Для современной физики, несмотря на всю свою простоту, вопрос – чему равен спин протона, считается трудным. Если вы откроете учебник по квантовой физике, или ту же самую википедию, то прочтёте там, что спин это внутренняя квантовая характеристика любой элементарной частицы. Вектор спина определяет ориентацию частицы в пространстве. При этом физический смысл спина необъясним в терминах релятивисткой теории. Релятивистская необъяснимость спина обусловлена тем, что по сути спин это момент импульса элементарной частицы, возникающий в результате её вращения вокруг своей оси. Однако элементарные расчёты такого вращения дают угловую скорость, превышающую скорость света. Так как превышение скорости света запрещено вторым постулатом СТО, квантовая механика вынуждена де-юре отрицать вращение элементарных частиц, а де-факто декларировать такое свойство этих частиц как спин, которое, по сути, ничем не отличается от собственного момента вращения. Согласно квантовой теории спин может принимать только целые или полуцелые значения в единицах постоянной Дирака ђ=h/2П (S=1/2; 1; 3/2; 2 … ). Физический смысл этих значений спина достаточно прост, любая элементарная частица, будучи повёрнутой из исходного состояния относительно некой оси симметрии на 360/S будет неотличима сама от себя в исходном состоянии. Теорема Вольфгана Паули о статистической зависимости спина элементарных частиц утверждает, что частицы с целым спином (S=0; 1; 2 …) являются бозонами, а частицы с полуцелыми спинами (S=1/2; 3/2 …) – фермионами. В целом стандартная модель относит протон, состоящий из двух верхних и одного нижнего кварков, к фермионам. При этом каждый кварк имеет спин 1/2. Так как направления векторов спинов у нижнего и верхних кварков противоположны, то спин протона, определяемый как сумма спинов трёх своих составных частей, также равен 1/2. Вроде бы, такая незамысловатая «бухгалтерия» суммарного спина протона, рассчитанная в рамках стандартной модели, не оставляет никаких вопросов. Теоретически всё просто и понятно. Однако вопросы появились сразу же после проведения экспериментов, призванных подтвердить данную теоретическую модель.
В 1988 году международная группа учёных в ЦЕРНе провела серию измерений спиновых характеристик мюон-протонной плазмы и на основании этих измерений была вычислена величина среднего спина кварков в протоне. Так вот, этот усреднённый спин оказался намного меньше значения 1/2. Более того, первоначальные данные измерений, без специальной обработки, а если называть вещи своими именами, то без подгонки под нужный результат, вообще давали нулевой спин кварков в составе протона. Собственно эти эксперименты и спровоцировали кризис протонного спина (proton skin crisis) в теоретической ядерной физике. Многочисленные повторения этих измерений другими командами учёных не дали никаких принципиально новых результатов. На сегодняшний день более-менее надёжно удалось обнаружить приблизительно 1/3 (одну третью) величины теоретического спина протона, а две третьих упорно скрываются от исследователей. Причём совершенно непонятно где их искать, так как, несмотря на достаточно большие погрешности измерений, списать пропажу протонного спина только на инструментальные погрешности не получается. Измерения были повторены многими лабораториями мира и дали примерно одинаковый результат. При этом те же самые инструменты при проведении других исследований дают результаты, достаточно надёжно согласующиеся с теоретическими моделями. Сейчас основные надежды теоретиков связаны с измерением вклада глюонов в спин протона.
С моей точки зрения, попытка найти потерявшийся спин протона с помощью безмассовых виртуальных частиц напоминает усилия барона Мюнхгаузена по вытаскиванию самого себя из болота за волосы. Звучит красиво, но на практике абсолютно нереализуемо. Проблема или кризис спина протона кроется в принципиально не правильной модели строения протонов и нуклонов в целом, а не в ошибках подсчёта баланса спинов их составных частей – кварков и глюонов. На ошибочность общепринятой модели нуклонов чётко указывает их аномальный магнитный момент. Согласно уравнениям Дирака частицы со спином 1/2 должны обладать магнитным моментом, равным одному магнетону Бора. Однако из многочисленных измерений хорошо известно, что магнитный дипольный момент протона равен 2,79m, а нейтрона – минус 1,9m. Такие аномальные величины магнитных моментов нуклонов однозначно свидетельствуют об их сложной внутренней структуре. Т.е. внутри них должны существовать многочисленные электрические заряды, создающие этот «аномальный» магнитный момент. Верхние и нижние кварки с их дробными величинами электрических зарядов (+2/3 и -1/3) просто не способны породить магнитные моменты, реально фиксируемые у протона и нейтрона. Грубо говоря, внутри протонов и нейтронов должен протекать электрический ток, если под током понимать классическое упорядоченное движение заряженных частиц. Стандартная модель не предусматривает возможность упорядоченного движения заряженных частиц в составе нуклонов. Да и сами заряженные частицы (кварки) в составе нуклонов даже с большой натяжкой не могут быть причислены к носителям электрических зарядов, так как абсолютные значения их электрических зарядов меньше 1 электрона. Ровно по этой причине Стандартная модель не способна дать адекватное толкование, как магнитному дипольному моменту, так и измеряемому значению спина протона. По сути, аномальный спин протона, это ещё одна дыра в стене Стандартной модели.
Аннигиляция и барионное проклятие
Википедия даёт очень осторожную формулировку аннигиляции.
Аннигиляция (лат. annihilation – полное уничтожение; отмена) – реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.
Автор этого определения с моей точки зрения дал безукоризненно точное описание процесса столкновения частиц с так называемыми античастицами.
Для сравнения, в большой советской энциклопедии приведено менее аккуратное определение аннигиляции.
Термин «аннигиляция» принят для наименования процесса, в котором частица и соответствующая ей античастица превращаются в излучение (фотоны) или другие частицы – кванты физического поля иной природы.
С формальной точки зрения обе формулировки вполне корректно описывают современную научную парадигму аннигиляции, обосновываемую ОТО и стандартной моделью. Общая теория относительности гипотетически допускает полное исчезновение материи нашей вселенной и её превращение в чистую энергию, при наличии соответствующего объёма антиматерии. Однако предложенная в википедии трактовка ненавязчиво дезавуирует физический смысл взаимного уничтожения материи и антиматерии. Думаю, что это неспроста и свидетельствует о мудрости автора этой формулировки. Судя по всему он предполагает, что википедия переживёт ОТО. Тем не менее, если мы немного погрузимся в детали процесса обозначенного термином аннигиляция, то очень скоро выясним, что согласно теории возмущений квантовой электродинамики при столкновении двух античастиц, например, электрона и позитрона, образуются два фотона. При этом полная энергия и импульс исходной пары сохраняются, а масса нет. Т.е. материя превращается в энергию по известной формуле Е = mc^2. Налицо 100% дематериализация. Более того, стандартная модель утверждает, что любая элементарная частица имеет своего антипода, состоящего из антиматерии, поэтому в полном соответствии с логикой этой модели в принципе допустима аннигиляция любых частиц с любыми другими античастицами и материи с антиматерией в целом. Мы не будем погружаться в дебри взаимоотношений кварков с антикварками и прочих ненаблюдаемых частиц, вроде мюонов и тау с их антиподами, навязываемых нам стандартной моделью. Ограничимся анализом достаточно хорошо изученного взаимодействия электронов и позитронов. Эти частицы имеют одинаковую массу и величину электрического заряда, но противоположный знак заряда.
Изначально термин электрон появился не в физике, а в электрохимии в качестве названия минимальной единицы электрического заряда. Физическая частица, обладающая такой минимальной величиной электрического заряда, экспериментально была обнаружена английским физиком Томсоном в 1887 году. С позитроном не всё так просто. Считается, что существование позитрона сначала было теоретически предсказано Полем Дираком в 1928 году, а затем в 1932 году позитрон был экспериментально открыт Карлом Андерсоном. На самом деле, впервые частицы с массой электрона и положительным зарядом наблюдал советский учёный Дмитрий Владимирович Скобельцын в 1927 году при изучении треков космических излучений в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Скобельцин не смог формально обосновать положительный заряд частиц, так как его камера Вильсона ещё не была оборудована свинцовой перегородкой, преграждающей путь встречному потоку электронов. Поэтому, чисто гипотетически, частицы, отклоняющиеся в противоположную электронам сторону, могли быть тоже электронами, но летящими навстречу космическим лучам. Результаты своих исследований Скобельцын доложил в 1928 году на международной конференции в Лондоне. Они вызвали большой интерес у физиков-экспериментаторов во всём мире, в том числе этой проблемой заинтересовался молодой американец К. Андерсон. Что касается открытия позитрона на кончике пера, то дело было так. Поль Дирак, решая уравнение релятивистского движения электрона, пришёл к выводу, что эта элементарная частица может иметь как положительную, так и отрицательную энергию, что формально давало право на существование частицам с отрицательной массой. Такие результаты абстрактного математического подхода к описанию движения электрона создавали большие трудности для дальнейшего продвижения релятивисткой теории Дирака и вызывали серьёзные сомнения у многих учёных того времени, в том числе и у самого Дирака. Однако, публикация в 1932 году американским физиком Андерсоном результатов своих многочисленных экспериментов по обнаружению частиц с массой электрона и противоположным зарядом, позволило снять эту проблему. Фактически, Андерсон своей публикацией вытащил за уши теорию Дирака из полного провала и забвения. Так как до экспериментов Андерсона никто, включая самого Дирака, не понимал физический смысл отрицательной энергии электрона. А после экспериментов Андерсона всем стало ясно, что отрицательная энергия электрона связана не с отрицательной массой этой частицы, а с её отрицательным электрическим зарядом. Не напоминает ли вам, уважаемые читатели, такое скоропостижное уточнение теоретического базиса грубую подгонку теории под экспериментальные данные. Как бы там ни было, но с тех пор наличие противоположных зарядов у частиц с массой электрона интерпретируется как блестящее подтверждение теории Дирака. В рамках этой теории существование электронов и позитронов даёт простое физическое толкование отрицательной и положительной энергии частиц в уравнении Дирака. При этом частицы с положительным зарядом, по предложению Андерсона, стали называть позитронами. Такова краткая история позитрона, которая чуть-чуть проясняет вопрос приоритета его открытия, но при этом порождает другой, более принципиальный вопрос к мистеру Дираку и общей теории относительности в целом – это что же получается, с формальной точки зрения мы живём в антимире? Ведь в нашей вселенной электроны тотально преобладают над позитронами. Следовательно, исходя из абстрактной логики уравнения Дирака, наша вселенная заполнена той самой отрицательной энергией, а где-то, для сохранения равновесия, должна быть другая вселенная с положительной энергией. Ведь мы не можем допустить, что чисто математическое уравнение, описывающее некий физический процесс и имеющее несколько решений, как с положительными, так и с отрицательными корнями, в реальной жизни отдаёт предпочтение только какому-то одному знаку и тем самым налагает запрет на практическую реализацию других решений с противоположным знаком.
В действительности, барионная асимметрия, наблюдаемая в нашей вселенной, не имеет объяснения в рамках общей теории относительности и стандартной модели. Эти две самые влиятельные и успешные теории в современной космологии принимают такую асимметрию как данность, с которой просто нужно считаться. Есть несколько гипотез, претендующих на формальное обоснование барионной асимметрии. Однако ни одна из них не принята научным сообществом даже в качестве рабочей. В среде профессиональных экспертов этой проблемы наиболее вероятным сценарием возникновения «перекоса» в формировании материи и антиматерии после большого взрыва, считается наличие в нашей вселенной неких изначальных несимметричных условий для её расширения. Такая гипотеза предполагает существование внешнего по отношению к нашей вселенной фактора или нескольких факторов, которые невозможно ни проверить, ни опровергнуть, оставаясь внутри нашей вселенной. По сути, такое «соломоново» решение просто отодвигает решение этой проблемы на неопределённый срок. Мне кажется, что такой подход трудно назвать научным.
Мы с вами, уважаемые читатели, попробуем преодолеть барионное проклятие, не только не покидая пределов нашей вселенной, но, даже не выходя за рамки классической механики и электростатики, описываемой законом Кулона.
Для начала нам придётся разобраться с противоположными зарядами электрона и позитрона. Объективный анализ взаимодействия этих частиц невозможен без ясного понимания причин, определяющих знак электрического заряда электрона и позитрона. Официальная наука нам здесь не поможет. Так как ответа на этот вопрос у неё нет. Стандартная модель считает электрон элементарной (неделимой) частицей, не имеющей собственной структуры, и относит его к фермионам из класса лептонов с полуцелым спином и электрическим зарядом -1е. Почему у электрона заряд -1е, а у позитрона +1е, стандартная модель умалчивает. С её точки зрения это природное свойство этих частиц, данное им от рождения. Чтобы не повторять всю эту чепуху про классы и подклассы стандартной модели, давайте зададим себе другой простой вопрос. Как две абсолютно одинаковые по массе, объёму и форме частицы могут иметь противоположные электрические заряды? Первое что приходит на ум это их собственное вращение. Если одну частицу заставить вращаться по часовой стрелке, а вторую – против, то они, вполне логично, сгенерируют одинаковые по величине и противоположные по знаку электрические заряды. В квантовой механике такое понятие как собственное вращение частиц табуировано. Вместо этого используется очень близкая характеристика, называемая спином. Не смотря на то, что спин это момент импульса любой элементарной частицы, в квантовой механике он описывает только ориентацию частицы в пространстве, но не её собственное вращение. Это обусловлено тем, что наличие собственного вращения элементарной частицы, например электрона, позволяет путём несложных вычислений определить поперечную скорость движения внешних точек поверхности электрона, которая будет больше скорости света. ОТО запрещает превышение скорости света в любом виде, поэтому всем элементарным частицам релятивистская механика строго настрого запрещает вертеться. Давайте подойдём к спину электрона с другой стороны. Как вы думаете, что может заставить крошечную частицу стабильно сохранять свою ориентацию в пространстве? Правильно, гироскопический эффект, который возможен только при условии достаточно быстрого собственного вращения. Т.е. как не крути, а без собственного вращения таких частиц как электроны обосновать их стабильное существование во вселенной не получается. Таким образом, наше предположение о собственном вращении электронов и позитронов, несмотря на прямой запрет ОТО, является наиболее убедительным для объяснения знака электрического заряда электрона. При этом физический смыл противоположных зарядов электрона и позитрона становиться простым и понятным. Знак заряда определяется направлением собственного вращения частицы. Правда, в этом случае не приходится говорить об электроне и позитроне как об античастицах. Так как, направление вращения любого материального тела не может определять принадлежность этого тела к материи или антиматерии. Следовательно, позитрон должен быть исключён из списка античастиц и перекочевать в ряды обычных материальных частиц. Несмотря на то, что электрон и позитрон в ходе наших размышлений перестали быть античастицами и вследствие этого полностью утратили способность к аннигиляции, зато они приобрели очень понятный и легко вычисляемый собственный момент вращения. Не буду приводить методику расчёта угловой скорости вращения электрона, потому что она достаточно подробно изложена в другой моей статье. Все желающие могут познакомиться здесь. Приведу сразу конечную цифру угловой скорости электрона – она составляет не менее 10 в двадцать шестой степени оборотов в секунду. А теперь представьте, что две частицы, вращающиеся с такой скоростью, притягиваются друг к другу под действием кулоновской силы и рано или поздно обязательно сталкиваются. Результат такого ДТП зависит от внутренней структуры электрона и позитрона. Если это действительно элементарные и неделимые частицы, то они должны абсолютно упруго провзаимодействовать и разлететься в противоположных направлениях примерно со скоростью света. В противном случае их ждёт полное разрушение. При это они должны разбросать (рассеять) в окружающем пространстве все свои составные части. Практические наблюдения за столкновением электрона и позитрона убеждают нас в том, что эти частицы не элементарны, а состоят из фотонов. Так как именно фотоны разлетаются в разные стороны после «аннигиляции» электрона и позитрона. Такие наблюдения недвусмысленно свидетельствуют о наличии у фотонов собственной массы покоя. По-другому объяснить полное исчезновение массы электрона и позитрона без нарушения закона сохранения материи невозможно. Описанная картина мира выглядит вполне логично и достаточно просто. И это внушает оптимизм. Так как природа постоянно демонстрирует нам свою способность выбирать из всех возможных решений самое простое. Однако проблема асимметрии электронов и позитронов в наблюдаемой вселенной всё ещё не нашла своего объяснения. По-прежнему не понятно, почему в нашей новой вселенной электронов больше чем позитронов, если строгая математика в лице Поля Дирака с его уравнением движения электрона, утверждает, что частиц с отрицательной и положительной энергией должно быть одинаковое количество. Для решения этой загадки предлагаю подумать в следующем направлении. Если мы только что установили, что электроны и позитроны не являются элементарными и неделимыми частицами то, на каком основании частицы тяжелее электрона почти в 2000 раз должны состоять из неких мифических кварков, не наблюдаемых в реальной жизни, а по сути оставаться неделимыми? Это как минимум не логично. Как вы уже догадались, речь идёт о нуклонах. Стандартная модель считает все нуклоны состоящими из кварков. При этом сами кварки в свободном состоянии никто и никогда не наблюдал, что де-факто делает нуклоны элементарными. На самом деле, в результате взаимодействия высокоэнергичных нуклонов с другими частицами в экспериментальной физике чаще всего наблюдаются превращения нейтрона в протон или антипротон с испусканием электрона или позитрона, соответственно.
В связи с этим возьму на себя смелость высказать следующее предположение. Нейтроны и протоны не самостоятельные частицы, а составные. Причём, «строительными кирпичиками» нуклонов являются не кварки, а электроны и позитроны, точнее их связанные пары. Наверняка многие из вас слышали о существовании такого экзотического атома, как позитроний. Позитроний состоит из одного электрона и одного позитрона.
Экспериментально такая пара впервые была обнаружена в 1951 году немецким физиком Мартином Дойчем. Так вот, каждый нейтрон состоит из 919 позитрониев, а каждый протон содержит 918 позитрониев и один позитрон. Эти цифры взяты мною не с потолка, а получены в результате простого деления массы нейтрона и протона на массу электрона. Вы спросите – какая сила может собрать и удержать вместе такие частицы? Ответ очень простой и скучный – электростатика. В одноимённом разделе физики есть такое понятие как устойчивые суперпозиции заряженных частиц. Ниже представлены сильно упрощённые плоские модели возможного расположения разноимённо заряженных частиц в пространстве. Эти модели ни в коем случае не претендуют на реальность, они просто визуализируют саму идею размещения в пространстве разноимённо заряженных частиц.
В представленных моделях нейтрона и протона все электроны и позитроны взаимно уравновешены и располагаются в наиболее энергетически выгодных позициях по отношению друг к другу. С точки зрения классической электростатики такое расположение позитронов и электронов соответствует стабильной или устойчивой суперпозиции разноименных зарядов. Так как количество позитронов и электронов в нейтроне одинаковое, то в целом такая система обладает нулевым электрическим зарядом и является достаточно стабильной. Переходя к рассмотрению модели протона можно отметить, что в его компактное ядро входит неравное количество позитронов и электронов и следствием этого является его положительный заряд. При этом свободному электрону не досталось места в стабильной структуре ядра протона. Попросту говоря, остальные электроны вытолкнули его, заняв все энергетически выгодные позиции. Поэтому он вынужден переместиться на более далекую от центра ядра позицию и оставаться в таком неопределенном положении до тех пор, пока не освободится место в ядре. Вот таким нехитрым способом образуется электронно-позитронная асимметрия. Опять же, если прибегнуть к инструментарию классической электростатики, то представленное на рисунке расположение свободного электрона в пространстве соответствует нестабильной или неустойчивой суперпозиции зарядов. Любое, самое незначительное, внешнее воздействие способно разрушить это состояние и спровоцировать спонтанный переход в другую такую же неустойчивую суперпозицию. В силу этого свободные электроны постоянно прыгают вокруг протонов в составе любого атома. И ровно по этой причине современная модель атома не способна предсказать траекторию движения электронов. Их движение по своей природе хаотично и непредсказуемо, как непредсказуема траектория падения листа с ветки дерева. Несмотря на сохранившийся вероятностный характер местонахождения свободного электрона в окрестностях ядра атома, эта вероятность получила совсем другую трактовку. Она обусловлена не бесконечным круговым перемещением электрона по неким орбитам с непонятной скоростью вокруг ядра, а всего лишь навсего балансом электростатических сил, действующих в данный момент в окрестностях ядра атома. В целом траектории движения электрона вокруг протона должны быть примерно такими, как показано на рисунке ниже.
Исходя из предложенной модели строения нуклонов – в природе должны существовать частицы с зеркальной структурой. Такие, у которых тяжёлый «протон» имеет отрицательный заряд, а на периферии располагается свободный позитрон. Действительно, если мы вспомним про антипротон, то он окажется именно такой зеркальной частицей, которая без всякой связи с антиматерией может уверенно и стабильно существовать в нашем мире в рамках рассмотренного строения нуклонов. И как вы уже поняли, уважаемые читатели, предложенная модель нуклонов позволяет избавиться от барионного проклятия. Так как в этой модели количество позитронов и электронов в составе любых атомов всегда одинаковое. При этом физический смысл аннигиляции не имеет ничего общего с таинственным превращением материи в энергию. Это банальное взаимодействие кулоновских частиц с противоположными зарядами. Своего рода «короткое замыкание» элементарных частиц. По большому счёту, такие понятия как антиматерия и аннигиляция с их барионной асимметрией и бесследным исчезновением материи ядерной физике больше не нужны. Как мы с вами только что выяснили, в реальной жизни всё может быть устроено гораздо проще и разумнее, чем в стандартной модели. Дополнительным бонусом к предлагаемой модели нуклонов и атомных ядер в целом, является избыточность сильных и слабых ядерных взаимодействий для сборки и стабильного существования атомов. Со всеми частицами внутри атома прекрасно справляется электростатика.