Тимофей Гуртовой
РАДИУС ПРОТОНА
Микромир, изучением которого занимается квантовая физика, является второй, однако визуально ненаблюдаемой частью материального Мира. Этот мир представлен широким спектром дискретности, в виде элементарных частиц, начиная с атомов и заканчивая короткоживущими, получаемыми при дроблении материи на ускорителях.
Внутреннее содержание элементарных частиц существующей физике известно лишь в пределах таблицы Менделеева. О конструкции же только предположительно, что она по устройству якобы является копией планетарной системы. Так уж повелось, что описание чего-либо нового, в существующей физике начинается с порочного метода аналогий уже чему-то известному. Хотя Природа не так глупа, как мы, её изучающие, часто в своих умозрительных проектах это представляем.
Физике рациональной о микромире известно намного больше, чем это известно физике существующей . Об этом сказано в достаточной полноте в моих статьях, на сайте «Кулички» в разделе «Физика». Аннотации к ним с адресами имеются в блогах, на проекте «Мой мир».
Микромир .
Самыми малыми стабильными частицами являются электрон и протон .
В физике существующей характеризуются четырьмя основными параметрами: массой, радиусом, зарядом и спином.
Электрон полагается частицей, обладающей отрицательным единичным зарядом. Протон - таким же по величине, но положительным зарядом.
В Физике рациональной - только тремя, т. е. теми же параметрами, исключая заряд, потому, что в нём нет необходимости. Поскольку полярность частиц величина относительная и определяется законом Потенциальной Градации материи , являясь функцией степенного радиуса частицы в обратном порядке.
Разница в радиусах этих частиц невелика. Классический радиус электрона – 2,81794⋅фм.
Радиус протона определённый экспериментально в 2009 г. группой физиков возглавляемой доктором Рандольфом Полем (Randolf Pohl) из института квантовой оптики Макса Планка, оказался равным - 0,8768 фм.
Почему частица, обладающая массой в 1836 раз большей, имеет меньший радиус, с позиций физики существующей , непонятно. Однако Физика рациональная этот кажущийся парадокс объясняет.
Электрон является единственной из стабильных частиц, внутреннее содержание которой, моноструктурно . Остальные, будучи атомами элементов, в том числе и протон - полиструктурны , имеют сложную внутреннюю структуру.
Электронов-шариков, летающих по орбитам вокруг ядра из нуклонов, подобно планетам, движущимся вокруг Солнца, в атомах нет. Нет там и ядра состоящего из нуклонов. Все составляющие внутреннюю структуру атомов элементы – электроны, нуклоны и составленные из них, тех и других группы – кварки (об этом было сказано ранее, при объяснении, почему они не обнаруживаются в свободном состоянии), образуют кольца, вращающиеся вокруг вакуумного керна. Все кольца разделены мизерными пространствами вакуума, которые являются структурным элементом потенциальной связи, крепко сцепляющей всю структуру сложной микрочастицы. Наличие этих пространств вакуумной связи и позволяет атомам иметь прочную целостность массы, стянутой в малый объём.
Это обстоятельство и определяет факты, что протон при большей массе, обладает меньшим радиусом, чем электрон, и является относительно него электрически положительным.
А поскольку более плотная частица обладает большим относительным электрическим потенциалом потому, что её поверхность находится ближе к вакуумному керну, чем поверхность менее плотной, значит, потенциал частицы, это потенциал её поверхности.
Эксперимент по проверке величины радиуса протона .
Описание с позиций физики существующей .
При экспериментах с мезонами (1955 – 1956гг.), Л. Альварес с сотрудниками обнаружили эффект, что мюон, имея массу большую массы электрона, может проявить себя в качестве «тяжелого атомного электрона». При этом образуется так называемый мюонный водород .
Методика эксперимента, как утверждают его авторы, и предусматривала использование этого факта, - замену электрона в атоме водорода, на частицу менее стабильную – мюон , которая в 207 раз тяжелее электрона.
А, учитывая обстоятельство, что, согласно физике существующей, электрон якобы обращается вокруг протона не по строго установленным траекториям - эта элементарная частица может занимать определенные энергетические уровни, посему можно, выяснив, какова разница энергии между двумя этими уровнями, и на основании положений теории квантовой электродинамики вычислить радиус протона.
Основанием полагать, таким образом, было следующее.
В 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд установили, что электрон в атоме водорода может колебаться между двумя энергетическими уровнями (это явление получило название лэмбовского сдвига) .
Сделано это было так. Использовался мощный ускоритель мюонов в швейцарском институте Пауля Шеррера. В емкость, содержащую атомы водорода, запускали мюоны.
После этого, при помощи лазера со специально подобранными характеристиками физики придавали мюону дополнительную энергию, которой, как они говорят, «точно хватало для перехода на следующий уровень» .
После этого, поясняют: «практически сразу мюон вновь возвращался на более низкий энергетический уровень, испуская при этом рентгеновское излучение» .
Рис. 1. Иллюстрация переходов мюонов и излучение, испускаемое в процессе перескока частиц между «орбиталями», согласно физике существующей (иллюстрация Nature).
Анализируя это излучение, была определена энергия уровня, а затем и радиус протона.
Однако радиус протона, полученный экспериментаторами, на 4% меньше принятого на сегодня значения.
Пока причину такого большого расхождения исследователи объяснить не могут. Причин может быть несколько.
1. Ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента.
2. Ошибки в положениях теории квантовой электродинамики.
3. Новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства.
Описание с позиций Физики рациональной .
Во-первых, относительно так называемого лэмбовского сдвига .
Молекулярно-кинетическая теория, объясняющая возникновение теплоты, за щёт кинетики молекул, несостоятельна. Это уже понятно всем. Теплоту создаёт ЭМ излучение, возникающее при торможении элементарных частиц.
Атомы (молекулы) вещества находятся в непрерывной пульсации. Этот процесс сопровождается выбросом его порций, которые формируются в пространственные образования в виде электронов. Взаимодействуя с пространственной средой, возникшие электроны, тормозясь, излучают ЭМ кванты.
Поглощают ЭМ кванты только частицы, имеющие сложную структуру, т. е. все (атомы, молекулы), кроме электронов. Поглощение приводит к перестройке их внутренней структуры и большей амплитуде пульсаций. Именно этот процесс и наблюдали в 1947 г. американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд, приняв изменение амплитуды пульсаций протона за якобы переход его электрона на иную «орбиталь».
Протон, как и все атомы, непрерывно воспринимая извне ЭМ кванты теплового и светового диапазонов, пульсируя, выбрасывая частички своей материи, которые тут же тормозясь и лишаясь, за щот излучения, энергии, расплываясь, превращаются в частицы эфира, которые рассредоточиваются в Пространстве.
Всё это и создаёт видимость размытых, не четких его границ.
«Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры, но, разумеется, его нельзя представлять как «твердый шарик» - четкой пространственной границы у него нет.
Если следовать современным физическим теориям, протон скорее напоминает облако с размытыми краями, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц» .
Теперь по поводу процесса в ходе эксперимента. Никакой замены электрона в атоме водорода мюоном, не происходит. Да и водород там был нужен только в качестве своего рода «катализатора» в процессе.
Ускоряемый мюон, согласно закону сохранения энергии и массы в движении приобретая дополнительную массу, становится более тяжелым, но не настолько, чтобы за счёт этого ускорения достичь массы протона. Лазерный луч, своей энергией доводит процесс утяжеления мюона до массы, большей массы протона. То есть происходит обычная накачка частицы энергией, как в лазере.
После этого частица становится настолько тяжелой, искусственно радиоактивной, что при первом же взаимодействии с атомом водорода, попавшимся на её пути, тормозясь, «разрешается» своим «бременем», испуская ЭМ квант и теряя внутреннюю энергию до величины своей стабильности . При этом она полностью теряет и свою энергию кинетическую , т. е. превращается в частицу в состоянии покоя . Таким образом, тот радиус, который был экспериментаторами вычислен на основании результатов полученных в эксперименте, - это радиус покоя протона .
Каким образом, и по какой методике был произведён расчёт радиуса протона экспериментаторами, исходя из полученной величины энергии рентгеновского кванта, мне не ведомо.
Однако, если скорость мюонов была – V = 0,4 C, то всё верно. Согласно Физике рациональной, нулевая масса у протона именно такая.
Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса элементарной частицы.
Протон наряду с нейтроном входит в состав атомных ядер. Напрямую определить размер этой частицы нельзя, так как у нее нет четкой пространственной границы. Тем не менее, ученые могут оценить радиус протона, определив, насколько далеко простирается его положительный заряд. Для того чтобы провести такие измерения, исследователи работают с атомами водорода, которые состоят из одного протона и одного электрона. Электрон обращается вокруг протона не по строго установленным траекториям - эта элементарная частица может занимать определенные энергетические уровни. В 1947 году американские физики Уиллис Юджин Лэмб и Роберт Резерфорд установили, что электрон в атоме водорода может колебаться между двумя энергетическими уровнями (это явление получило название лэмбовского сдвига). Выяснив, какова разница энергии между двумя этими уровнями, ученые могут на основании положений теории квантовой электродинамики вычислить радиус протона, уточняет портал ScienceNOW.
Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная электронная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.
Используя самый мощный ускоритель мюонов в швейцарском институте Пауля Шеррера, ученые "запускали" мюоны в емкость, содержащую атомы водорода. При этом примерно каждый сотый мюон, заменивший электрон, "проваливался" до более высокого энергетического уровня из "разрешенных" лэмбовским сдвигом. Такие частицы существовали в течение двух микросекунд, что на порядок дольше, чем в проводимых ранее экспериментах. При помощи лазера со специально подобранными характеристиками физики придавали мюону дополнительную энергию, которой точно хватало для перехода на следующий уровень. Практически сразу мюон вновь возвращался на более низкий энергетический уровень, испуская при этом рентгеновское излучение, поясняет Wired. Анализируя это излучение, специалисты смогли определить энергию уровня и затем радиус протона. Здесь можно увидеть видео на английском языке, в котором отражены основные этапы эксперимента.
По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства.
Фемтометр — это одна миллионная одной миллиардной доли метра, 10. -15 метра. Несоответствие в четыре сотых этой длины грозит чуть ли не перевернуть наши представления о микромире с ног на голову.
Сегодня ситуация выглядит следующим образом. С середины прошлого века физики пытаются измерить радиус протона, и до 2010 года у них это здорово получалось. Эксперименты ставились разные, но принцип оставался один — измерение квантованных энергетических уровней, на которых может находиться электрон в атоме водорода, или, грубо говоря, высоты его возможных орбит. Величина этих уровней отчасти зависит от радиуса протона, составляющего ядро атома водорода. Эта часть жестко определяется законами квантовой механики, и, зная уровни, можно путем относительно несложных вычислений определить радиус протона. Прежние эксперименты давали для протона одну и ту же величину радиуса — 0,877 фемтометра — с точностью 1-2%, в зависимости от эксперимента. Самое последнее и самое точное измерение подправило эту цифру до четвертого знака после запятой — 0,8768 фемтометра.
Но два года назад группа физиков во главе с Рэндольфом Полом из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Германии решила измерить этот радиус более радикальным способом, заменив электроны в атомах водорода их близкими родственниками — мюонами.
Мюоны в двести раз массивнее электрона, что делает их намного более чувствительными к размеру протона. С помощью ускорителя облако атомов водорода обстреливали пучком мюонов, которые в результате занимали места электронов у некоторой части этих атомов.
Результат получился ошеломляющим: вместо привычного размера 0,877 фемтометра получился размер 0,84.
Протон необъяснимым образом сжался.
По существующим представлениям, протон — частица, состоящая из трех кварков, не может менять свой радиус в зависимости от того, какие массы над ним летают. После скрупулезнейшей проверки была отвергнута и мысль об инструментальной ошибке эксперимента, а уж об ошибках в прошлых экспериментах с обычным атомом водорода, дающих величину радиуса протона в 0,877 фемтометра, нечего и говорить: эти эксперименты исчисляются сотнями.
В эксперименте, описанном в Science, команда во главе с Альдо Антоньини из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе мерила радиус протона снова с помощью атомов мюонного водорода — на этот раз с другим набором энергетических уровней.
Результат получился тот же, что и два года назад, - 0,84 фемтометра.
По словам одного из авторов статьи, Инго Сика из Базельского университета (Швейцария), этот результат, вместо того чтобы прояснить ситуацию, сделал ее еще более таинственной. «Многие пытались объяснить это несоответствие, но пока никто не преуспел», — говорит он.
Самое радикальное объяснение такому несоответствию — наличие новой, никому не известной физики, утверждающей, что мюоны чуть-чуть иначе взаимодействуют с протонами, чем электроны. Однако Сик и его коллега по последнему эксперименту, Джон Аррингтон из Аргоннской национальной лаборатории, сомневаются в таком объяснении. Они верят в современное понимание физики, согласно которому фундаментальное различие между мюоном и электроном «трудно себе представить».
Есть идея и о существовании некой неизвестной частицы, которая вмешивается во взаимодействие мюона с протоном. Это может быть, например, одна из частиц, из которых состоит темная материя. Но поскольку непонятно, каким образом она может менять это взаимодействие, и поскольку она пока вообще не найдена, эта гипотеза остается чисто умозрительной и ничем не подкрепленной.
Некоторые надежды физики возлагают на новые эксперименты, теперь уже не с мюонным водородом, а с мюонным гелием. Но эти эксперименты только готовятся и будут завершены через несколько лет.
Пол и его коллеги не использовали электроны для измерения протона. Вместо этого, они подключили к делу другую негативно заряженную частицу, которая называется мюон. Мюон в 200 раз тяжелее электрона, поэтому его орбиталь по отношению к протону располагается в 200 раз ближе. Такой вес облегчает задачу ученых предсказать, на какую орбиталь смещается мюон, а следовательно более точно узнать размер протона.
«Мюон ближе к протону и ему лучше его видно», - говорит Пол.
Возможные объяснения
Эти измерения с помощью чувствительных мюонов и обеспечили физикам неожиданные результаты. Совершенно неожиданно. Теперь физики пытаются объяснить расхождения.
Самым простым объяснением может быть элементарная ошибка в расчетах. Примерно так же физики опростоволосились, когда выяснили, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света. Пол говорит, что «скучное объяснение» наиболее вероятно, но не все физики с ним согласны.
«Не могу сказать, что в эксперимент закралась ошибка», - говорит физик из Массачусетского технологического института Ян Бернауэр.
Он также не отрицает, что измерения с помощью электронов проводились много раз, и что если в мюонный эксперимент закралась погрешность и он был проведен неправильно, результаты, конечно же, аннулируются.
Но если «эксперимент невиновный», могут быть ошибки и в расчетах, а значит «мы знаем, что происходит, просто считаем неправильно», отмечает Бернауэр.
Самым захватывающим может быть то, что расхождение положит начало новой физике, которая не объясняется Стандартной моделью и , но все так же исправно работает. Возможно, физики чего-то не знают о том, как мюоны и электроны взаимодействуют с другими частицами. Так считает Джон Аррингтон, физик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Возможно, фотоны - не единственные частицы, которые переносят силу между частицами, и в дело вошла доселе неизвестная частица, которая и породила непонятные результаты в измерении протона.
Что дальше?
Чтобы выяснить, что происходит, физики запускают целый ряд экспериментов в разных лабораториях. Одним из основных направлений исследований будет тестирование электронного рассеяния, чтобы убедиться, что оно работает правильно, и не искать без вины виноватый мюон.
Друга цель - эксперименты с рассеянием, но вместо электронов для обстрела будут использоваться мюоны. Этот проект под названием MuSE (Muon Scattering Experiment, или эксперимент рассеяния мюонов) будет иметь место в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии. Там есть все необходимые установки для высокоточных экспериментов, более того, там появится возможность провести электронное и мюонное рассеяние в одном эксперименте.
«Есть надежда, что нам удастся во второй раз повторить результаты первого эксперимента», - говорит Аррингтон. - «Если расхождение останется, мы заглянем в ту же коробку и посмотрим, есть ли определенная зависимость от места проведения эксперимента, или же электроны и мюоны преподнесут нам нечто принципиально новое?».
Сбор данных начнется в 2015-2016 году. Аррингтон отметил, что вопрос размера протона пока будет находиться в подвешенном состоянии.
«Это не так просто. Мы надеемся уточнить его минимум за 10 лет, но это оптимистичные прогнозы».
Как то я уже писал о "неуловимых" мюонах и, связанным с ними таком физическом явлении, как молнии:
А сегодня во френдленте прочитал интересную статью, детально раскрывающую природу мюона и связанного с ним "меньшего, чем обычно" протона. Кто заинтересовался - статья под катом.
«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.
Оригинал взят у mord08 в Размеры протона. Необъяснимое...
О радиусе протона
Прежде всего, я хочу поблагодарить блоггера Миронову Валентину Юрьевну, благодаря которой я узнал о существовании проблемы расхождений в результатах, получаемых при измерениях размеров протона, которые стабильно повторяются в процессе его измерений различными способами. А также моего постоянного в течение уже многих лет корреспондента издалека, благодаря которому я получил и подробное описание методик тех измерений. А теперь о сути проблемы и сначала цитата.
«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.
Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная элементарная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.
По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства».
Вот, что приходит в голову по поводу этого исключительно важного сообщения.
Прежде всего нужно вспомнить, что электрон в атоме в ассоциации с протоном не является частицей, в форме которой он существует, находясь вне этой системы. Внутри этой системы его можно представить в форме объемного энергетического вихря, обладающего определенной кинетической энергией и отрицательным электрическим зарядом. Как часто говорят, «Облака», форма которого и значение его массы инерции определяется занимаемым им в атоме энергетическим уровнем.
Следующим, что нужно иметь в виду для того, чтобы получить достаточно логичные объяснения полученным в упомянутом эксперименте результатам, что согласно Концепции MWT кинетическая энергия представляет собой некую потенциальную энергию, которая накапливается в пространстве Более Высокой Мерности (БВМ) в процессах различных в нашем мире взаимодействий, и может возвращаться обратно в наш мир в ответ на приложение к физическому объекту, ею обладающему, воздействия, противоположного тому, которое было в процессе ее накопления. (Вывод из описания решений математики Янга-Миллса).
И, наконец, еще одно и самое важное для понимания рассматриваемой проблемы обстоятельство. Как когда-то написал Платон: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части». Иными словами, замена электрона в системе ассоциированных протона с электроном на мюон не только замена одного из составляющих систему элементов на другой, это - замена одной находящейся в стабильном динамическом равновесном состоянии системы на другую, которая, тем не менее, также должна оставаться в стабильном динамическом равновесном состоянии. А это новое состояние может образоваться только в том случае, если произойдут какие-то изменения у всех составляющих систему элементов. В нашем случае - должен каким-то образом измениться и протон. Еще раз: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части».
Для пояснения выдвинутого предположения можно сказать следующее.
Чтобы сохранить вновь образовавшуюся систему в таком же динамическом равновесии, более тяжелый мюон естественно должен приблизиться к тому, чем стал новый протон. Чтобы удержать мюон в новой системе, протон должен найти в себе для этого достаточно энергии. И самым центральным для удовлетворительного объяснения наблюдаемого в результате эксперимента вывода является ответ на вопрос - откуда она может у него появиться?
Протон представляет собой ассоциацию трех кварков, энергия которых практически полностью состоит из кинетической энергии вращения и которые составляют систему, находящуюся в динамическом равновесном состоянии, поддерживаемом взаимодействием конфайнмента, взаимодействием «Наоборот», которое с ростом расстояния между физическими объектами увеличивается, а с уменьшением расстояния - ослабевает.
Поскольку это динамическое равновесие может поддерживаться неопределенно долгое время, а подобные динамические равновесные системы подвергаются постоянным возмущениям, но какого-то источника корректирующей эти возмущения энергии в нашем мире пока не нашлось, остается предположить, что корректирующая энергия может поступать лишь из пространства БВМ.
Подобным возмущением по сути является и замена электрона на мюон, а получить ту необходимую протону энергию, которая была уже упомянута, он также может лишь из пространства БВМ. Но, в таком случае, если меняется внутренняя энергия протона, в нем изменяются и условия нового состояния конфайнмента. Скорее всего, кварки должны сблизиться для увеличения внутренней энергии системы, или, иными словами, создать, тем самым, новый протон. Что и обнаруживается в упомянутом эксперименте и, скорее всего, сможет найти свое подтверждение в достаточно адекватной математической модели, отображающей этот феномен.