УДК 539.12; ВАК 01.04
ПРИЧИНА ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУР МИКРОМИРА –
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Фролов В. П. – пенсионер
Аннотация: Конкретизирована вековая идея о волновом содержимом элементарных частиц. Движением частиц эти волны изменяются, а их интерференция создаёт волны биений, в которых самая заметная – волна де Бройля. Круговое движение частицы генерирует волны Максвелла, излучение которых не происходит при их резонансе с волной де Бройля. Получено выражение, в котором водород и нейтрон предстают решениями одного уравнения классической физики.
Ключевые слова: колебания, резонанс, частота, энергия, микромир, электрон, нейтрон.
Известно, что физические тела, движущиеся по инерции, изменяют характер своего движения действием любой внешней силы, после прекращения действия которой, они продолжают движение с другой скоростью и в другом направлении. Устоявшиеся же колебания тел, изменяемые действием внешних сил, самопроизвольно возвращаются к колебаниям исходным сразу после прекращения действия сил. Сам факт самопроизвольного возвращения колебаний, позволяет считать свободно колеблющуюся систему находящейся в потенциальной яме резонансного происхождения. Оценить величину энергии саморезонанса можно на примере детских качелей: Попробуйте изменить частоту колебаний качелей с ребёнком, – убедитесь как это трудно – какими неожиданно устойчивыми оказались собственные колебания обычных качелей!
Энергия собственных колебаний тел в упругой материальной среде «расходуется» на трение и на образование волн. В воздушной среде это энергия звуковых колебаний, являющихся носителями информации и эмоций (речи и музыки). Человечество пользуется и волнами электромагнитными (ЭМ). Их источник – колебания электрических зарядов, расходующих энергию колебаний на создание волн в эфире. Из эфира воспринимается только та информация, в резонанс с носителями которой – с ЭМ волнами, настроены радио и телевизионные передатчики и приёмники. Причём, качество и количество принимаемой информации и энергии, переносимой волнами ЭМ поля зависит от их длины – чем волны короче, тем больше информации и энергии от них можно получить за одинаковое время. Поэтому в микромире волны ЭМ поля оказываются носителями большей энергии, позволяющей им влиять на поведение заряженных микрочастиц – на их колебания и вращения. По этой причине резонанс колебаний ЭМ поля приобретает для микрочастиц такое значение, которое подводит к идее возведения ЭМ резонанса в ранг фундаментальных явлений природы. Покажем, что причиной нарушения заряженными частицами микромира законов старой классической физики является именно стремление волн ЭМ поля к резонансу с другими волнами электромагнитного происхождения.
С точки зрения этих законов электрон, движущийся вокруг ядра атома, должен непрерывно генерировать и излучать ЭМ энергию в форме волн частота (υ) колебаний которых, всегда совпадает с частотой его вращения вокруг атомного ядра. Т. е. в процессе сближения с ядром электрон должен двигаться по спиральной траектории уменьшающегося радиуса (R) с увеличивающейся скоростью (v) и непрерывно излучать ЭМ волны, мгновенная частота которых равна частоте (υ) его вращения по орбите (υ=v/2πR). Т.е. время (Т) излучения каждой следующей волны уменьшается, т.к. оно равно времени одного оборота электрона – (Тэм=2πR/v=λэм/v) и очевидно, что в момент «отрыва» генерируемой волны от орбиты её длина (λэм) увеличивается в (c/v) раз. Всё же, в связи с непрерывным уменьшением радиуса и увеличением скорости вращения электрона, излучаемые им волны не строго синусоидальны – каждая из волн к концу каждого периода укорачивается [1].
Но, как известно, движущийся электрон имеет и собственный, не излучаемый пакет волн, в котором наиболее активной является волна де Бройля. Поищем причину появления у движущихся электронов волновых пакетов с волнами де Бройля в них. Очевидно, что, исходя из представления о корпускулярности электронов, выяснить происхождение у них волн де Бройля, обладающих всеми признаками волн электромагнитных, кроме скорости движения, невозможно. Также очевидно, что для оправдания появления волн внутри и вокруг движущегося электрона придётся предположить наличие какой-то структуры и у неподвижного электрона, а для проявления волн, эта структура должна при движении как-то меняться. Например, 1898 году Кауфман [2] заметил увеличение массы электрона при его ускорении электрическим полем. Эйхман в 1902 году с целью согласования этого факта с законами сохранения, предложил считать увеличение массы результатом поглощения электроном энергии ускоряющего поля [3], что в дальнейшем и послужило основой представления об ЭМ содержимом заряженных частиц. Сторонниками присутствия ЭМ поля внутри элементарных частиц были Пуанкаре (1903) [4], Эйнштейн (1920г) [5] и ряд других физиков и философов. Решающим шагом в признании этой идеи реальной стало приравнивание де Бройлем формулы Планка для энергии фотона (ε=hυ) формуле Эйнштейна-Хэвисайда (ε=mс2) для энергии-массы неподвижной частицы –
hυ=mc2. (1)
Это равенство разрешает представлять элементарные частицы сгустками ЭМ излучения.
Для представления ЭМ излучения в роли «содержимого» элементарных частиц найдём физическую причину удерживания излучения в малом объёме пространства: ЭМ излучение внутри пространства, занимаемого элементарной частицей, представим в виде цуга волн (фотона), все волны которого движутся по замкнутой – (r=λ/2π) траектории вокруг общего центра, формируя «вихрь» стоячих волн. Силу, способную удерживать на замкнутой траектории вихрь ЭМ поля, поищем с помощью школьной формулы (F=mv2/r), в которой за скорость волн фотона примем скорость света (c), а массу фотона, моделирующего частицу, выразим из равенства (1) как (m=hυ/c2). При этом выражение для удерживающей силы записывается как (F=hυc2/rc2). При частоте вращения волн фотона (υ=с/2πr) эта (школьная) формула превращается в (F=ħυ/r). Тождество Дирака (α=е2/ħс) позволяет заменить в ней (ћс) на (е2/α). От этого сила, способная удерживать ЭМ излучение внутри элементарных частиц, приобретает знакомый вид –
F=e2/αr2, (2) «разрешающий» представлять элементарные частицы вихрями ЭМ излучения. Подстановка сюда на место (r) радиуса нуклонов даёт численное значение внутриядерных сил, реализуемых, как говорят физики, обменом пи-мезонами, не раскрывая физического механизма обмена. Т.е. получившееся выражение для силы, способной удерживать ЭМ излучение на круговой траектории, позволяет считать сильное взаимодействие частным случаем электромагнитного – его резонансным состоянием [6, 7].
Обобщённый характер вывода выражения (2) позволяет представлять в виде вихрей ЭМ излучения и другие элементарные частицы. Например, из подстановки в выражение (1) массы электрона определяется и его радиус в форме (r=h/mc), который в этом выражении даёт численное значение силы, способной удерживать на месте фотон, обладающий массой электрона. Численное значение этой силы вполне согласуется с признаками слабого взаимодействия, приписываемого электрону. Кроме того, радиус вихря этого излучения совпадает с радиусом электрона, полученным в экспериментах Комптона в 1920 – 1922 годы по сечению взаимодействия рентгеновского излучения с электронами атомов бора и бериллия! Но этот радиус превышает размер ядер, из которых электроны вылетают при бета-распаде, что оказалось препятствием для своевременного признания реальности этого размера электрона – ведь электроны «выглядят» точечными и в ускорителях.
Разберёмся с этими «противоречиями» в размере электрона с точки зрения на него как на вихрь ЭМ поля: Очевидно, что при прямолинейном движении такого электрона с постоянной скоростью (v), его разные волны движутся одновременно по разным направлениям, отличающимся от направления движения центра масс, на углы (α). Эффект Доплера – (υ=υ0/(1-(v/c)cosα)) изменяет на этих направлениях частоты (υ), а значит, меняются по-разному и длины волн (λ=с/υ). Выполнение же условия резонанса (r=λ/2π) в каждой точке вихря изменяет радиусы вращения его волн на всех направлениях. Так, на участке, движущемся в ту же сторону, что и центр массы вихря (где α=0), длина волн (λ), а вместе с ней и радиус их движения, уменьшаются. На этом участке сосредотачивается большая часть энергии-массы вихря, и с этого участка с наибольшей густотой исходят силовые линии его электрического поля. Очевидно, что на противоположном участке вихря всё наоборот: длины волн там увеличиваются, и объективный наблюдатель «увидит» электрон в виде хвостатой кометы, летящей боком. Регистрация такого электрона, движущегося с высокой скоростью, и создаёт впечатление его точечности. Кометообразная форма и «боковая» ориентация ускоренных электронов создают и условие для появления наблюдаемой дифракционной картины при их пропускании сквозь двойные щели.
Колебания, изменённые эффектом Доплера, могут внутри частиц, друг на друга накладываться (интерферировать), создавая биения, частота (υb) которых определяется полуразностью налагаемых частот. И очевидно, что самые заметные биения – самые высокочастотные, равные полуразности максимальной – (υmax=υ0/(1-υ/c)), и минимальной (υmin=υ0/(1+v/c)) из доплеровских частот [8]. Этим частотам – (υbmax=υ0v/c) соответствуют длины волн (λ=c/υbmax)=c2/vυ0). Подстановка сюда на место (υ0) её выражения, из (1) даёт для длин волн этих биений знакомый вид – (λ=h/mv). Простота и наглядность этого вывода формулы де Бройля подтверждает, что волновые и корпускулярные свойства существуют у движущихся частиц одновременно. Поскольку волны де Бройля обладают всеми свойствами волн электромагнитных, кроме скорости движения, к ним также применимо равенство (1) в виде (hυbmax=Mc2), в котором (М) – условная масса «покоя» (М=mv/c) волны де Бройля.
Так что нам удалось представить в виде вихрей ЭМ излучения основные «кирпичики» материального мира – протон и электрон, из которых можно «сложить» все наблюдаемые и осязаемые физические объекты. В качестве иллюстрации этой возможности смоделируем из этих «кирпичиков» простейшую динамически устойчивую структуру – атом водорода. Как известно, в рамках классической электродинамики не предусмотрена возможность движения электрона вокруг протона без излучения ЭМ энергии. Устойчивость движения электрона вокруг протона реализуется благодаря резонансному захвату целым числом волн де Бройля одной волны, генерируемой электроном по Максвеллу для излучения. (Захват наступает в момент, когда на орбите электрона оказывается целое число волн де Бройля) [9].
Запишем условие движения электрона в атоме водорода без излучения в виде равенства силы инерционной (центробежной), действующей на массу электрона, сумме силы кулоновского притяжения электрона к протону и силы резонансной, удерживающей «массу» (М=mv/c) волны де Бройля.
mv2/R=e2/R2±Mv2/R. (3)
Подстановка в это равенство на место (R) радиусов таких орбит электронов в атоме водорода, на которых их волны де Бройля укладываются целое число (n) раз – (R=nћ/mv) и замена (е2) на (αћс) приводит, после деления обеих частей равенства, на скорость света (с), к уравнению (v2/c2±v/c-α/n=0), а его решения
v/c=1/2±(1/4-α/n)1/2 (4)
со знаком минус перед корнем дают скорости электронов на устойчивых орбитах атома водорода, чуть большие, чем расчёты по боровской модели, а радиусы орбит – чуть меньшие. Зато энергии переходов между стационарными орбитами дают лучшее совпадение с линиями табличного спектра атома водорода, чем рассчитанные по формуле Бора, расходящиеся с таблицей в четвёртом знаке.
Простота и наглядность этого уравнения позволяют искать физический смысл его решений и со знаком плюс перед корнем. Эти решения просто навязывают модель нейтрона в виде миниводорода. Правда, релятивистские скорости электрона увеличивают его массу более чем в восемь раз, тогда как реальный нейтрон «массивнее» протона всего на (≈2,5me). Возвращает нейтрону его реальную массу поправка на дефект массы спин-спинового взаимодействия релятивистского электрона с протоном. Поправка определялась разницей между энергией орто-пара перехода электрона на боровской орбите атома водорода – (R=5,310-9 см), сопровождающегося ЭМ излучением с длиной волны в 21см (υ=1,5 109 гц), и энергией такого же перехода на орбите миниводорода (r≈10-13 см). В пользу представления нейтрона миниводородом свидетельствует и аномально большое расстояние между нуклонами в дейтроне, более чем в два раза превышающее радиус действия ядерных сил, обусловливаемых обменом пи-мезонами. Кроме того, мини-водородная модель нейтрона оправдывает существование гигантского дипольного резонанса в фотоядерных реакциях [10], что предсказывает существование резонансного превращения атома водорода в нейтрон.
Представление внутриядерных нейтронов мини-водородами снимает «нужду» и в бозонах Хиггса, т.к. бета-распад может теперь объясняться случайными нарушениями согласованности движений мини-водородных электронов внутри ядер. Релятивистские скорости этих электронов обусловливают существование у них разреженных «хвостов», которые из ядер должны высовываться и влиять на движение электронов орбитальных. Орбитальные электроны, «цепляясь» за эти хвосты электронов внутриядерных, влияют на «поведение» самих ядер. Только этим и можно объяснить неожиданное для «ЯМР-щиков» влияние валентного состояния даже тяжёлых атомов на частоту прецессии их ядер в магнитном поле, фиксируемое приборами ядерного магнитного резонанса высокого разрешения. Другого объяснения этого влияния пока нет!
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фролов В.П. /Монохроматичен ли фотон?/, «Физическая Мысль России», №2, с. 24—28, (2000г)
2. Kaufman W. /Uber die magnetische und elektromagnetische Masse des Elektrons/, «Gottingen Nachrichten», p. 291—296, (1902)
3. Аbraham Мax, Die Dinamik des Elektrons, /Gottingen Nachrichten/, p. 20 – 41 (1902)
4. Пуанкаре А., /Наука и метод/, с. 170, Санкт Петербург, с. 170, (1910 г)
5. Эйнштейн А., /Собрание научных трудов/, т.1, с. 689
6. Фролов В.П. /Сильное взаимодействие как резонанс электромагнитного/, «Физическая Мысль России», №6, с. 68, (2001)
7. Фролов В.П. /Скрытый параметр квантовой механики/, ж. «Актуальные проблемы современной науки», №2, с. 180, (2003)
8. Фролов В.П. /Некоторые свойства движущегося микрогеона/, «Изв. ВУЗов СССР, серия ФИЗИКА», с.115—116, (1980)
9. Бом Д. //Квантовая теория //, М., Наука, с. 61. (1965)
10. Brown G. E., Bolsterli M. Phys. Rev. Lett., 3, (1959), p. 472