Тимофій Гуртовий
РАДІУС ПРОТОНУ
Мікросвіт, вивченням якого займається квантова фізика, є другою, проте візуально неспостережуваною частиною матеріального Світу. Цей світ представлений широким спектром дискретності, як елементарних частинок, починаючи з атомів і закінчуючи короткоживущими, одержуваними при дробленні матерії на прискорювачах.
Внутрішнє зміст елементарних частинок існуючої фізики відоме лише межах таблиці Менделєєва. Про конструкцію ж лише імовірно, що вона за пристроєм нібито є копією планетарної системи. Так уже повелося, що опис чогось нового, у існуючій фізиці починається з порочного методу аналогій вже чогось відомого. Хоча Природа не така дурна, як ми, її вивчаючі, часто у своїх умоглядних проектах це уявляємо.
Фізиці раціональноїпро мікросвіт відомо набагато більше, ніж це відомо фізики існуючої. Про це сказано у достатній повноті у моїх статтях, на сайті «Кулички» у розділі «Фізика». Анотації до них із адресами є у блогах, на проекті «Мій світ».
Мікросвіт.
Найменшими стабільними частинками є електроні протон.
У фізики існуючоїхарактеризуються чотирма основними параметрами: масою, радіусом, зарядом та спином.
Електрон належить частинкою, що має негативний одиничний заряд. Протон - таким самим за величиною, але позитивним зарядом.
У Фізиці раціональної- лише трьома, т. е. тими самими параметрами, виключаючи заряд, оскільки у ньому немає необхідності. Оскільки полярність частинок величина відносна та визначається законом Потенційної Градації матерії, будучи функцією статечного радіусу частинки у зворотному порядку.
Різниця в радіусах цих часток невелика. Класичний радіус електрона – 2,81794⋅фм.
Радіус протона визначений експериментально в 2009 р. групою фізиків, яку очолює доктор Рандольф Поль (Randolf Pohl) з інституту квантової оптики Макса Планка, виявився рівним - 0,8768 фм.
Чому частка, що має масу в 1836 разів більшу, має менший радіус, з позицій фізики існуючоїнезрозуміло. Однак Фізика раціональнацей парадокс, що здається, пояснює.
Електрон є єдиною із стабільних частинок, внутрішній вміст якої, моноструктурно. Інші, будучи атомами елементів, у тому числі і протон - поліструктурні, мають складну внутрішню структуру
Електронів-кульок, що літають по орбітах навколо ядра з нуклонів, подібно до планет, що рухаються навколо Сонця, в атомах немає. Немає там і ядра, що складається з нуклонів. Всі складові внутрішню структуру атомів елементи – електрони, нуклони і складені з них, тих та інших групи – кварки (про це було сказано раніше, при поясненні, чому вони не виявляються у вільному стані) утворюють кільця, що обертаються навколо вакуумного керна. Всі кільця розділені мізерними просторами вакууму, які є структурним елементом потенційного зв'язку, що міцно зчеплює всю структуру складної мікрочастинки. Наявність цих просторів вакуумного зв'язку дозволяє атомам мати міцну цілісність маси, стягнутої в малий обсяг.
Ця обставина і визначає факти, що протон при більшій масі, має менший радіус, ніж електрон, і є щодо нього електрично позитивним.
А оскільки більш щільна частка має великий відносний електричний потенціал тому, що її поверхня знаходиться ближче до вакуумного керну, ніж поверхня менш щільна, значить, потенціал частинки, це потенціал її поверхні.
Експеримент із перевірки величини радіусу протону.
Опис із позицій фізики існуючої.
При експериментах із мезонами (1955 – 1956гг.), Л. Альварес із співробітниками виявили ефект, що мюон, маючи масу велику масу електрона, може проявити себе як «важкого атомного електрона». При цьому утворюється так званий мюонний водень.
Методика експерименту, як стверджують його автори, та передбачала використання цього факту, - заміну електронав атомі водню, на частку менш стабільну – мюон, яка у 207 разів важча за електрон.
А, враховуючи обставину, що, згідно з існуючою фізикою, електрон нібито звертається навколо протона не по суворо встановлених траєкторіях - ця елементарна частка може займати певні енергетичні рівні, тому можна, з'ясувавши, яка різниця енергії між двома цими рівнями, і на підставі положень теорії квантової електродинаміки обчислити радіус протона
Підставою вважати, таким чином, було таке.
У 1947 році американські фізики Вілліс Юджін Лемб і Роберт Резерфорд встановили, що електрон в атомі водню може коливатися між двома енергетичними рівнями (це явище отримало назву лембовського зсуву).
Зроблено це було так. Використовувався потужний прискорювач мюонів у швейцарському університеті Пауля Шеррера. У ємність, що містить атоми водню, запускали мюони.
Після цього, за допомогою лазера зі спеціально підібраними характеристиками фізики надавали мюону додаткову енергію, якою, як вони кажуть, « точно вистачало для переходу на наступний рівень».
Після цього пояснюють: « практично відразу мюон знову повертався на нижчий енергетичний рівень, випускаючи у своїй рентгенівське випромінювання».
Мал. 1. Ілюстрація переходів мюонів та випромінювання, що випускається в процесі перескоку частинок між «орбіталями», згідно з існуючою фізикою (ілюстрація Nature).
Аналізуючи це випромінювання, було визначено енергія рівня, та був і радіус протона.
Однак радіус протона, отриманий експериментаторами, на 4% менше від прийнятого на сьогодні значення.
Поки що причину такої великої розбіжності дослідники пояснити не можуть. Причин може бути кілька.
1. Помилка (або помилки), що сталася на одній із стадій експерименту.
2. Помилки у положеннях теорії квантової електродинаміки.
3. Нові результати свідчать, що в протона існують абсолютно невідомі фізикам властивості.
Опис із позиційФізики раціональної.
По-перше, щодо так званого лембовського зсуву.
Молекулярно-кінетична теорія, що пояснює виникнення теплоти, за рахунок кінетики молекул, неспроможна. Це вже всім зрозуміло. Теплоту створює ЕМ випромінювання, що виникає при гальмуванні елементарних частинок.
Атоми (молекули) речовини перебувають у безперервній пульсації. Цей процес супроводжується викидом його порцій, які формуються у просторові утворення у вигляді електронів. Взаємодіючи з просторовим середовищем, електрони, що гальмувалися, випромінюють ЕМ кванти.
Поглинають ЕМ кванти лише частинки, що мають складну структуру, тобто всі (атоми, молекули), крім електронів. Поглинання призводить до перебудовіїх внутрішньої структури та більшої амплітудіпульсацій. Саме цей процес і спостерігали в 1947 р. американські фізики Вілліс Юджін Лемб і Роберт Резерфорд, прийнявши зміну амплітуди пульсацій протона за нібито перехід його електрона на іншу «орбіталь».
Протон, як і всі атоми, безперервно сприймаючи ззовні ЕМ кванти теплового і світлового діапазонів, пульсуючи, викидаючи частинки своєї матерії, які відразу гальмуючи і позбавляючись, за щот випромінювання, енергії, розпливаючись, перетворюються на частинки ефіру, які розосереджуються в Просторі.
Все це створює видимість розмитих, не чітких його кордонів.
« Будучи складовою, протон має кінцеві розміри, але, зрозуміло, його не можна представляти як «тверда кулька» - чіткої просторової межі у нього немає.
Якщо слідувати сучасним фізичним теоріям, протон швидше нагадує хмару з розмитими краями, що складається з віртуальних частинок, що народжуються і анігілюють».
Тепер щодо процесу в ході експерименту. Жодної заміни електрона в атомі водню мюоном не відбувається. Та й водень там був потрібен лише як свого роду «каталізатор» у процесі.
Мюон, що прискорюється, згідно із законом збереження енергії та маси в русінабуваючи додаткової маси, стає більш важким, але не настільки, щоб за рахунок цього прискорення досягти маси протона. Лазерний промінь своєю енергією доводить процес обтяження мюона до маси, більшої маси протона. Тобто відбувається звичайне накачування частки енергією, як у лазері.
Після цього частка стає настільки важкою, штучно радіоактивною, що при першій же взаємодії з атомом водню, що трапився на її шляху, гальмуючи, «дозволяється» своїм «тягарем», випускаючи ЕМ квант і втрачаючи внутрішню енергію до величини своєї стабільності. При цьому вона повністювтрачає і свою енергію кінетичну, Т. е. перетворюється на частинку в стані спокою. Таким чином, той радіус, який був експериментаторами обчислений на підставі результатів, отриманих в експерименті, - це радіус спокою протону .
Як і за якою методикою був проведений розрахунок радіусу протона експериментаторами, виходячи з отриманої величини енергії рентгенівського кванта, мені не відомо.
Однак, якщо швидкість мюонів була - V = 0,4 C, то все правильно. Згідно з Фізикою раціональною, нульова маса у протона саме така.
Радіус протона виявився на 4 відсотки менше, ніж вважалося досі. Такий висновок був зроблений групою фізиків, які провели найточніший на сьогоднішній день вимір радіусу елементарної частки.
Протон поряд із нейтроном входить до складу атомних ядер. Безпосередньо визначити розмір цієї частки не можна, тому що вона не має чіткого просторового кордону. Проте, вчені можуть оцінити радіус протона, визначивши, наскільки далеко тягнеться його позитивний заряд. Для того щоб провести такі вимірювання, дослідники працюють з атомами водню, які складаються з одного протону та електрона. Електрон обертається навколо протона не суворо встановленим траєкторіям - ця елементарна частка може займати певні енергетичні рівні. У 1947 році американські фізики Вілліс Юджін Лемб і Роберт Резерфорд встановили, що електрон в атомі водню може коливатися між двома енергетичними рівнями (це явище отримало назву лембовського зсуву). З'ясувавши, яка різниця енергії між цими двома рівнями, вчені можуть на підставі положень теорії квантової електродинаміки обчислити радіус протона, уточнює портал ScienceNOW.
Автори нової роботи вирішили уточнити отримані раніше оцінки розміру протона, використавши незвичайну технологію експерименту. Фізики отримували структуру, подібну до атома водню, в якій замість електрона знаходився мюон - негативно заряджена електронна частка в 207 разів важча за електрон. Через різницю в масі мюон звертається приблизно в 200 разів ближче до протону і зміни його енергетичних рівнів набагато сильніше залежать від характеристик протона.
Використовуючи найпотужніший прискорювач мюонів у швейцарському інституті Пауля Шеррера, вчені "запускали" мюони в ємність атомів водню. При цьому приблизно кожен сотий мюон, який замінив електрон, "провалювався" до вищого енергетичного рівня з "дозволених" лембівським зрушенням. Такі частки існували протягом двох мікросекунд, що на порядок довше, ніж у експериментах, що проводилися раніше. За допомогою лазера зі спеціально підібраними характеристиками фізики надавали мюону додаткову енергію, якої вистачало для переходу на наступний рівень. Майже відразу мюон знову повертався на нижчий енергетичний рівень, випускаючи при цьому рентгенівське випромінювання, пояснює Wired. Аналізуючи це випромінювання, фахівці змогли визначити енергію рівня та радіус протона. Тут можна побачити відео англійською мовою, де відображені основні етапи експерименту.
За підсумками проведених дослідів вчені вирахували, що радіус протона становить 0,84184 фемтометрів (фемтометр - це 10-15 метрів), що на 4 відсотки менше прийнятого на сьогодні значення. Поки що дослідники не можуть пояснити нові результати, оскільки вони суперечать теорії квантової електродинаміки, яка вважається найточнішою фізичною теорією. Колеги авторів не виключають, що причиною розбіжності може бути помилка (або помилки), що сталася на одній із стадій експерименту. Ще одне можливе пояснення – помилки у положеннях теорії квантової електродинаміки. І, нарешті, третій варіант, про який фахівці говорять дуже обережно, - нові результати свідчать про те, що у протона існують абсолютно невідомі фізикам властивості.
Фемтометр - це одна мільйонна однієї мільярдної частки метра, 10 -15 метра. Невідповідність у чотири соті цієї довжини загрожує мало не перевернути наші уявлення про мікросвіт з ніг на голову.
Сьогодні ситуація виглядає так. З середини минулого століття фізики намагаються виміряти радіус протона, і до 2010 року вони це чудово виходили. Експерименти ставилися різні, але принцип залишався один — вимір квантованих енергетичних рівнів, на яких може знаходитись електрон в атомі водню, або, грубо кажучи, висоти його орбіт. Розмір цих рівнів частково залежить від радіусу протона, що становить ядро атома водню. Ця частина жорстко визначається законами квантової механіки, і знаючи рівні можна шляхом відносно нескладних обчислень визначити радіус протона. Колишні експерименти давали для протона одну й ту саму величину радіусу - 0,877 фемтометра - з точністю 1-2%, залежно від експерименту. Останній і найточніший вимір підправив цю цифру до четвертого знака після коми — 0,8768 фемтометра.
Але два роки тому група фізиків на чолі з Рендольфом Полом із Інституту квантової оптики ім. Макса Планка у Німеччині вирішила виміряти цей радіус радикальнішим способом, замінивши електрони в атомах водню їхніми близькими родичами — мюонами.
Мюони в двісті разів масивніші за електрон, що робить їх набагато більш чутливими до розміру протона. За допомогою прискорювача хмара атомів водню обстрілювали пучком мюонів, які в результаті займали місця електронів у деяких цих атомів.
Результат вийшов приголомшливим: замість звичного розміру 0,877 фемтометра вийшов розмір 0,84.
Протон незрозумілим чином стиснувся.
За існуючими уявленнями протон — частка, що складається з трьох кварків, не може змінювати свій радіус залежно від того, які маси над ним літають. Після скрупульозної перевірки була відкинута і думка про інструментальну помилку експерименту, а вже про помилки в минулих експериментах із звичайним атомом водню, що дають величину радіусу протона в 0,877 фемтометра, нічого й казати: ці експерименти обчислюються сотнями.
В експерименті, описаному в Science, команда на чолі з Альдо Антоньїні із Швейцарського федерального технологічного інституту в Цюріху міряла радіус протона знову за допомогою атомів мюонного водню — цього разу з іншим набором енергетичних рівнів.
Результат вийшов той самий, що й два роки тому - 0,84 фемтометра.
За словами одного з авторів статті, Інго Сіка з Базельського університету (Швейцарія), цей результат замість того, щоб прояснити ситуацію, зробив її ще таємничішою. «Багато хто намагався пояснити цю невідповідність, але поки що ніхто не досяг успіху», — каже він.
Найрадикальніше пояснення такій невідповідності — наявність нової, нікому не відомої фізики, яка стверджує, що мюони трохи інакше взаємодіють із протонами, ніж електрони. Однак Сік та його колега за останнім експериментом, Джон Аррінгтон з Аргонського національної лабораторії, сумніваються в такому поясненні. Вони вірять у сучасне розуміння фізики, згідно з яким фундаментальну різницю між мюоном і електроном «важко собі уявити».
Є ідея про існування якоїсь невідомої частки, яка втручається у взаємодію мюона з протоном. Це може бути, наприклад, одна з частинок, у тому числі складається темна матерія. Але оскільки незрозуміло, яким чином вона може змінювати цю взаємодію, і оскільки вона поки що взагалі не знайдена, ця гіпотеза залишається чисто умоглядною і нічим не підкріпленою.
Деякі надії фізики покладають нові експерименти, тепер не з мюонним воднем, і з мюонним гелієм. Але ці експерименти тільки готуються і будуть завершені за кілька років.
Підлога та її колеги не використовували електрони для вимірювання протона. Натомість вони підключили до справи іншу негативно заряджену частинку, яка називається мюон. Мюон у 200 разів важчий за електрон, тому його орбіталь по відношенню до протону розташовується в 200 разів ближче. Така вага полегшує завдання вчених передбачити, яку орбіталь зміщується мюон, отже точніше дізнатися розмір протона.
«Мюон ближче до протону і йому краще за нього видно», - каже Пол.
Можливі пояснення
Ці вимірювання за допомогою чутливих мюонів забезпечили фізикам несподівані результати. Цілком несподівано. Тепер фізики намагаються пояснити розбіжності.
Найпростішим поясненням може бути елементарна помилка у розрахунках. Приблизно так само фізики опростоволосилися, коли з'ясували, що нейтрино можуть рухатися швидше за швидкість світла. Підлога каже, що «нудне пояснення» найімовірніше, але не всі фізики з ним згодні.
"Не можу сказати, що в експеримент закралася помилка", - каже фізик з Массачусетського технологічного інституту Ян Бернауер.
Він також не заперечує, що вимірювання за допомогою електронів проводилися багато разів, і якщо в мюонний експеримент закралася похибка і він був проведений неправильно, результати, звичайно ж, анулюються.
Але якщо «експеримент невинний», можуть бути помилки і в розрахунках, а значить, «ми знаємо, що відбувається, просто вважаємо неправильно», зазначає Бернауер.
Найбільш захоплюючим може бути те, що розбіжність започаткує нову фізику, яка не пояснюється Стандартною моделлю і, але так само справно працює. Можливо, фізики чогось не знають про те, як мюони та електрони взаємодіють з іншими частинками. Так вважає Джон Аррінгтон, фізик з Аргонського національної лабораторії в Іллінойсі.
Можливо, фотони – не єдині частинки, які переносять силу між частинками, і до справи увійшла досі невідома частка, яка й породила незрозумілі результати у вимірі протона.
Що далі?
Щоб з'ясувати, що відбувається, фізики запускають цілу низку експериментів у різних лабораторіях. Одним з основних напрямів досліджень буде тестування електронного розсіювання, щоб переконатися, що воно працює правильно, і не шукати винний мюон без вини.
Друга мета – експерименти з розсіюванням, але замість електронів для обстрілу використовуватимуться мюони. Цей проект під назвою MuSE (Muon Scattering Experiment, або експеримент розсіювання мюонів) матиме місце в Інституті Пауля Шеррера у Швейцарії. Там є всі необхідні установки для високоточних експериментів, більше того, там з'явиться можливість провести електронне та мюонне розсіювання в одному експерименті.
"Є надія, що нам вдасться вдруге повторити результати першого експерименту", - каже Аррінгтон. - «Якщо розбіжність залишиться, ми зазирнемо в ту ж коробку і подивимося, чи є певна залежність від місця проведення експерименту, чи електрони і мюони піднесуть нам щось принципово нове?».
Збір даних розпочнеться у 2015-2016 році. Аррінгтон зазначив, що питання розміру протона поки перебуватиме у підвішеному стані.
Це не так просто. Ми сподіваємося уточнити його щонайменше за 10 років, але це оптимістичні прогнози».
Як то я вже писав про "невловимі" мюони і, пов'язане з ними таке фізичне явище, як блискавки:
А сьогодні у френдстрічці прочитав цікаву статтю, яка детально розкриває природу мюона і пов'язаного з ним "меншого, ніж зазвичай" протона. Хто зацікавився – стаття під катом.
«Радіус протона виявився на 4 відсотки меншим, ніж вважалося досі. Такий висновок був зроблений групою фізиків, які провели найточніший на сьогоднішній день вимір радіусу частинки. Свої результати вчені опублікували у журналі Nature. Коротко про роботу пише New Scientist.
Оригінал взято у mord08 Розміри протона. Нез'ясовне...
Про радіус протону
Перш за все, я хочу подякувати блогеру Миронову Валентину Юріївну, завдяки якій я дізнався про існування проблеми розбіжностей у результатах, одержуваних при вимірюваннях розмірів протона, які стабільно повторюються в процесі його вимірювань у різний спосіб. А також мого постійного впродовж уже багатьох років кореспондента здалеку, завдяки якому я одержав і докладний опис методик тих вимірювань. А тепер про суть проблеми та спочатку цитата.
«Радіус протона виявився на 4 відсотки меншим, ніж вважалося досі. Такий висновок був зроблений групою фізиків, які провели найточніший на сьогоднішній день вимір радіусу частинки. Свої результати вчені опублікували у журналі Nature. Коротко про роботу пише New Scientist.
Автори нової роботи вирішили уточнити отримані раніше оцінки розміру протона, використавши незвичайну технологію експерименту. Фізики отримували структуру, подібну до атома водню, в якій замість електрона знаходився мюон - негативно заряджена елементарна частка в 207 разів важча електрона. Через різницю в масі мюон звертається приблизно в 200 разів ближче до протону і зміни його енергетичних рівнів набагато сильніше залежать від характеристик протона.
За підсумками проведених дослідів вчені вирахували, що радіус протона становить 0,84184 фемтометрів (фемтометр - це 10-15 метрів), що на 4 відсотки менше прийнятого на сьогодні значення. Поки що дослідники не можуть пояснити нові результати, оскільки вони суперечать теорії квантової електродинаміки, яка вважається найточнішою фізичною теорією. Колеги авторів не виключають, що причиною розбіжності може бути помилка (або помилки), що сталася на одній із стадій експерименту. Ще одне можливе пояснення – помилки у положеннях теорії квантової електродинаміки. І, нарешті, третій варіант, про який фахівці говорять дуже обережно, - нові результати свідчать про те, що у протона існують абсолютно невідомі фізикам властивості».
Ось, що спадає на думку з приводу цього виключно важливого повідомлення.
Насамперед слід згадати, що електрон в атомі в асоціації з протоном не є частинкою, у формі якої він існує, перебуваючи поза цією системою. Усередині цієї системи його можна уявити у формі об'ємного енергетичного вихору, що має певну кінетичну енергію та негативний електричний заряд. Як часто кажуть, «Хмари», форма якого і значення його маси інерції визначається енергетичним рівнем, який він займає в атомі.
Наступним, що потрібно мати на увазі для того, щоб отримати досить логічні пояснення отриманим у згаданому експерименті результатам, що згідно з Концепцією MWT кінетична енергія є якоюсь потенційною енергією, яка накопичується в просторі більш високої мірності (БВМ) у процесах різних у нашому світі взаємодій , і може повертатися назад в наш світ у відповідь на додаток до фізичного об'єкта, що має, впливу, протилежного тому, яке було в процесі її накопичення. (Висновок з опису рішень математики Янга-Міллса).
І, нарешті, ще одна і найважливіша для розуміння цієї проблеми обставина. Як колись написав Платон: « Ідея речі є цілісність всіх складових її частин, неподільна ці частини». Іншими словами, заміна електрона в системі асоційованих протонів з електроном на мюон не тільки заміна одного із складових систему елементів на інший, це - заміна однієї системи, що знаходиться в стабільному динамічному рівноважному стані, на іншу, яка, проте, також повинна залишатися в стабільному динамічному рівноважний стан. А цей новий стан може утворитися тільки в тому випадку, якщо відбудуться якісь зміни у всіх складових системи елементів. У нашому випадку - повинен якимсь чином змінитись і протон. Ще раз: « Ідея речі є цілісність всіх складових її частин, неподільна ці частини».
Для пояснення висунутого припущення можна сказати таке.
Щоб зберегти систему, що знову утворилася, в такій же динамічній рівновазі, більш важкий мюон природно повинен наблизитися до того, чим став новий протон. Щоб утримати мюон у новій системі, протон повинен знайти для цього достатньо енергії. І найбільш центральним для задовільного пояснення спостерігається в результаті експерименту висновку є відповідь на запитання – звідки вона може з'явитися?
Протон є асоціацією трьох кварків, енергія яких практично повністю складається з кінетичної енергії обертання і які складають систему, що знаходиться в динамічному рівноважному стані, що підтримується взаємодією конфайнменту, взаємодією «Навпаки», яка зі зростанням відстані між фізичними об'єктами збільшується, а зі зменшенням відстані - слабшає.
Оскільки ця динамічна рівновага може підтримуватися невизначено довгий час, а подібні динамічні рівноважні системи піддаються постійним обуренням, але якогось джерела енергії, що коректує ці збурення, у нашому світі поки не знайшлося, залишається припустити, що коригувальна енергія може надходити лише з простору БВМ.
Подібним обуренням по суті є і заміна електрона на мюон, а отримати ту необхідну протону енергію, яка була згадана, він також може лише з простору БВМ. Але, у разі, коли змінюється внутрішня енергія протона, у ньому змінюються й умови нового стану конфайнмента. Швидше за все, кварки повинні зблизитися для збільшення внутрішньої енергії системи, або, іншими словами, створити тим самим новий протон. Що й виявляється у згаданому експерименті і, швидше за все, зможе знайти своє підтвердження у досить адекватній математичній моделі, що відображає цей феномен.