сценарию. В соответствии с этим Резерфорд предположил, что атом – это микроскопическая копия солнечной системы, состоящая из ядра (в свою очередь состоящего из протонов и нейтронов) и вращающихся вокруг него электронов. Сначала эта модель не получила признания научного общества, но после того, как Бор чисто математическим путем доказал ее состоятельность, на ней, как на фундаменте, покоится вся современная атомная физика. Но этот фундамент, построенный на электрических зарядах, весьма сомнителен в силу целого ряда причин. Да и сами авторы (а это целый коллектив) считают, что дальнейшее развитие теории атома необходимо критически пересмотреть. Начнем с ядра атома (см. рис.1), представляющего собой плотную упаковку протонов и нейтронов. Согласно закону Кулона протоны, имеющие положительный знак заряда должны отталкиваться. Но они наоборот плотно прижаты друг к другу. По предположению ученых, протоны в ядре каким-то образом сцементированы нейтронами, но при этом и те и другие имеют спин, нарушающий монолитность ядра. Здесь явное противоречие.

рис. 1

В целом ядро имеет положительный заряд, равный сумме зарядов электронов и спин. Вторыми по значимости элементами атома являются электроны. Они имеют отрицательный заряд и движутся вокруг ядра под действием Кулонова поля, образуя оболочку атома в виде некой сферы. Сложность этого движения заключается в том, что оно носит вероятностный характер. Иначе говоря, орбиты, по которым движутся электроны, могут быть разнонаправленными. Это осложняет проблему валентности, т.е.перехода валентных электронов на орбиту соседнего атома.

Количество электронов в атоме предопределено количеством протонов в ядре. Но складываются здесь не протоны и электроны как таковые, а их заряды, которые у обоих частиц считаются одинаковыми, и это, несмотря на то, что атомная масса протона почти в 2000 раз превосходит массу электрона. Этот парадокс будет рассмотрен в механистической модели атома.

Механистическая модель атома (см. рис. 2) также будет состоять из ядра и вращающихся вокруг него электронов.

рис. 2

Пространство между ядром и орбитой электронов заполнено эфиром. Ядро состоит из протонов в виде стопки дисков, как бы нанизанных на одну ось. Но главное отличие новой модели атома от электрической заключается в том, что протоны, не имеющие электрического заряда, не отталкиваются друг от друга, они скорее будут слипаться, представляя монолитную структуру. Кроме того, введение в состав ядра нейтронов теряет всякий смысл , поскольку протоны, потеряв электрический заряд, стали похожи на нейтроны. Как видно из рис. 2, новая модель атома плоская, как солнечная система, в которой планеты вращаются приблизительно в одной плоскости. Тоже самое и в новой модели - орбиты электронов стабилизированы в плоскости действия спина ядра. При этом форма атома в отличии от электрической модели – шара, будет в виде чечевичного зерна с увеличивающейся выпуклостью тяжелых элементов. Но самое главное в новой модели атома – это объяснение «механизма» взаимодействия ядра с электронами. Как уже указывалось, равенство зарядов протона и электрона вызывает сомнение в силу большой разницы их атомных масс. Но и в механистической модели атома, где вместо заряда фигурируют спины частиц это равенство сохраняется, а следовательно, сохраняются и их угловые скорости. Однако, линейная скорость протона (ядра) и электрона будут резко различаться в силу разностей их геометрических размеров пропорционально их атомным массам.

Таким образом «механизм» взаимодействия ядра с электронами будет заключаться в том, что линейная скорость ядра при его вращении воздействует на нейтрино, поляризуя их в том же направлении, а те в свою очередь увлекают электроны в этот круговорот. Это чисто механистическое явление, в котором ядро есть источник кинетической энергии.

Следует отметить еще одно преимущество новой модели атома. Как уже отмечалось, в электрической модели атома орбиты валентных электронов носят вероятностный характер. В механистической модели эти орбиты стабилизированы в одной плоскости, что способствует переходу валентных электроном на орбиты соседних атомов и тем самым присоединением их к себе. Подытоживая все сказанное о механистической природе микромира, следует отметить тот факт, что именно Максвелл указал на ее преимущество перед миром электромагнетизма. Так, например, новая механистическая модель атома значительно упростилась и стала больше похожа на солнечную систему, чем электрическая модель. При этом в ней нет двухстороннего взаимодействия ядра с электронами, а есть одностороннее действие ядра, приводящее электроны во вращательное движение. Электроны как бы катятся по своей орбите, как Уран в солнечной системе. Далее следует отметить, что новая парадигма устройства микромира не требует обосновывания ее квантовой механикой. Здесь для этой цели скорее всего понадобится математический аппарат векторный алгебры, что значительно упрощает этот процесс .По этому поводу один ученый заметил: «Современное понимание физики микромира перекошено в сторону математики». В свою очередь Дирак считал, что преодолеть трудности квантовой механики можно только ценой отказа от какой-нибудь другой фундаментальной идеи, которую сейчас мы безоговорочно принимаем. Такой идеей, согласно новой парадигме, является закон Кулона. Именно он привел физику микромира в кризисное состояние. По этому поводу еще Пифагор говорил: «Если начало взято неправильно, то мы рискуем вероятностью потери почти целой науки и всего, что в ней». В заключение следует отметить, что современное понятие магнетизма тесно связано с электрическим зарядом. Но, поскольку новая концепция исключила заряд из физической картины мира, придется переосмыслить теорию магнетизма. К тому же, по мнению ученых, она и сегодня считается неудовлетворительной. Априори можно сказать, что магнетизм – это тоже механистическое явление.

---