Баллистическая


Кристаллическое строение элементарных частиц и их распады



жүктеу 8.2 Mb.
бет51/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   47   48   49   50   51   52   53   54   ...   99

Кристаллическое строение элементарных частиц и их распады

А если и в самом деле, протоны и нейтроны как кирпичики ядерных конструкций сложены из электронов и позитронов?… то могли же нуклоны возникнуть в виде кубических квазикристаллических образований, аналогичных известным кристаллам… Электроны с позитронами ещё не эфир, но во всяком случае - та промежуточная материя, из которой построены и кирпичи - нуклоны и ядра всех элементов, и сотен видов осколков из них, так называемых "элементарных" частиц.



В. Мантуров, "Ядерные силы - предложение разгадки" [79]
К настоящему времени насчитывают несколько сотен элементарных частиц. Такое изобилие ведёт к мысли, что элементарные частицы совсем не элементарны, а состоят из немногих видов более простых кирпичиков, равно как сотню химических элементов-атомов образуют три типа частиц – электроны, протоны и нейтроны. Элементарные частицы и атомы элементарны, неделимы, лишь пока не достигнуты энергии достаточные для их деления, разрушения. Так же кирпичная стена выглядит монолитом, пока не ударишь так, что она рассыплется на кирпичи. Вот и атомы, что значит "неделимые", называют так в том смысле, что при земных температурах их можно считать элементарными частицами материи. Элементарность, неделимость – понятия условные, верные лишь в данном диапазоне энергий. Материя бесконечно делима: каждая частица может быть разбита на более простые, в свою очередь состоящие из других. В бесконечной делимости не больше странного, чем в бесконечной протяжённости пространства и времени. У мира нет пределов вширь, вдаль и вглубь (§ 2.6.)! Эту материалистическую идею развивали ещё К. Циолковский, Э. Вихерт. Да и другой поборник материализма не зря сказал век назад, что электрон так же неисчерпаем, как атом.

Учёные, однако, верят, что частицы элементарны, хотя даже процессы распада, скажем нейтрона на протон и электрон, доказывают, что частицы составные – отсюда и слово "распад". Но решили, что происходит не распад, а волшебное превращение одних частиц в другие, словно нет частиц более простых, и каждая частица состоит из всех прочих. Эта абсурдная идея, названная теорией бутстрапа (частицы зашнурованы, замкнуты сами на себя [165]), совершенно ненаучна и сродни домыслам тёмных алхимиков, тоже считавших, что в химических реакциях вещества превращаются друг в друга, хотя в действительности шло лишь деление и слияние молекул. Это было простительно прежним алхимикам, не знавшим о дискретной структуре вещества. Но нынешним алхимикам-ядерщикам, занимающимся трансмутацией материи и верящим, что в ядерных реакциях частицы волшебным образом обращаются друг в друга, повторять их ошибку недопустимо.

Впрочем, желание физиков систематизировать элементарные частицы заставило их выдумать кварки, из которых, якобы, составлены частицы. Но, во-первых, ввели уже десятки кварков, а элементарных типов кирпичей должно быть немного. Во-вторых, кварки ввели формально, наделив нелепыми свойствами: дробным зарядом и гигантской массой. В-третьих, они до сих пор не найдены [165]. Поэтому кварки – та же мистика, что и превращение частиц.

Выше мы видели, что гораздо естественней каждую элементарную частицу представлять в виде набора всего трёх типов мезонов. Но ведь и мезоны отнюдь не элементарны, а состоят из ещё более мелких частиц. А меньше мезона только электрон с позитроном. А потому естественно предположить, что именно из электронов и позитронов составлены, в конечном счёте, ядра, протоны, мезоны и все прочие частицы. Тем более что мы уже видели, насколько удобно представлять ядра и атомы составленными из периодично расположенных электронов и позитронов (§ 3.2.). Так, В. Мантуров предположил, что электроны и позитроны, притягиваясь друг к другу, способны сливаться не только в пары, но и в крупные конгломераты – ядра, протоны и нейтроны, насчитывающие тысячи частиц и представляющие собой своего рода кристалл из чередующихся электронов и позитронов, вроде кристалла соли. Не зря именно из ядер гамма-излучение выбивает электрон-позитронные пары [85], подобно обычному свету, вырывающему электроны из металла. То есть гамма-излучение не превращается в частицы, а лишь выбивает, разделяет уже существующие пары, иначе рождение таких пар было бы возможно и в вакууме.

Поэтому лучшие кандидаты в стройматериал – частицы с наименьшей массой и зарядом – электроны и позитроны. Только этим частицам-кирпичикам присущ собственный элементарный заряд, масса и магнитный момент, лишь их наличие в составе придаёт эти характеристики другим частицам. Электрон и введён был как элементарный отрицательный заряд e-, а позитрон (антиэлектрон) – положительный e+. Из них сложены заряды всех тел и частиц, оттого заряд и кратен заряду электрона. Лишь поздней частицы стали наделять собственным зарядом, хотя неясно, с чего ему быть как у электрона. Модель постройки частиц из электронов и позитронов наиболее проста и естественна, поскольку: 1) фундаментальных частиц всего две – e+ и e-; 2) заряд частицы равен сумме зарядов образующих её e+ и e-; 3) магнитный момент частицы равен векторной сумме магнитных моментов e+ и e-; 4) масса частицы есть сумма масс её электронов и позитронов: оценочно их число равно массе частицы, измеренной в массах me. Ведь масса – это количество материи, число однотипных частиц (e+ и e-), образующих тело. Наконец, и объём частицы равен сумме объёмов всех её электронов и позитронов. Не зря размер протона, сложенного из e+ и e-, порядка радиуса электрона – 10-15 м.

Выше было показано, что все "элементарные" частицы на деле отнюдь не элементарны, а состоят из более мелких. Что же удерживает все мелкие частицы-детальки внутри крупных? Как они расположены в крупной частице, какие пространственные структуры образуют? Как было показано выше, ядро, протоны и нейтроны имеют кристаллическую структуру - образованы из периодично расположенных в пространстве электронов и позитронов, образующих своего рода электрон-позитронную решётку. Кристалловидное строение должно быть свойственно не только ядерным частицам, но и мезонам. В конце концов, раз есть кристаллы, построенные из атомов, то почему не быть кристаллам, образованным элементарными частицами, электронами и позитронами? Как и для атомов, клеем, цементирующим мезоны или электроны внутри кристаллов-частиц, могут служить электрические силы. Многие уже считают, что ядерные и другие взаимодействия, удерживающие частицы, – это лишь частные проявления электрического, так же как и магнетизм с гравитацией [79].

Из такого электрон-позитронного строения следует также, что масса частицы равна числу образующих её электронов и позитронов. Напомним, ещё Ньютон определял массу тел как количество заключённой в них материи, тем самым как бы вводя в соответствии с атомистическим учением Демокрита некие первоосновные точечные частицы единичной массы - амеры. И если из них построены все прочие частицы, то масса любой из них – это число таких единиц в её составе. Этими частицами стандартной единичной массы, как видели, окажутся именно электроны с позитронами. Вот как эту идею Демокрита излагает Лукреций [77, с. 42]: "Есть предельная некая точка тела того, что уже недоступно для нашего чувства, то, несомненно, она совсем неделима на части, … ибо другого она единая первая доля, вслед за которой ещё подобные ей, по порядку сомкнутым строем сплотясь, образуют телесную сущность… И ничего ни отторгнуть у них, ни уменьшить природа не допускает уже, семена для вещей сберегая". Как видим, эти единичные частицы-семена (амеры Демокрита) в точности подобны электронам, так же имеющими стандартный вес, который не может уменьшиться (§ 1.5.), и образующие, соединяясь в правильном порядке, все прочие частицы и атомы.

Правильная форма частиц микромира не только энергетически выгодна, но и объясняет, почему одинаковы свойства у частиц одного типа, скажем, у двух протонов: они похожи как кристаллы одного минерала. Насыпьте горсть кристаллов сахарного песка – и в этой россыпи пред вами будут сотни близнецов. Точное подобие формы кристаллов, их граней, идеальное равенство углов – не такую ли идентичность свойств мы наблюдаем у элементарных частиц? Собственно и Демокрит пришёл к идее атомов, наблюдая кристаллические зёрна горных пород, крупинки песка. Кристаллическая форма – единственно возможная для частиц микромира, мира порядка, идеального подобия структур.

Итак, подобно ядрам и протонам (§ 3.2.), из электронов и позитронов составлены, как из кирпичиков, и все прочие частицы – мезоны, гипероны, резонансы и т.п. При этом электроны и позитроны составляют прежде блоки, а уж из них строятся тяжёлые частицы. Мы ведь никогда не говорим, что автомобиль состоит из винтиков, гаек, деталек, сварных листов и т.п. Но показываем, что в нём есть двигатель, трансмиссия, шасси и кузов. Так и частицы правильнее подразделять не на сотни отдельных электронов и позитронов, а на образуемые ими крупные комплексы, блоки, то есть на более сложные и тяжёлые частицы. Выше было показано, что фактически любую частицу можно представить в виде набора трёх типов мезонов, комбинируемых в разных сочетаниях. Потом удалось свести их даже к двум, когда выяснилось, что π-мезоны (пионы) – сами составные. И было сказано, что картину можно ещё упростить и исключить минусовые массы, если признать и μ-мезон (мюон) составной частицей, включающей в себя несколько гаммонов. То, что мюон составной, следует уже из его распада.

Как легко видеть, гаммонов в мюоне может быть не более трёх. Ведь в сумме масса трёх гаммонов 66·3=198 малость не добирает до массы мюона, равной 207, или за вычетом электрона, придающего мюону заряд, 206. Очевидно, остаток с массой, равной восьми электронным (8me), соответствует новой частице. Эту гипотетическую частицу можно назвать окто-мезоном (или октоном – по её массе), обозначив "О". Поскольку она до сих пор не открыта, то, надо думать, она так же нейтральна, как гамма-мезон. Мешает её обнаружению и малая масса. Что касается заряда мюона, то раз его образуют нейтральные гаммоны и октоны, он обязан содержать сверх того один электрон или позитрон. Именно этот электрон вылетает из мюона при его распаде (Рис. 118). Оставшаяся масса мюона, как считают, попросту исчезает. На деле же она сохраняется в виде трёх гаммонов и октона – нейтральных, а потому незаметных. Напомним, что точно так сохраняется в виде гаммонов и масса при распадах пионов.



Рис. 118. Предполагаемая схема распада мюона, его возможное строение и массы компонентов.

Итак, если мюон состоит из трёх гаммонов, одного октона и одного электрона, его масса составит 66·3+8+1=207. Тогда нейтральный пион состоит из четырёх гаммонов, а заряженный пион будет состоять из четырёх гаммонов, октона и электрона. Так что его масса M=66·4+8+1=273. Таким образом, заряженный пион отличается от незаряженного только наличием октона, сцепленного с электроном. Гаммон и октон должны тоже состоять из электронов и позитронов. Удивляет, однако, почему же именно эти сочетания элементарных зарядов образуют стабильные блоки. В случае октона ответ напрашивается сам: ведь 8 – это число, сопряжённое с высокой устойчивостью. Недаром в таблице Менделеева восьмёрка играет столь важную роль, давая восемь групп элементов и служа основным периодом повторения свойств элементов, подобно тому как в музыке через октаву повторяется звукоряд. Также 8 – это одно из шести магических чисел – особо устойчивых сочетаний нейтронов или протонов в ядре. Интересно отметить, что и БТР с "Луноходом" сконструировали восьмиколёсными тоже для обеспечения устойчивости (Рис. 200).

Причину такой "магичности" числа восемь легко понять. Ведь 8=23: именно восемь частиц образуют куб, размещаясь в его вершинах. Видно, так устроен и октон – из чередующихся в углах кубика четырёх электронов и четырёх позитронов. Заметим, что ещё И. Ленгмюр допустил способность восьми электронов, расположенных в атоме в вершинах куба, образовывать сверхстабильную структуру, чем объяснил периодичное повторение свойств элементов и апатичность инертных газов с их целиком заполненными куб-оболочками (Рис. 106). Зато квантовая физика так и не объяснила толком, почему групп элементов ровно восемь. И лишь кристаллическая модель атома позволяет обосновать избранность восьмёрки, поскольку восьмивершинный куб и параллелепипед – это самая распространённая и простая форма кристаллической ячейки.

Осталось выяснить, почему стабильным оказывается и гаммон – частица с массой в 66 электронных. Если дело в устойчивости кристаллической структуры, то причина, возможно, в близости 66 к 64=43. Иными словами, 64 частицы составляют куб с ребром в 4 частицы. И он тоже будет стабильным, поскольку электроны и позитроны стали бы в нём чередоваться, словно положительные и отрицательные ионы в кубическом кристалле соли (Рис. 119). Таким образом, гаммон должен состоять из 32-х электронов и 32-х позитронов. Правда, непонятно, откуда берутся в гаммоне две дополнительные единицы массы. Но, учитывая, что масса его рассчитана теоретически, а не измерена в опыте, вполне может статься, что реальная масса – именно 64. К тому же надо учесть, что взаимодействие электронов и позитронов, сближение и движение отдельных частиц может приводить к неточному измерению их общей массы (§ 3.18.).

Рис. 119. Строение октона и гаммона, составленных из чередующихся электронов и позитронов.



Раз мюоны и пионы – составные, то все прочие частицы, представленные их наборами, можно представить и в виде сочетаний более простых частиц. Поэтому, пользуясь прежними таблицами (Таблица 2 и Таблица 3, учтённые в колонке I) и тем, что μ=3Г+О, π0=4Г, а π= 4Г+О, можно более полную (Таблица 4), где введён новый эквивалентный способ представления (колонка II), по которому все частицы – это наборы гаммонов и октонов. В таком представлении минусовые массы окончательно исчезают. Так, K+-мезон состоит из 14 гаммонов и 5 октонов, что даёт для него M= 66·14+8·5= 964 (реально M= 966). K0-мезон построен из 14 гаммонов и 6 октонов, откуда M=66·14+8·6= 972 (реально M= 974). Неточность возникает от округления масс гаммона и октона до ближайшего целого числа и неучтённых масс электронов и позитронов, дополняющих комбинацию. Но грубо массу любой частицы можно искать по формуле M=66x+8у, где x и y – это числа гаммонов и октонов в частице.

частица

I

II

M









Г

в me

O







1

0

8

Г







0

1

66



1

0

0

1

3

207



0

1

0

0

4

264



0

0

1

1

4

273



6

0

–1

5

14

966



6

–1

0

6

14

974



0

2

2

2

16

1074



2

1

3

5

22

1497



1

4

1

2

23

1534

K*

11

–2

0

11

25

1746

p

1

1

5

6

27

1836

X0

0

4

3

3

28

1875



7

0

2

9

29

1994



0

0

8

8

32

2184



1

7

1

2

35

2328



6

0

4

10

34

2334



10

0

1

11

34

2343



0

4

5

5

36

2419



–2

2

9

7

38

2573



1

9

0

1

39

2586



0

3

7

7

40

2707



8

3

2

10

44

2992



12

3

0

12

48

3273



5

0

9

14

51

3491

D0

1

12

1

2

55

3650

D+

1

11

2

3

55

3658

F

5

9

2

7

59

3955

Таблица 4

Итак, все типы частиц можно представить в виде сочетания двух основных: гаммонов Г (с M=66) и октонов О (с M=8-9). Существование гаммонов подтверждают реакции распада пионов, где бесследно исчезает масса кратная 66. А реальность октонов следует из распада мюонов и того, что в семействах частиц массы M разнятся в среднем как раз на 8,5 единиц. Похоже, гаммоны и октоны, подобно нуклонам в ядре, выстраиваются в некие пространственные структуры, что объясняет стабильность одних частиц и нестабильность других. Мерой стабильности будет, как везде, степень симметрии, совершенства частицы и близость её к правильным геометрическим телам [21]. Частицы, структура которых несовершенна, нестабильны и быстро распадаются. Так и в природе прочнее тела имеющие совершенную кристаллическую форму, менее прочны кристаллы с дефектами структуры. Наконец, самые непрочные аморфные тела, что хорошо видно на примере кварца, кварцевого стекла и обычного стекла.

Более стабильны сочетания, в которых число частиц равно кубу или квадрату целого числа (Рис. 120). Взять, к примеру, гаммоны или октоны, построенные, соответственно, из 64 и 8 частиц. Так же и пионы, состоящие из 4-х гаммонов, образующих квадрат 2x2, живут заметное по меркам микромира время. По той же причине достаточно стабилен η-мезон, составленный из 4x4=16 гаммонов. Наиболее симметричен протон: в нём 27=33 гаммонов. Поэтому протон – одна из немногих стабильных частиц. Другая частица, у которой число гаммонов равно кубу – это Λ+-гиперон: 64=43 (Таблица 5). Вот почему эта частица, несмотря на большую массу, при которой стабильность обычно мала, обладает всё же заметным временем жизни.



Рис. 120. Возможная структура элементарных частиц, состоящих из гаммонов, в свою очередь образованных электронами и позитронами.

Пользуясь этим, можно предсказать новые частицы. Особая стабильность должна отличать частицу из восьми гаммонов, образующих куб, поэтому назовём её кубоном C (Рис. 120). Однако такая частица с M=66·8=528 до сих пор не открыта. Возможно, причиной тому её нейтральность и стабильность (от кубической структуры), что мешает её обнаружить, как и гаммоны с октонами. Правда, согласно книге Д. Данина [43], в космических лучах некогда уверенно фиксировали частицы с массами около 300, 500 и 1000 электронных. Частицы с массой около 300 (π-мезоны) и 1000 (K-мезоны) действительно были впоследствии открыты. Однако частицы с M порядка 500 до сих пор не найдены. Так, может, это были кубоны? Их существование подтверждает и распад η-мезона, который при делении на два заряженных пиона, бесследно теряет в весе как раз массу 528. Не кубон ли её уносит?

Такой кристаллический подход к объяснению стабильности частиц позволяет понять, почему из всех частиц наиболее стабилен, прочен и долгоживуч протон. Таблица 4 сразу даёт на это ответ: только у протона число гаммонов x=27 составляет куб целого числа: 27=33. По-видимому, эти 27 гаммонов складываются в правильный куб вроде кубика Рубика, тоже состоящего из 27 мелких кубиков. Что же касается шести октонов, то они, вероятно, выполняют в этом кубе связующую функцию, подобно тому, как в кубике Рубика есть шесть сцепляющих кубики шарниров, или располагаются на шести его гранях. Таким образом, лёгкие октоны могут играть внутри частиц ту же роль, что нейтроны в ядрах, будучи связующим звеном, цементом, прокладкой между блоками частиц. Могут они выполнять и функции гнезда, в котором крепко сидят электроны и позитроны, придающие частицам заряд. Учитывая сказанное, можно узнать строение и всех прочих частиц, сложенных из кубиков, наподобие игрушечных зданий (Рис. 121). Таким образом, частицы должны выглядеть не как шарики, а иметь углы, грани, кромки, совсем как кристаллы. Микромиру, равно как объектам макро-, да и мегамира, свойственно кристаллическое, ячеистое, клеточное строение!



Рис. 121. Предполагаемое строение протона, а также нейтрального и заряженного пиона, сложенных из сотен электронов и позитронов, словно кристалл соли из ионов Na+ и Cl-.

Стоит отметить, что из одного и того же числа гаммонов и октонов можно составить несколько устойчивых конструкций. Возможно, поэтому частицы данной массы и заряда встречаются в нескольких вариантах. Точно так же и ядра, имеющие одинаковый протон-нейтронный состав могут иметь разные свойства и периоды полураспада за счёт разного пространственного размещения в них протонов и нейтронов (§ 3.6.). Так же и в химии у молекул может быть идентичный атомный состав, но разные свойства. Химические свойства молекулы зависят не только от того, какие её составляют атомы, но и от того в каком порядке они располагаются и какие пространственные структуры образуют, как было открыто ещё русским химиком А. Бутлеровым, и как было предсказано ещё до н.э. Демокритом и Лукрецием (§ 5.16.). Это явление получило название изомерии, а частицы одинакового состава, но разных свойств были названы изомерами. Точно так же, как у молекул, есть изомеры у ядер (§ 3.6.) и элементарных частиц. Так, K0-мезоны состоят из двух сортов частиц: K0S и K0L [86]. Равенство их масс, зарядов и моментов говорит об идентичности их электрон-позитронного состава, но располагаются электроны и позитроны в изомерах по-разному, что и ведёт к различию их свойств (времён жизни и типов распада). Возможен и такой случай, когда электроны и позитроны образуют одинаковые, но зеркально симметричные частицы - зеркальные изомеры, также известные у органических молекул, например сахара, как было открыто ещё Л. Пастером. Возможно, существование правых и левых зеркальных изомеров частиц в разной пропорции ответственно за испускание продуктов распада частиц в избранном направлении (§ 3.11.).

Как же возникает геометрически точная кристаллическая форма атома, ядра и частиц? Разве не должна материя собираться под действием сил притяжения в компактные капли-шарики, какими любят представлять частицы? Природа их геометрически чёткой формы та же, что у кристаллов, правильные грани которых когда-то тоже удивляли людей. Видно, форма кристаллов и подсказала Платону идею частиц-многогранников (§ 5.3.). Ровные плоские грани кристаллов возникают оттого, что они построены из одинаковых упорядоченно сложенных частиц, атомов. Правильное размещение частиц обеспечивает минимум энергии связи, к которому стремятся все системы. Атомам энергетически выгодней не надстраивать атомную плоскость, а дополнять атомные слои до ровных, контактируя с возможно большим числом соседей. Так и возникают правильные многогранные формы кристаллов.

Поскольку атомы, ядра и элементарные частицы имеют структуру кристаллов, то и они, видно, составлены из множества однотипных упорядоченно расположенных частиц. И точно, атом сложен из ядра и электронов, образующих правильные конфигурации – слои, уровни, задающие чёткую структуру таблицы Менделеева (§ 3.3.). Ядро в свою очередь образовано из протонов и нейтронов, расположенных так же упорядоченно, что подтверждают магические числа протонов и нейтронов, образующих особо стабильные ядра (§ 3.6.). Наконец, сами протоны, нейтроны и прочие элементарные частицы вовсе не элементарны, раз могут распадаться. Они образованы другими однотипными частицами – электронами и позитронами, опять же сложенными в виде чёткой решётки.

Итак, именно геометрический, пространственный подход открывает истинную структуру элементарных частиц и позволяет понять многие их свойства. Тогда как квантовый слишком сложен, условен и формален и совершенно не отражает реального устройства частиц. Такой кристаллический подход к строению и распаду частиц мог быть развит ещё век назад первым исследователем радиоактивности – Пьером Кюри. Именно Кюри как химик и физик много сделал для понимания свойств кристаллов и вскрыл важную роль симметрии. Кроме того, будучи исследователем атомного магнетизма и коллегой П. Вейсса, Кюри, наверняка бы принял кристаллическую магнитную модель атома Ритца и мог однажды приложить эти знания к объяснению распадов ядер. Но Кюри погиб в 1906 г. от несчастного случая в возрасте 46 лет, а развитие структурного, кристаллического подхода к радиоактивности задержалось на век. Лишь сейчас к учёным постепенно приходит понимание огромной роли геометрической структуры частиц и ядер. А ведь ещё в Древней Греции Платон и Пифагор осознали большое значение геометрии и правильных геометрических тел для познания микромира [137]. На фоне нынешних учёных, одурманенных теорией относительности и квантовой физикой, даже эти греки выглядят не мистиками, а последовательными материалистами.





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   47   48   49   50   51   52   53   54   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет