Полевая теория элементарных частиц
Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:
Классическую электродинамику,
Квантовую механику (без виртуальных частиц, противоречащих закону сохранения энергии),
Законы сохранения - фундаментальные законы физики.
От виртуальных частиц пришлось отказаться: причины см. (Виртуальная частица). Также пришлось отбросить, по причине недоказанности, некоторые квантовые числа, постулированные Квантовой теорией и Стандартной моделью и связанные с ними якобы законы сохранения, бездоказательно приписанные их сторонниками к числу законов физики.
В этом сущность научного подхода полевой теории элементарных частиц. - Подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА.
Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта "Викизнание", затем дополнена.
Согласно последовательной теории поля весомую материю или составляющие ее элементарные частицы следовало бы рассматривать как особого рода «поля», или особые «состояния пространства». Это высказывание Альберта Эйнштейна отражает сущность полевого подхода в физике.
Попытки построить полевую теорию элементарных частиц начались с открытием элементарных частиц, и продолжаются, по сей день. Данный подход является альтернативным гипотезе кварков. Спор между волновым и корпускулярным подходами в физике продолжается не одну сотню лет. В настоящий момент он принимает форму спора между полевым подходом и квантовой теорией поля. Здесь представлена одна из последних попыток построения полевой теории элементарных частиц.
Оглавление
1 Введение в полевую теорию элементарных частиц
2 Основные положения полевой теории
3 Спектр элементарных частиц
4 Радиус элементарной частицы
5 Масса покоя элементарной частицы
6 Электрическое поле элементарной частицы
6.1 Электрическое поле заряженной элементарной частицы
6.2 Электрическое поле нейтральной элементарной частицы
7 Полевая теория и теория гравитации элементарных частиц
8 Полевая теория элементарных частиц - Следствия
9 Полевая теория элементарных частиц - Итог
1 Введение в полевую теорию элементарных частиц
Физика 20 века, изучая элементарные частицы, установила наличие у них следующих электромагнитных полей:
постоянного электрического поля,
постоянного магнитного поля,
переменного электромагнитного поля.
Единственной в природе элементарной частицей, обладающей только одним переменным электромагнитным полем, является движущийся со скоростью света фотон.
Поскольку внутри элементарных частиц, с ненулевой величиной массы покоя, имеется переменное электромагнитное поле - то оно может только вращаться. Вот мы и подошли к полевой теории элементарной частиц. Приступим.
Возьмем формулу Эйнштейна (E = m0c2) и применим ее к одной отдельно взятой элементарной частице. Получим что внутренняя энергия, заключенная в элементарной частице равна произведению массы покоя на квадрат скорости света. Или переводя с языка математики на язык физики и вспомнив, что свет состоит из квантов электромагнитного поля, можем сделать следующий вывод: В элементарной частице имеется некоторая распределенная масса (назовем ее m0~ ≈ m0) вращающаяся со скоростью кванта электромагнитного поля (c).
Если быть точным: внутри элементарных частиц вращается переменное электромагнитное поле (с массой m0~), в котором сосредоточено (обычно) более 90% всей внутренней энергии - энергии волнового переменного электромагнитного поля. Несколько процентов полной внутренней энергии элементарных частиц сосредоточено в постоянном электрическом и постоянном магнитном поле элементарной частицы и распространяются в окружающем элементарную частицу пространстве по законам Классической электродинамики.
А раз внутри элементарной частицы вращается масса m0~ - то должен быть и вращательный момент равный m0~cr (где r - средний радиус вращения). Проквантуем его кратно ħ/2 (где ħ - постоянная Планка) и учтем то, что спин частицы (ее вращательный момент) может быть результатом нескольких вращений. Связав все это с электромагнитным полем и сделав по ходу несколько уточняющих предположений в результате можно получить следующее.
2 Основные положения полевой теории
1. Каждая элементарная частица, за исключением фотона, является определенным состоянием вращающегося со скоростью света поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.
2. Во внешнюю среду данное поле создает постоянное электрическое и магнитное поля.
3. Вводится следующая тройка квантовых чисел (для описания спектра основных состояний элементарных частиц):
L – главное квантовое число (отвечает за распределение частиц на группы):
L = 0; 1/2; 1; 3/2; 2; 5/2; 3; ….. ;
ML – квантовое число, отвечающее за разделение частиц на подгруппы:
ML= – L; – L+1; … ;L–1; L - всего 2L+1 значение;
Как видим, за квантовыми числами L и ML стоит квантовая механика .
Q – квантовое число, отвечающее за электрический заряд и направление силовых линий магнитного поля нейтральных частиц (в наружу «+0», во внутрь «–0»):
Q = ±e; ±0.
Расщепление по квантовому числу Q возникает, потому что вращение может осуществляться либо в плоскости электрической составляющей поля (заряженная частица и античастица), либо в плоскости магнитной составляющей (нейтральная частица и античастица). Как видим, за квантовым числом Q стоит классическая электродинамика.
Спин элементарной частицы (J) следующим образом связан с квантовым числом (L):
J=1-L;(L<=1)
J=L-1;(L>=1)
(Таким образом, у лептонов и барионов оказывается одинаковая величина спина 1/2.)
4. Элементарные частицы (с L>0) могут находиться и в возбужденном состоянии (аналогично атомам), отличающемся от основного наличием дополнительного вращательного момента (V):
V=0;+1;+2;+3; ...
V=–1; …;!V!<= !L!
Где V = 0 - частица находится в основном (невозбужденным) состоянии, знак «+» означает, что направления дополнительного вращательного момента и внутреннего вращательного момента совпадают, а знак «–» означает, что их направления противоположны.
5. Все переходы (реакции) между элементарными частицами, независимо от их состояния – основного или возбужденного, осуществляются с помощью других элементарных частиц и подчиняются законам сохранения энергии, импульса, спина (вращательного момента), а также законам электромагнитного поля (уравнениям Максвелла), поскольку они являются электромагнитными процессами.
Из представленного набора квантовых чисел следует, что в природе существует бесконечное число действительно элементарных частиц каждая из которых (кроме фотона) имеет бесконечное число возбужденных состояний. - Таковы реалии микромира. Фрагмент спектра элементарных частиц приведен [1]. Для кварков, виртуальных частиц, глюонов, бозона Хиггса и т.п. места не нашлось - дробный электрический заряд может существовать только в математике, а закон сохранения энергии действует вместе с другими законами природы. Что касается глюонов, бозона Хиггса а также "открытых" переносчиков слабых взаимодействий - число элементарных частиц со спином 1 равно 20 (только в основном состоянии) и бесконечности в возбужденных состояниях, а из частиц со спином 0 (в основном состоянии) осталось открыть заряженный эта-мезон.
3 Спектр элементарных частиц
Фрагмент спектра основных состояний элементарных частиц.
Представленная теория не является чисто классической, поскольку в ее фундаменте лежат квантовая механика и классическая электродинамика - дополняющие друг друга. Данная теория в настоящий момент является единственной теорией описывающей весь спектр элементарных частиц. Она объясняет механизм образования и квантования электрического заряда, природу и характер ядерных взаимодействий, расстояния на которых они возникают, аномальные магнитные моменты протона и нейтрона и многое другое. Но уравнения поля еще предстоит написать – получены только некоторые новые ограничения на уравнения.
Микромир - это мир дипольных полей (постоянного электрического и постоянного магнитного поля) а также переменного электромагнитного поля. На больших расстояниях нейтральные элементарные частицы ведут себя как элементарные частицы, не обладающие электрическими полями. Но в ближней зоне существуют мощные поля с определенной структурой. А у заряженной элементарной частицы внутри имеется область с противоположным электрическим зарядом.
И наконец, так выглядят фундаментальные взаимодействия в действительности и их физические поля:
Фундаментальные взаимодействия и их (физические поля)
Электромагнитные взаимодействия (электромагнитные поля)
Гравитационные взаимодействия (гравитационные поля элементарных частиц)
4 Радиус элементарной частицы
Радиус элементарной частицы с квантовым числом L> (расстояние от центра частицы до места в котором достигается максимальная плотность массы) определен, как:
Полевой радиус элементарной частицы
Радиус области пространства, занимаемого элементарной частицей, определяется по формуле:
Радиус области пространства, занимаемого элементарной частицей
К величине r0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем элементарной частицы. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях элементарной частицы находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.
5 Масса покоя элементарной частицы (следствие Классической электродинамики)
В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и электрона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:
Масса покоя элементарной частицы
где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле.
Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится. Так поместив элементарную частицу в постоянное внешнее электрическое поле, мы повлияем на E2, что отразится на массе частицы. Аналогичная ситуация возникнет при помещении элементарной частицы в постоянное магнитное поле.
6 Электрическое поле элементарной частицы
Постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы. А поле электрического заряда возникает в результате наличия асимметрии между внешней и внутренней полусферами, генерирующими электрические поля противоположных знаков.
Для заряженных элементарных частиц в дальней зоне генерируется поле элементарного электрического заряда, а знак электрического заряда определяется знаком электрического поля, генерируемого внешней полусферой. В ближней зоне данное поле обладает сложной структурой и является дипольным, но дипольным моментом оно не обладает.
Несмотря на нулевой электрический заряд нейтральных элементарных частиц (с квантовым числом L>0), у них должно быть постоянное электрическое поле. У электромагнитного поля, из которого состоит элементарная частица (с квантовым числом L>0), имеется постоянная составляющая, а, следовательно, у нее должны быть постоянное магнитное поле и постоянное электрическое поле. Поскольку электрический заряд равен нулю, то постоянное электрическое поле будет дипольным. То есть у нейтральной элементарной частицы (с квантовым числом L>0) должно быть постоянное электрическое поле аналогичное полю двух распределенных параллельных электрических зарядов равных по величине и противоположного знака. На больших расстояниях это электрическое поле будет практически незаметно из-за взаимной компенсации полей обоих знаков заряда. Но на расстояниях, порядка радиуса элементарной частицы, это поле будет оказывать существенное влияние на взаимодействия с другими элементарными частицами, близкими по размерам.
6.1 Электрическое поле заряженной элементарной частицы
Для приближенного описания постоянного электрического поля заряженной элементарной частицы, как системы точечных зарядов, потребуется не менее 6 "кварков" внутри элементарной частицы - лучше если взять 8 "кварков", и при этом совершенно не важно, будет это позитрон, π+ мезон, протон, положительно заряженный векторный мезон, или любая другая положительно заряженная элементарная частица (для отрицательно заряженных элементарных частиц, поле меняет свой знак, на противоположный). Три сказочных кварка в протоне и два сказочных кварка в заряженном мезоне не могут отобразить реальную структуру постоянного электрического поля заряженной элементарной частицы. Понятное дело, что это выходит за рамки стандартной модели - модели кварков.
У любой заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса.
Для отрицательно заряженной элементарной частицы:
электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда -1.25e) - rq-.
электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда +0.25e) - rq+.
Для положительно заряженной элементарной частицы
электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда +1.25e) - rq+.
электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда -0.25e) - rq-.
Величины радиусов определяются полевой теорией элементарных частиц.
Данные характеристики электрического поля заряженной элементарной частицы соответствуют распределению 1 полевой теории элементарных частиц. Физика пока экспериментально не установила точность данного распределения и какое распределение наиболее точно соответствует реальной структуре постоянного электрического поля заряженной элементарной частицы в ближней зоне.
Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.
Напряженность E электрического поля отрицательно заряженной элементарной частицы (например, электрона) в ближней зоне (r~r0~), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:
где n-=r-/r - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда q- элементарной частицы в направлении точки наблюдения (А), n+=r+/r - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда q+ элементарной частицы в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра элементарной частицы до проекции точки наблюдения на плоскость электрона, q- - внешний электрический заряд -1.25e, q+ - внутренний электрический заряд +0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 - электрическая постоянная, z - высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости элементарной частицы), r0 - нормировочный параметр. В системе СГС отсутствует множитель
.Для определения напряженности электрического поля положительно заряженной элементарной частицы (например, протона), в уравнении необходимо заменить все знаки электрических зарядов на противоположные.
Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (q-= -1.25e и q+= +0.25e). Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое - дальним. Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области элементарной частицы, генерирующей ее постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: r< ħ/m0~c и Z< ħ/2m0~c).
Потенциал электрического поля отрицательно заряженной элементарной частицы (например, электрона) в точке (А) в ближней зоне (r~r0~), в системе СИ приблизительно равен:
где r0 - нормировочный параметр, величина которого может отличаться от значения в формуле E. В системе СГС отсутствует множитель
Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области элементарной частицы, генерирующей ее постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: r< ħ/m0~c и Z< ħ/2m0~c). Для определения потенциала электрического поля положительно заряженной элементарной частицы (например, протона), в уравнении необходимо заменить все знаки электрических зарядов на противоположные.
Калибровку r0 для обоих выражений ближней зоны необходимо производить на границе области, генерирующей постоянные поля электрона.
6.2 Электрическое поле нейтральной элементарной частицы
Любая элементарная частица с квантовым числом L>0 обладает дипольным электрическим полем. В случае нейтральной элементарной частицы, в том числе и электронного или мюонного нейтрино (L=1/2), это будет электрическое поле двух распределенных параллельных симметричных кольцевых электрических зарядов (+0.75e и -0.75e), среднего радиуса re (определяемого полевой теорией элементарных частиц) расположенных на расстоянии
.Электрический дипольный момент нейтральной элементарной частицы (например, нейтрона) равен:
где ħ - постоянная Планка, L - главное квантовое число в полевой теории элементарных частиц, e - элементарный электрический заряд, m0 - масса покоя, m0~ - масса покоя, заключенная в переменном электромагнитном поле, c - скорость света, P - вектор электрического дипольного момента (перпендикулярен плоскости элементарной частицы, проходит через центр частицы и направлен в сторону положительного электрического заряда), s - среднее расстояние между зарядами, re - электрический радиус элементарной частицы.
Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+2/3e=+0.666e и -2/3e=-0.666e) в нейтроне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая нейтральная элементарная частица, независимо от величины спина и ... .
Потенциал электрического дипольного поля нейтральной элементарной частицы (например, нейтрона) в точке (А) (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно), в системе СИ равен:
где θ - угол между вектором дипольного момента P и направлением на точку наблюдения А, r0 - нормировочный параметр, определяемый полевой теорией элементарных частиц, пропорционален Lħ/(m0~c), ε0 - электрическая постоянная, r - расстояние от оси (вращения переменного электромагнитного поля) элементарной частицы до точки наблюдения А, h - расстояние от плоскости частицы (проходящей через ее центр) до точки наблюдения А, he- средняя высота расположения электрического заряда в нейтральной элементарной частице (равна 0.5s), |...| - модуль числа, Pn - величина вектора Pn. В системе СГС отсутствует множитель
Напряженность E электрического дипольного поля нейтральной элементарной частицы (например, нейтрона) (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно), в системе СИ равна:
где n=r/|r| - единичный вектор из центра диполя в направлении точки наблюдения (А), точкой (•) обозначено скалярное произведение, жирным шрифтом выделены вектора. В системе СГС отсутствует множитель
.Компоненты напряженности электрического дипольного поля нейтральной элементарной частицы (например, нейтрона) (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно) продольная ( | | ) (вдоль радиус-вектора, проведенного от диполя в данную точку) и поперечная (_|_) в системе СИ:
где θ - угол между направлением вектора дипольного момента Pn и радиус-вектором в точку наблюдения в системе СГС отсутствует множитель
Третья компонента напряженности электрического поля - ортогональная плоскости, в которой лежат вектор дипольного момента Pn элементарной частицы и радиус-вектор, - всегда равна нулю.
Потенциальная энергия U взаимодействия электрического дипольного поля, например, нейтрона (n) с электрическим дипольным полем другой нейтральной элементарной частицы (2) в точке (А) в дальней зоне (r>>s), в системе СИ равна:
где θn2 - угол между векторами дипольных электрических моментов Pn и P2, θn - угол между вектором дипольного электрического момента Pn и вектором r, θ2 - угол между вектором дипольного электрического момента P2 и вектором r, r - вектор из центра дипольного электрического момента pn в центр дипольного электрического момента P2 (в точку наблюдения А). В системе СГС отсутствует множитель
Нормировочный параметр r0 вводится с целью уменьшения отклонения значения E, от рассчитанного с помощью классической электродинамики и интегрального исчисления в ближней зоне. Нормировка происходит в точке, лежащей в плоскости параллельной плоскости нейтрона, удаленной от центра нейтральной элементарной частицы на расстояние (в плоскости частицы) r0~ и со смещением по высоте на h=ħ/2m0~c, где m0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося нейтрона (для нейтрона m0~= 0.95784 m0, а для электронного нейтрино m0~= 0.9776 m0). Для каждого уравнения параметр r0 рассчитывается самостоятельно. В качестве приблизительного значения можно взять полевой радиус:
Из всего вышесказанного следует, что электрическое дипольное поле нейтральных элементарных частиц (о существовании которого в природе, физика 20 века не догадывалась, или приписывала сказочным кваркам), согласно законам классической электродинамики, будет взаимодействовать с заряженными элементарными частицами.
7 Полевая теория и теория гравитации элементарных частиц
Полевая теория элементарных частиц оказалась недостающим кирпичиком фундамента в здании теории гравитации элементарных частиц.
В теории гравитации элементарных частиц были найдены следующие уравнения напряженности гравитационного поля свободной покоящейся элементарной частицы:
где:
r0~ - радиус элементарной частицы (среднее расстояние от центра элементарной частицы, на котором сосредоточена масса вращающегося переменного электромагнитного поля);
m0~ - масса, заключенная в переменном электромагнитном поле;
m=0 - масса постоянного электрического и постоянного магнитного поля, заключенная в кольцевой области;
- плотность вещества постоянного электрического и постоянного магнитного поля за пределами кольцевой области;
Было подтверждено, что электромагнитная полевая масса элементарных частиц не только создает их гравитационные поля, но и является причиной их инерционных свойств.
8 Полевая теория элементарных частиц - Следствия:
Представленная теория не является чисто классической, поскольку в фундаменте полевой теории элементарных частиц лежат квантовая механика и классическая электродинамика - дополняющие друг друга. Данная теория не противоречит экспериментальным данным о полях элементарных частиц (кроме конечно сказочным) и в настоящий момент является единственной теорией описывающей весь спектр элементарных частиц. Она объясняет механизм образования и квантования электрического заряда, природу и характер ядерных взаимодействий, расстояния на которых они возникают, аномальные магнитные моменты протона и нейтрона и многое другое. Но уравнения поля еще предстоит написать - получены только некоторые новые ограничения на уравнения.
Микромир - это мир дипольных постоянных электрического и магнитного полей и переменного электромагнитного поля. На больших расстояниях нейтральные элементарные частицы ведут себя как элементарные частицы не обладающие электрическими полями. Но в ближней зоне существуют мощные поля с определенной структурой. А у заряженной элементарной частицы внутри имеется область с противоположным электрическим зарядом.
9 Полевая теория элементарных частиц - Итог
Итак, полевую теорию элементарных частиц нельзя рассматривать как часть «теории всего» несмотря на ее близость к единой теории поля. Полевая теория элементарных частиц, работая в рамках действующих законов природы, нашла научные ответы на следующие вопросы:
Почему элементарные частицы обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами
Из чего состоят элементарные частицы
Откуда берется масса покоя элементарных частиц и из чего она состоит
Как возникает электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется
Как образуются постоянные магнитные поля элементарных частиц
Что представляют собой поля элементарных частиц в ближней зоне
Каковы истинные размеры элементарных частиц
Что лежит в основе механизма вероятностного поведения элементарных частиц
Каков спектр элементарных частиц и их возбужденных состояний
Что такое ядерные силы
Какие фундаментальные взаимодействия действительно существуют в природе
Приблизила к пониманию, что такое спин
Почему почти все элементарные частицы нестабильны
Законы, действующие в микромире
Позволила отбросить ряд ошибок и заблуждений физики двадцатого века.
С помощью полевой теории элементарных частиц были совершены: интересные открытия в области физики нейтрино, микроволнового фонового космического излучения, красного смещения, найден природный имитатор "Темной материи", источник энергии исходящей из недр Земли и других планет, построена первая и вторая части Теории гравитации элементарных частиц, из которых состоит все вещество Вселенной, отправлена в архив сказочка о "Черных дырах", похоронена сказочка о "Большом взрыве". Сколько еще будет сделано открытий в Новой физики - физике 21 века, время покажет.
Знания физики об электромагнетизме значительно изменились за последние 150 лет.
150 лет назад считалось что электрические поля создаются электрическими зарядами, а магнитные поля как создаются электрическими токами, так и сами могут создавать электрические токи.
После появления уравнений Максвелла физика установила возможность самостоятельного существования в природе электромагнитного поля в виде волн.
В двадцатом веке физика установила существование в природе электрических и магнитных полей самостоятельно, независимо от электрических зарядов и токов.
В начале 21 века (в 2010) физика установила, что электромагнитные поля элементарных частиц сами порождают поля зарядов и токов: первопричиной электромагнетизма являются не заряды и токи, как это считалось в 19 веке - а сами электромагнитные поля.
В 2015 физика установила (хотя предположения этого были высказаны сто лет назад), что электромагнитные поля еще создают гравитационные поля элементарных частиц и их инерционную массу (см. Теория гравитации элементарных частиц), подтвердив тем самым, что «Элементарные частицы, из которых состоит вещество Вселенной - являются формой электромагнитной полевой материи».
Владимир Горунович