Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона. Радиус протона в самосогласованной модели

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта "Викизнание" еще до того как аналогичная статья на сайте Викизнание подверглась правке, исказившей действительность. Теперь я могу свободно писать правду только на своих сайтах, и еще тех сайтах, которые позволяют это сделать.

• 2 Протон в физике
• 2.1 Радиус протона
• 2.2 Магнитный момент протона
• 2.4 Масса покоя протона
• 2.5 Время жизни протона
• 3 Протон в Стандартной модели
• 4 Протон - это элементарная частица
• 6 Протон - итог

1 Протон (элементарная частица)

Протон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Подгруппа протона (основные и возбужденные состояния)

2 Протон в физике

Протон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).
Согласно полевой теории элементарных частиц (теории - построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), протон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью. - Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем. О том, что элементарные частицы не просто обладают - а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

Структура электромагнитного поля протона (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) - 0,346%,
• постоянное магнитное поле (H) - 7,44%,
• переменное электромагнитное поле - 92,21%.

Соотношение между энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле протона и энергии сосредоточенной в постоянном электрическом поле равно 21,48. Этим объясняется наличие у протона ядерных сил. Структура протона приведена на рисунке.

Электрическое поле протона состоит из двух областей: внешней области с положительным зарядом и внутренней области с отрицательным зарядом. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд протона +e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.

А так выглядят фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, действительно существующие в природе:

2.1 Радиус протона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для протона это будет 3,4212 10 -16 м. К этому необходимо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля, в результате получится:

что равно 4,5616 10 -16 м. Таким образом, внешняя граница протона находится от центра на расстоянии 4,5616 10 -16 м. Но необходимо помнить, что небольшая (порядка 1%) часть массы покоя, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, в соответствии с классической электродинамикой, находится вне данного радиуса.

2.2 Магнитный момент протона

В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращением электрических зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0.

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент протона аномальным - его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так основной магнитный момент протона создается двумя токами:

• (+) с магнитным моментом +2 eħ/m 0p c
• (-) с магнитным моментом -0,5 eħ/m 0p c

Для получения результирующего магнитного момента протона надо сложить оба момента, умножить на процент энергии переменного электромагнитного поля, разделенный на 100 процентов и добавить спиновую составляющую, в результате получим 1,3964237 eh/m 0p c. Для того чтобы перевести в обычные ядерные магнетоны надо полученное число умножить на два - в итоге имеем 2,7928474.

2.3 Электрическое поле протона

2.3.1 Электрическое поле протона в дальней зоне

Знания физики об структуре электрического поля протона менялись по мере развития физики. Первоначально считалось, что электрическое поле протона представляет собой поле точечного электрического заряда +e. Для данного поля будут:
потенциал электрического поля протона в точке (А) в дальней зоне (r >> r p) точно, в системе СИ равен:

напряженность E электрического поля протона в дальней зоне (r >> r p) точно, в системе СИ равна:

где n = r /|r| - единичный вектор из центра протона в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до точки наблюдения, e - элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, r p =Lh/(m 0~ c) - радиус протона в полевой теории, L - главное квантовое число протона в полевой теории, h - постоянная Планка, m 0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося протона, c - скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля протона: r >> r p , но физика тогда предполагала, что их верность распространяется и в ближней зоне, до расстояний порядка 10 -14 см.

2.3.2 Электрические заряды протона

В первой половине 20 века физика считала, что у протона имеется только один электрический заряд и он равен +e.

После появления гипотезы кварков, физика предположила что внутри протона имеются не один, а три электрических заряда: два электрических заряда +2e/3 и один электрический заряд -e/3. В сумме эти заряды дают +e. Это было сделано, поскольку физика предположила, что протон имеет сложную структуру и состоит из двух u-кварков с зарядом +2e/3 и одного d-кварка с зарядом -e/3. Но кварки не были найдены ни в природе, ни на ускорителях ни при каких энергиях и оставалось либо принять их существование на веру (что и сделали сторонники Стандартной модели), либо искать другую структуру элементарных частиц. Но вместе с этим в физике постоянно накапливалась экспериментальная информация об элементарных частицах и когда ее накопилось достаточно для переосмысления сделанного, на свет появилась полевая теория элементарных частиц.

Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы (не электрический заряд является первопричиной электрического поля, как физика считала в 19 веке, а электрические поля элементарных частиц таковы, что они соответствуют полям электрических зарядов). 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. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 "кварков" внутри протона - лучше если взять 8 "кварков". Понятное дело, что электрические заряды таких "кварков" будут совершенно иными, чем считает стандартная модель (со своими кварками).

Полевая теория элементарных частиц установила, что у протона, как и у любой другой положительно заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса:

• электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда q + =+1.25e) - r q+ = 4.39 10 -14 см,
• электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда q - =-0.25e) - r q- = 2.45 10 -14 см.

Данные характеристики электрического поля протона 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 протона в ближней зоне, равно как и саму структуру электрического поля протона в ближней зоне (на расстояниях порядка rp). Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+4/3e=+1.333e и -1/3e=-0.333e) в протоне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая положительно заряженная элементарная частица, независимо от величины спина и... .

Величины электрических радиусов для каждой элементарной частицы уникальны и определяются главным квантовым числом в полевой теории L, величиной массы покоя, процентом энергии заключенной в переменном электромагнитном поле (где работает квантовая механика) и структурой постоянной составляющей электромагнитного поля элементарной частицы (одинаковой для всех элементарных частиц с заданным главным квантовым числом L), генерирующей внешнее постоянное электрическое поле. 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.

2.3.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

Зная величины электрических зарядов внутри элементарной частицы и их местоположение, можно определить и создаваемое ими электрическое поле.

Напряженность E электрического поля протона в ближней зоне (r~r p), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:

где n + = r + /|r + | - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q + в направлении точки наблюдения (А), n - = r - /|r - | - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q - в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до проекции точки наблюдения на плоскость протона, q + - внешний электрический заряд +1.25e, q - - внутренний электрический заряд -0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, z - высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости протона), r 0 - нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (+1.25e и -0.25e). Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое - дальним. Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: h/m 0~ c

Потенциал электрического поля протона в точке (А) в ближней зоне (r~r p), в системе СИ приблизительно равен:

где r 0 - нормировочный параметр, величина которого может отличаться от r 0 в формуле E. (В системе СГС отсутствует множитель .) Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: h/m 0~ c

Калибровку r 0 для обоих выражений ближней зоны необходимо производить на границе области, генерирующей постоянные поля протона.

2.4 Масса покоя протона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и протона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

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. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную "теорию" - поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя протона зависит от условий, в которых протон находится. Так поместив протон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E 2 , что отразится на массе протона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении протона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства протона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного протона в вакууме, вдали от полей.

2.5 Время жизни протона

Указанное в таблице время жизни соответствует свободному протону.

Полевая теория элементарных частиц утверждает, что время жизни элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится. Поместив протон во внешнее поле (например, электрическое) мы изменяем энергию, содержащуюся в его электромагнитном поле. Можно выбрать знак внешнего поля так, чтобы внутренняя энергия протона увеличилась. Можно подобрать такую величину напряженности внешнего поля, что станет возможным распад протона в нейтрон позитрон и электронное нейтрино и следовательно протон станет нестабильным. Именно это наблюдается в атомных ядрах, в них электрическое поле соседних протонов запускает распад протона ядра. При внесении в ядро дополнительной энергии распады протонов могут начаться при меньшей напряженности внешнего поля.

3 Протон в Стандартной модели

Утверждается, что протон является связанным состоянием трёх кварков: двух «верхних» (u) и одного «нижнего» (d) кварков (предполагаемая кварковая структура протона: uud), а нейтрон имеет (кварковую структуру udd). Близость значений масс протона и нейтрона объясняется близостью масс гипотетических кварков (u и d).

Поскольку наличие кварков в природе экспериментально не доказано, а имеются лишь косвенные свидетельства, которые можно интерпретировать как наличие следов кварков в некоторых взаимодействиях элементарных частиц, но можно и интерпретировать иначе, то утверждение Стандартной модели, что протон обладает кварковой структурой остается всего лишь бездоказательным предположением.

Любая модель, в том числе и Стандартная вправе предположить любую структуру элементарных частиц включая протона, но пока на ускорителях не будут обнаружены соответствующие частицы, из которых якобы состоит протон, утверждение модели следует считать не доказанным.

В 1964 году Гелл-манн и Цвейг независимо предложили гипотезу существования кварков, из которых, по их мнению, состоят адроны. Новые частицы были наделены дробным электрическим зарядом, не существующим в природе.

Лептоны в эту Кварковую модель, которая впоследствии переросла в Стандартную модель, НЕ вписались - поэтому были признаны истинно элементарными частицами.

Чтобы объяснить связь кварков в адроне, было предположено существование в природе сильного взаимодействия и его переносчиков - глюонов. Глюоны, как и положено в Квантовой теории, наделили единичным спином, тождественности частицы и античастицы и нулевой величиной массы покоя, как у фотона.

В действительности, в природе существует не сильное взаимодействие гипотетических кварков, а ядерные силы нуклонов - и это не одно и то же.

Прошло 50 лет. Кварки так и не были найдены в природе и нам сочинили новую математическую сказочку под названием «Конфайнмент». Мыслящий человек с легкостью увидит в ней откровенное игнорирование фундаментального закона природы - закона сохранения энергии. Но это сделает мыслящий человек, а сказочники получили устроившее их оправдание, почему в природе нет кварков в свободном виде.

Глюоны также НЕ были найдены в природе. Дело в том, что единичным спином могут обладать в природе только векторные мезоны (и еще одно из возбужденных состояний мезонов), но у каждого векторного мезона имеется античастица. - Поэтому векторные мезоны на кандидаты в «глюоны» никак не подходят. Остается девятка первых возбужденный состояний мезонов, но 2 из них противоречат самой Стандартной модели и их существование в природе Стандартная модель не признает, а остальные неплохо изучены физикой, и выдать их за сказочные глюоны не получится. Есть еще последний вариант: выдать за глюон связанное состояние из пары лептонов (мюонов или тау-лептонов) - но и это при распаде можно вычислить.

Так что, глюонов в природе также нет, как нет в природе кварков и вымышленного сильного взаимодействия.
Вы считаете, что сторонники Стандартной модели этого не понимают - еще как понимают, вот только тошно признать ошибочность того, чем занимался десятилетиями. А поэтому мы видим новые математические сказки....

4 Протон это элементарная частица

Представления физики о структуре протона менялись, по мере развития физики.
Первоначально физика считала протон элементарной частицей, и так было до 1964 года, когда ГеллМанн и Цвейг независимо предложили гипотезу кварков.

Первоначально, кварковая модель адронов ограничивалась только тремя гипотетическими кварками и их античастицами. Это позволяло правильно описать спектр известных на тот момент элементарных частиц, без учета лептонов, которые не вписались в предлагаемую модель и потому признавались элементарными, наравне с кварками. Платой за это явилось введение, не существующих в природе, дробных электрических зарядов. Затем, по мере развития физики и поступления новых экспериментальных данных, кварковая модель постепенно разрасталась, трансформировалась, в итоге превратившись в Стандартную модель.

Физики усердно занялись поисками новых гипотетических частиц. Поиски кварков велись в космических лучах, в природе (поскольку их дробный электрический заряд невозможно скомпенсировать) и на ускорителях.

Шли десятилетия, росла мощность ускорителей, а результат поисков гипотетических кварков был всегда один: кварки НЕ найдены в природе.

Видя перспективу гибели кварковой (а затем Стандартной) модели, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству сказочку о том, что в некоторых экспериментах наблюдаются следы кварков. - Проверить эту информацию невозможно - экспериментальные данные обрабатываются с помощью Стандартной модели, а она всегда выдаст нечто за то, что ей нужно. История физики знает примеры, когда вместо одной частицы подсовывали другую - последней такой манипуляцией экспериментальными данными явилось подсовывание векторного мезона в качестве сказочного бозона Хиггса, якобы отвечающего за массу частиц, но при этом не создающую их гравитационное поле. За это надувательство даже дали Нобелевскую премию по физике. В нашем случае в качестве сказочных кварков подсунули стоячие волны переменного электромагнитного поля, о котором писали волновые теории элементарных частиц, а физика 21 века (в лице Теории гравитации элементарных частиц) установила природный механизм инерционных свойств элементарных частиц вещества Вселенной, не связанный с математической сказкой о бозоне Хиггса.

Когда трон под стандартной моделью вновь зашатался, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству новую сказочку для самых маленьких, под названием «Конфайнмент». Любой мыслящий человек сразу увидит в ней издевательство над законом сохранения энергии - фундаментальным законом природы. Но сторонники Стандартной модели не желают видеть ПРАВДУ.

5 Когда физика оставалась наукой

Когда физика еще оставалась наукой в ней истина определялась не мнением большинства - а экспериментом. В этом принципиальное отличие ФИЗИКИ-НАУКИ от математических сказок, выдаваемых за физику.
Все эксперименты по поиску гипотетических кварков (кроме конечно на-ду-ва-тель-ства) однозначно показали: кварков в природе НЕТ.

Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью. - Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем. О том, что элементарные частицы не просто обладают - а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

6 Протон - итог

Я не стал в основной части статьи подробно говорить о сказочных кварках (со сказочными глюонами), поскольку их в природе НЕТ и нечего забивать голову сказками (без необходимости) - а без основополагающих элементов фундамента: кварков с глюонами рухнула стандартная модель - время ее господства в физике ЗАВЕРШИЛОСЬ (см. Стандартная модель).

Можно сколь угодно долго не замечать места электромагнетизма в природе (встречаясь с ним на каждом шагу: свет, тепловое излучение, электричество, телевидение, радио, телефонная связь, в том числе и сотовая, интернет, без которого человечество не узнало бы о существовании Полевой теории элементарных частиц, ...), и продолжать сочинять новые сказочки взамен обанкротившихся, выдавая их за науку; можно с упорством, достойным лучшего применения, продолжать повторять заученные СКАЗКИ Стандартной модели и Квантовой теории; но электромагнитные поля в природе были, есть, будут и прекрасно обходятся без сказочных виртуальных частиц, впрочем, как и создаваемая электромагнитными полями гравитация, а вот у сказок есть время рождения и время, когда они перестают влиять на людей. Что касается природы, то ей НЕТ никакого дела до сказок, и любой иной литературной деятельности человека, даже если за них присуждается Нобелевская премия по физике. Природа устроена так, как она устроена, а задача ФИЗИКИ-НАУКИ понять и описать это.

Теперь перед Вами открылся новый мир - мир дипольных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала. Вы увидели, что у протона имеются не один, а два электрических заряда (внешний и внутренний) и соответствующие им два электрических радиуса. Вы увидели, из чего складывается масса покоя протона и что воображаемый бозон Хиггса оказался не у дел (решения Нобелевского комитета - это еще не законы природы...). Более того, величина массы и время жизни зависят от полей, в которых находится протон. Из того, что свободный протон стабилен, еще не следует, что он будет оставаться стабильным всегда и везде (распады протона наблюдаются в атомных ядрах). Все это выходит за рамки представлений, господствовавших в физике второй половины двадцатого века. - Физика 21 века - Новая физика переходит на новый уровень познания материи, а нас ждут новые интересные открытия.

В атомной физике вот уже несколько лет сохраняется серьезная проблема: радиус протона, полученный в новаторском эксперименте с мюонным водородом, сильно расходится с результатами традиционных измерений. Несмотря на усилия сотен физиков, общепринятого решения проблемы до сих пор нет. Непонятно даже, в чем подвох: в расчетах, в экспериментах (и тогда - в каких), в обработке данных или же, наконец, в самой природе. На днях та же самая экспериментальная группа усугубила проблему: аналогичные измерения в мюонном дейтерии дают результат, сильно отличающийся от обычного дейтерия.

Загадочный протонный радиус: в чем проблема и почему это беспокоит физиков

Шесть лет назад коллаборация CREMA , коллектив экспериментаторов из швейцарского Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute , PSI) огорошили физиков неожиданным заявлением: их эксперимент по измерению размера протона дал результат на 4% меньше, чем считалось до этого. Стремясь улучшить точность измерений этой довольно-таки изученной величины, они поставили новаторский эксперимент: измерили радиус протона через сдвиг уровней энергии в мюоном водороде (атом μp ). Точность у них в самом деле оказалась превосходной - как минимум в двадцать раз лучше, чем у любого из многочисленных предыдущих измерений. Но только результат на пять стандартных отклонений отличался от значения, полученного комитетом CODATA при усреднении по всем предыдущим экспериментам (а они до тех пор проводились только с электрон-протонным взаимодействием). В 2013 году эта же группа обновила измерения и повысила точность - и расхождение достигло уже 7σ.

Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса - и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор остается неразрешенной.

Более того, в этой ситуации даже толком непонятно, где подвох. Одно дело, когда эксперимент расходится с теорией - такое в физике микромира бывает нередко и помогает улучшать теоретические модели или отбраковывать не относящиеся к нашему миру гипотезы. Бывает - правда, куда реже - и так, что разные методы измерения одной и той же величины дают различающиеся результаты. Самый яркий пример - это измерения гравитационной постоянной : там есть уже аж четыре (!) экспериментальных значения, которые отличаются друг от друга на десяток сигм. Бесспорно, это конфузная ситуация, ведь результат может быть только один. Но по крайней мере понятно, что проблема здесь кроется в неучтенных погрешностях экспериментов.

А в ситуации с радиусом протона непонятно, на что пенять. На вот эти эксперименты с мюонными атомами? Трудно поверить, что экспериментаторы ошиблись на сотню (!) своих сигм, особенно когда в своем спектре они прекрасно видят опорные калибровочные линии там, где они должны находиться. К тому же измеренные ими другие спектроскопические величины, например сверхтонкое расщепление, хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

Или надо пенять на все предыдущие эксперименты с электронами? Но их был не один десяток (вообще, их сотни, только у большинства погрешность больше обнаруженного расхождения). Или, может быть, проблема не в самих результатах измерений, а в тех теоретических формулах, через которые из них вычисляется радиус протона? Ведь они получаются из очень нетривиальных расчетов и содержат множество подводных камней. Эта неприятная возможность, особенно для таких, казалось бы, элементарных систем как (мюонный) атом водорода, очень нервирует теоретиков. Ну и наконец, может оказаться, что и с экспериментами, и с формулами все в порядке, а расхождение привносит совершенно новый, неизвестный ранее физический эффект, какой-то из вариантов Новой физики, которую так давно и пока безуспешно ищут на коллайдерах.

Чтобы как-то разобраться с этим клубком вопросов, полезно поставить эксперименты не с протоном, а с другими ядрами, и проверить, как согласуются здесь электронный и мюонный метод измерения. На днях та же самая группа из Института Пауля Шеррера опубликовала в журнале Science статью с результатами спектроскопических измерений в мюонном дейтерии . Из них физики извлекли радиус дейтрона (связанное состояние протона и нейтрона), сравнили его со значением, полученным в обычном, электронном дейтерии, - и тоже обнаружили сильное расхождение. Таким образом, загадочное расхождение между мюонным и электронным методом подтверждается и крепнет ; и распространяется оно не только на протон, но и на другие ядра.

Методы измерения радиуса протона

Теперь погрузимся в эту тему чуть серьезнее. Атомные ядра в сто тысяч раз меньше самих атомов, поэтому никаким «миниатюрным штангенциркулем» ядро напрямую не измеришь. Однако размер ядра можно почувствовать косвенно, через влияние, которое неточечное ядро оказывает на разные явления.

Здесь надо сразу сделать пояснение. У одного и того же ядра может быть несколько разных размеров . В зависимости от того, каким процессом мы его прощупываем, даже отдельный протон может казаться больше или меньше. В этой новости речь будет идти исключительно об электромагнитном взаимодействии между ядром (например, протоном) и электроном, поскольку это самый удобный для измерения процесс. Оно зависит от того, как распределены электрические заряды внутри протона. Детали этого распределения, к счастью, несущественны; эффект выражается через усредненный «электрический размер» протона - зарядовый радиус r p . Рассказ о том, какие еще бывают радиусы и в каких задачах они встречаются, читайте в новости Оптические исследования помогают изучать ядра с нейтронным гало («Элементы», 18.10.2013).

Есть две разновидности экспериментов по измерению зарядового радиуса протона. Первый - это столкновение протонов со свободно летающими электронами. В эксперименте измеряется угловое распределение рассеявшихся электронов, это распределение сравнивают с теоретическим предсказанием для точечного ядра и видят различие, которое возникает как раз за счет внутренней структуры ядра. Из этого различия и вычисляется его зарядовый радиус.

Второй способ - спектроскопический, через взаимодействие ядра со связанным электроном. Электрон в атоме размазан по объему, который намного больше ядра. Однако крошечная часть электронного облака все-таки залезает внутрь ядра - и чем крупнее ядро, тем больше эта доля. Внутри ядра электрическое поле не такое, как было бы от заряженной точки, и это слегка изменяет энергию связи ядра с электроном, то есть сдвигает уровень энергии. Обратите внимание: этот эффект работает только для электронов на S-орбитали; электроны на более высоких орбиталях вращаются вокруг ядра и непосредственно в центральную область проникнуть не могут (рис. 4). Поэтому если очень точно измерить разницу энергии двух электронных уровней, то по теоретическим формулам можно вычислить радиус ядра.

У этого метода есть две разновидности. Во-первых, можно сравнивать два электронных уровня с одинаковым главным квантовым числом, например уровни 2S и 2P (рис. 5). Эта разница называется лэмбовским сдвигом . Она маленькая, всего 4 микроэлектронвольт для 2S–2P расщепления в атоме водорода, но современные спектроскопические методы без труда ее измеряют. Возникает она в основном за счет квантовых флуктуаций электромагнитного поля, но свой вклад в него дают еще два эффекта: радиус ядра (это как раз нужный нам эффект) и двухфотонный обмен между электроном и ядром (для обычного водорода он, впрочем, очень мал).

Во-вторых, можно измерять переходы между сильно различающимися уровнями, например 1S и 2S. Тут, правда, есть нюанс: чтобы отсюда вычислить радиус ядра, надо знать постоянную Ридберга - фундаментальную величину, в единицах которой считаются энергии связи. Но постоянная Ридберга сама извлекается из таких спектроскопических измерений. Поэтому, чтобы извлечь и ее, и радиус ядра, требуются две пары уровней.

На рис. 6 показаны значения зарядового радиуса протона, полученные из многочисленных спектроскопических измерений. Первые три точки - измерения через лэмбовский сдвиг, остальные - измерения через две пары уровней. Каждое конкретное измерение не слишком впечатляет, но объединение результатов позволяет достичь погрешности меньше процента (широкая голубая полоса на графике).

На рис. 7 этот суммарный спектроскопический результат показан одной точкой, а в дополнение приведены два результата из экспериментов по рассеянию электронов на протонах. Заметьте: все электронные результаты, полученные разными методами, прекрасно согласуются друг с другом. Черным цветом показан объединенный результат по всем электронным измерениям. Когда в 2010 году комитет CODATA обновил свои рекомендации по физическим величинам, он выдал такое значение для зарядового радиуса протона:

r p (CODATA 2010) = 0,8775 ± 0,0051 фм (фемтометров; 1 фм = 10 −15 м).

Спектроскопия мюонного водорода

Как и всякую фундаментальную величину, зарядовый радиус протона следует пытаться измерить с как можно лучшей точностью. Из спектроскопических измерений на тот момент выжали все, что могли: хоть они и сверхточные, но влияние радиуса протона на уровни энергии очень слабое. Однако давно была мысль сделать то же для мюонного водорода μp - экзотического атома, у которого вокруг протона вращается не электрон, а мюон (рис. 2). Мюоны - это тяжелые собратья электронов; они участвуют в тех же самых взаимодействиях, но только в 200 раз тяжелее электронов. Из-за такой большой массы размер мюонного атома получается в те же 200 раз меньше обычного. Но ядро-то осталось прежним! Поэтому для мюона вероятность оказаться внутри ядра возрастает в 200 3 , то есть почти в десять миллионов раз по сравнению с электронной. А это значит, что во столько же раз усиливается чувствительность к зарядовому радиусу протона - прекрасный подарок для экспериментаторов.

С мюонами есть одна трудность: они нестабильны. Распадаются они, впрочем, неохотно, и их время жизни, 2,2 микросекунды, - это вечность по масштабам микромира. За это время мюоны можно произвести в ускорителе, замедлить и переслать по вакуумной трубе в рабочую камеру с газообразным водородом. Мюоны там останавливаются, цепляются к какому-нибудь ядру водорода и отсоединяются от молекулы в виде атома μp . Этот атом вначале получается сильно возбужденным, но мюон быстро излучает фотоны и обычно падает на основное состояние 1S. Однако примерно в 1% случаев он заканчивает свой путь на долгоживущем уровне 2S, который как раз годится для спектроскопических измерений. Самое главное, что весь этот каскад процессов происходит менее чем за 1 микросекунду, поэтому большинство мюонов прекрасно проходят его до конца, не распавшись.

Все это звучит просто на словах, но требует недюжинной экспериментальной сноровки в реальности. Техническое достижение группы из Института Пауля Шеррера как раз состояло в том, что они собрали новую линию доставки и охлаждения мюонов, которая выдавала им мюонные атомы по несколько сот штук в секунду, что на порядок превышало результаты предыдущих установок.

Дальше производится измерение лэмбовского сдвига между состояниями 2S и 2P стандартным резонансным методом (за подробностями отсылаем к упомянутой выше новости). На рис. 8 показана структура этих уровней в мюонном водороде. Обратите внимание, что все смещения здесь вполне приличные. Тот же лэмбовский сдвиг тут в 50 тысяч раз сильнее, чем в обычном водороде, да и искомый эффект конечного размера ядра достигает почти 4 мэВ. Именно благодаря этому возрастает точность измерений: пожертвовав статистикой событий, мы резко улучшили точность измерения резонансной линии.

Технически, измерения выполняются следующим образом. В рабочую камеру с водородом, в которую залетел мюон, светят короткой лазерной вспышкой на частоте, настроенной на разницу уровней 2S и 2P (а точнее, определенных подуровней сверхтонкого расщепления). Обратите внимание: эксперимент здесь штучный. Каждый влетевший мюон сигнализирует системе о своем приходе, и через 0,9 мкс установка запускает лазерную вспышку. В подавляющем большинстве случаев это ни к чему не приводит. Но если мюон удержался в состоянии 2S, то он перекидывается в 2P, откуда он тут же падает на основное состояние 1S с испусканием рентгеновского фотона с энергией 1,9 кэВ. Его-то и регистрируют детекторы. За несколько часов набирается статистика из нескольких десятков фотонов, затем частоту лазера чуть-чуть сдвигают и повторяют эксперимент. Конечным итогом этого измерения является красиво прорисованная резонансная линия перехода 2S в 2P (рис. 9). Положение максимума и дает разницу уровней, а значит, позволяет вычислить радиус протона.

Эти результаты были обнародованы в 2010 году и положили начало загадке протонного радиуса. Как видно из рис. 9, резонансная линия оказалась совсем не там, где ее ожидали увидеть на основе общепринятого к тому моменту радиуса протона. В 2013 году экспериментаторы измерили частоту не одного, а сразу трех разных переходов между разными подуровнями сверхтонкого расщепления и однозначно разделили непосредственно лэмбовский сдвиг и сверхтонкое расщепление. Новое измерение действительно оказалось очень точным, с относительной погрешностью 0,05%:

r p (exp. 2013) = 0,84087 ± 0,00039 фм.

Ситуация, на самом деле, еще серьезнее. Расхождение в радиусе протона влечет за собой сравнимое расхождение в измеренной величине постоянной Ридберга, поскольку они извлекаются друг с другом из спектроскопических данных. На очень точном знании постоянной Ридберга базируются и многие спектроскопические результаты - и на них аукнется, если эта константа «поплывет».

Спектроскопия мюонного дейтерия

Коллаборация CREMA, проводя эксперименты с мюонным водородом, набирала параллельно данные и по тяжелому мюонному водороду - дейтерию. Ядро дейтерия, дейтрон, - это связанная система протона и нейтрона. Привлекательность дейтрона в том, что эта система довольно слабо связана и потому довольно крупная. Зарядовый радиус дейтрона r d превышает 2,1 фм - и это при том, что добавленный нейтрон вообще-то электрически нейтральный. А поскольку сдвиг атомных уровней пропорционален квадрату зарядового радиуса, можно надеяться на хорошее измерение r d даже при небольшой статистике.

Этот анализ был недавно завершен, и его результаты появились в последнем выпуске журнала Science . Из-за спина дейтрона сверхтонкое расщепление в дейтерии чуть богаче, чем в обычном. Исследователи выполнили измерения трех линий перехода и, на основе теоретических формул, получили результат:

r d (exp. 2016) = 2,12562 ± 0,00072 фм.

r d (CODATA 2010) = 2,1424 ± 0,0021 фм.

Сравнение нового результата со всеми остальными показано на рис. 10. Во-первых, так же, как и для протона, здесь видно сильное различие между новым результатом и рекомендованным значением CODATA-2010 - на 7,5σ. Обновленная рекомендация CODATA-2014 слегка изменилась, и с ней расхождение составляет «всего» 6σ.

Но осторожно: это расхождение еще нельзя интерпретировать как новую загадку. Значение CODATA для r d не независимое, а целиком опирается на протонный радиус r p . Поэтому в дополнение к своему собственному эксперименту коллаборация CREMA провела отдельный спектроскопический анализ уровней в обычном дейтерии и извлекла отсюда свое значение r d (синяя точка на рис. 10), см. июльский препринт Deuteron charge radius from spectroscopy data in atomic deuterium . Оно более-менее согласуется с CODATA, но только оно уже никоим образом не зависит от протонного радиуса r p . Таким образом, даже если отбросить рекомендации CODATA, все равно налицо расхождение между двумя спектроскопическими методами: для обычного дейтрона и для мюонного. Оно достигает 3,5σ и представляет собой дополнительное независимое подтверждение того, что между мюонными и электронными измерениями есть серьезный конфликт . К сожалению, данные по рассеянию электронов на дейтронах пока слишком неопределенные и не могут отдать предпочтение ни одному из методов.

Следующий момент. Поскольку сейчас есть два спектроскопических измерения для разных мюонных атомов, появляется возможность сравнить их друг с другом. Это можно сделать, поскольку разница между зарядовыми радиусами дейтрона и протона хорошо известна из 1S–2S разницы в обычном водороде и дейтерии. Если взять результат r p из мюонного водорода и вычислить r d , то получится оранжевая точка на рис. 10. Она отличается от красной на 2,6σ. Означает ли это несостыковку между двумя мюонными измерениями? Не обязательно. Дело в том, что раз мы допускаем реальность расхождения r p между μp и ep -системами, то это расхождение не обязано оставаться таким же для дейтерия. Более того, есть модели Новой физики, которые как раз утверждают, что в дейтерии расхождение будет сильнее процентов на 20 (это отношение кубов приведенных масс в μd и μp -системах). Поэтому, кто знает, может быть различие между красной и оранжевой точками окажется реальным физическим эффектом Новой физики.

Кто виноват и что делать?

С самого момента своего появления загадка протонного радиуса считалась одним из главных камней преткновения в атомной физике. Новые экспериментальные результаты швейцарской группы делают проблему еще более жгучей. Число попыток разобраться в ней исчисляется уже сотнями, но до сих пор ни одного общепринятого разрешения не существует.

Самое консервативное объяснение - это что в теоретических формулах для лэмбовского сдвига мюонного атома неправильно сосчитан или вообще пропущен какой-то вклад, который сдвигает уровни энергии на величину расхождения (в пересчете на энергию она составляет 0,32 мэВ). С момента возникновения загадки сотни физиков многократно разбирали эти формулы на составные части, искали в них слабые места и неучтенные погрешности, но никакого прокола не нашли. Примечательна, например, статья Theory of the 2S-2P Lamb shift and 2S hyperfine splitting in muonic hydrogen , в которой в нескольких таблицах собраны разные вклады в лэмбовский сдвиг для мюонного водорода по расчетам разных авторов. Пожалуй, самым спорным остается двухфотонный вклад, поскольку он зависит не только от электромагнитного взаимодействия, но и от устройства протона и его возбужденных состояний. Для мюонного атома этот вклад намного больше, чем для обычного, и его расчеты привносят самые большие неопределенности в теоретический результат для лэмбовского сдвига в μp -атоме. Но он примерно в 10 раз меньше, чем обнаруженное расхождение, поэтому единолично спасти ситуацию не может.

Есть также подозрение, что из данных по рассеянию электронов радиус протона был извлечен не вполне корректно, по слишком упрощенным формулам. По крайней мере, опубликованная два месяца назад статья Consistency of electron scattering data with a small proton radius сообщает, что более скрупулезная экстраполяция данных в область малых углов рассеяния дает новый результат для радиуса протона, согласующийся с мюонными измерениями. Аналогичный вывод был сделан еще четыре года назад на основании иного теоретического метода в публикации The size of the proton - closing in on the radius puzzle . Однако рассеяние рассеянием, но основная проблема возникла все же из спектроскопических данных.

Наконец, остается щекочущая нервы возможность, что обнаруженное расхождение реально и что оно возникает из-за влияния каких-то совершенно новых частиц или взаимодействий. Им нет места в Стандартной модели, они нарушают универсальность взаимодействий между ядром и лептонами (электроном и мюоном), и значит, это может быть указанием на долгожданную Новую физику. К тому же в физике частиц есть еще две загадки, не такие, правда, громкие, но которые тоже заставляют физиков считать, что с мюонами «не все чисто». Это расхождение между теоретическим и экспериментальным значением аномального магнитного момента мюона , которое давно уже держится на уровне чуть больше 3σ, и подозрительные примеры нарушения лептонной универсальности , обнаружившиеся недавно на Большом адронном коллайдере. Насколько это все связано друг с другом, непонятно. Но как минимум существуют теоретические модели, которые введением новых частиц умудряются объяснить и аномальный магнитный момент мюона, и загадку протонного радиуса.

Тут любопытно заметить, что физику элементарных частиц - которая как раз интересуется самыми фундаментальными свойствами микромира - эта загадка задела лишь вскользь и существенного ажиотажа (пока?) не вызвала. Видимо, большинство физиков, которые занимаются поисками эффектов за пределами Стандартной модели и построением теорий Новой физики, уверено, что разгадка будет «приземленной», в виде какого-то неучтенного эффекта в эксперименте или плохо вычисленного коэффициента для связи радиуса с уровнями энергии.

В заключение кратко обрисуем планы на будущее, которые для такой жгучей загадки должны быть многообразные.

Та же швейцарская коллаборация CREMA недавно (в 2013–2014 годах) провела те же измерения лэмбовского сдвига в мюонных атомах, но уже для гелия-3 и гелия-4. Результаты пока не объявлены, поскольку теоретические формулы, и в особенности двухфотонный вклад, известны еще хуже.

Там же, в Институте Пауля Шеррера планируется также и другой эксперимент - по упругому рассеянию мюонов и электронов на протонах. Предполагается, что в рамках одной установки можно будет одну и ту же мишень обстреливать мюонами и электронами, причем заряженными как положительно, так и отрицательно. Разница между двумя зарядами позволит выделить вклад злосчастного двухфотонного обмена. Этот эксперимент MUSE пока находится в стадии технического проекта.

В 2014 году в в Майнце (Германия), на ускорителе MAMI был проведен новый эксперимент по рассеянию электронов на дейтронах. Этот эксперимент нацелен на уменьшение погрешностей зеленой точки на рис. 10. Окончательные результаты измерений пока не представлены.

Планируется также целый ряд новых спектроскопических измерений в обычном водороде с использованием других пар уровней, а также альтернативные эксперименты по измерению постоянной Ридберга. Также, в американской Национальной лаборатории им. Джефферсона (Jefferson Lab) есть планы изучить совсем уж экзотический атом - так называемый «истинный мюоний», связанное состояние мюона и антимюона (он называется истинный, потому что термин «мюоний» уже, к сожалению, закрепился за другой системой). Конкретных сроков тут пока названо.

И наконец, совсем отдаленная перспектива - вывести радиус протона чисто теоретически, из первых принципов. Сделать это можно лишь численно, в рамках квантовой хромодинамики на решетках (Lattice QCD), с помощью исключительно ресурсоемких расчетов. Для ближайшего будущего точность в один процент пока недостижима; тут пока что речь идет о погрешностях в десятки процентов. Но сам факт, что рано или поздно мы научимся это вычислять, отчасти обнадеживает. Хотелось бы, впрочем, чтобы эта загадка к тому времени уже разрешилась.

В начале июня исполнилось ровно семь лет с того дня, как была впервые сформулирована так называемая «загадка радиуса протона» - противоречие между старыми и новыми экспериментами по определению протонного размера. За эти годы проблема не только не разрешилась, но и еще больше усугубилась, окончательно поставив теоретиков в тупик.

В июне 2010 года в местечке Лез-Уш, что во Франции, состоялась конференция, посвященная сверхточной физике простых атомных систем, где общественности впервые были представлены результаты экспериментов по уточнению зарядового радиуса протона - фундаментальной константы, характеризующей то, насколько заряд протона «размазан» в пространстве. Главным отличием нового эксперимента стало то, что он впервые проводился не на водороде, как обычно, а на экзотических мюонных атомах. Мюонным называется атом, в котором один или несколько электронов заменены на мюоны - сверхтяжелых «собратьев» электронов, обычно получаемых на ускорителях.

Выяснилось, что новый радиус отличается от измеренного ранее на четыре процента. Это противоречие получило название «загадка радиуса протона» и вызвало беспрецедентный ажиотаж среди ученых, занимающихся атомной физикой. За семь лет проблема не только не решилась, но и еще более усугубилась недавними экспериментами, и многие заговорили о выходе к Новой физике. С точки зрения обывателя, 4 процента - не такое уж большое расхождение, поэтому, чтобы понять причину бурной реакции ученых, необходимо обратиться к истории вопроса.

Холодная война

Ни для кого не секрет, что на физику можно смотреть с позиции «холодной войны» между теорией и экспериментом. В каждой области существуют свои теории, которые предсказывают результаты тех или иных экспериментов с некоторой заявленной точностью. Экспериментаторы же, в свою очередь, стараются дотянуться до этих точностей и превзойти их, чтобы поставить перед теоретиками новые горизонты вычислений. Все это служит на благо развития наших представлений о мире вплоть до тончайших материй.

Пожалуй, самой драматичным фронтом «холодной войны» в физике стала спектроскопия атома водорода. Все началось еще в конце XIX века, когда в спектрах Солнца была обнаружена спектральная серия , названная впоследствии бальмеровской. На тот момент в физике царствовала классическая парадигма: весь мир описывался уравнениями Максвелла вперемешку с уравнениями механики, а свет понимался исключительно в волновом ключе. В мировом научном сообществе процветала уверенность, что все основные законы физики уже известны. Наиболее анекдотично этот факт иллюстрирует фраза профессора Филиппа фон Жолли , немецкого физика, ставшего эталоном недальновидности, - он отговаривал Макса Планка, одного из основоположников квантовой механики, от занятий физикой: «В этой области почти все уже открыто, и все, что остается, - заделать некоторые не очень важные пробелы».

Так что же было не так с серией Бальмера? Дело в том, что в классической электродинамике излучение производится всякий раз, когда электрические заряды испытывают ускорение либо торможение (а также движение по кругу). Вместе с тем, в электродинамике существует специальная теорема, согласно которой между электрическим зарядами может существовать только динамическое равновесие. Иначе говоря, система, состоящая из таких зарядов, может быть устойчивой (то есть не разлететься и не сколлапсировать) только тогда, когда эти заряды кружат друг вокруг друга по каким-то своим траекториям. Но в этом случае зарядам приходилось бы постоянно ускоряться и тормозить, что, согласно законам классической физики, неизбежно привело бы к излучению. Излучая, заряды теряли бы энергию и, как следствие, скорость (существует даже специальный термин «радиационное трение»). В конечном итоге это привело бы к тому, что любой классический атом, независимо от того, каково его истинное распределение зарядов, был бы обречен на радиационное истощение, и материя во Вселенной не могла бы существовать.

Но если предположить, что в силу каких-либо неведомых причин классический атом стабилен, то, согласно расчетам, спектр его излучения должен был бы представлять собой эквидистантный набор частот: он напоминал бы «гребенку», состоящую из основной частоты излучения и обертонов с частотами, кратными основной частоте. Профессиональным музыкантам и радиолюбителям хорошо знаком такой вид спектра, поскольку нюансы звука зачастую спрятаны именно в том, как себя ведут обертона. Вместе с тем серия Бальмера (а также другие серии, обнаруженные позже) никак не вписывались в эту картину: их частоты вместо равномерной «расчески» подчинялись закону обратных квадратов натуральных чисел.

Первое удовлетворительное объяснение таких спектральных закономерностей было предложено Нильсом Бором. Он долгое время бился над вопросом о том, как же объяснить эксперименты его коллеги, Эрнеста Резерфорда, который показал, что атом на самом деле состоит из маленького положительного ядра, вокруг которого кружат электроны. Сформулированная таким образом модель атома получила название планетарной из-за схожести с устройством Солнечной системы.

Чтобы согласовать эксперименты Резерфорда с фактом устойчивости атома, Бор не нашел ничего лучше, чем просто постулировать, что по неизвестным пока причинам электроны на определенных орбитах замечательно себя чувствуют и не хотят сваливаться на ядро. Но какие именно это должны быть орбиты, Бор понял только после того, как ему показали формулу, описывающую серию Бальмера. Оказалось, что электроны в атоме водорода существуют без излучения только тогда, когда их орбитальный момент равен натуральному числу в единицах постоянной Планка. Так родилась знаменитая боровская модель атома.

Несмотря на огромный успех, который имела эта модель при описании экспериментов того времени на водороде и водородоподобных атомах, ее никак нельзя назвать удовлетворительной с точки зрения фундаментальной физики. Являясь, по сути, почти полностью классической моделью (не считая пункта, связанного с дискретным орбитальным моментом), она не могла ответить на главный вопрос - почему же все-таки атомы стабильны. Более того, боровская модель не могла описать ни спектры многоэлектронных атомов, ни интенсивности линий у атомов с одним электроном. Тем не менее, успехи этой модели привнесли в мировое научное сообщество понимание того, что в основе поведения элементарных частиц лежат некие иные законы, нежели те, что описывают движение массивных тел. Теорией, которая смогла дать удовлетворительные ответы на поставленные вопросы, стала квантовая механика.

Эффект Брюса Ли

Квантовая механика создавалась как сплав идей, высказанных разными физиками, и в данный момент она формулируется в виде нескольких постулатов. Если кратко, то в ее основе лежит отказ от предоставления координате и импульсу статусов самых фундаментальных характеристик материальных тел. Вместо этого постулируется, что главной характеристикой любого физического объекта является его состояние. Каждому состоянию ставится в соответствие особый математический объект - так называемый вектор гильбертова пространства. «Одевание» физического состояния в такую математическую форму автоматически тянет за собой все алгебраические свойства, которые есть у векторов. В частности, вектора можно складывать и умножать на числа, и это позволяет описывать такие явления, как квантовая суперпозиция и квантовая запутанность, существование которых невозможно в классической картине мира. Кроме того, постулируется вероятностная природа квантового состояния с точки зрения измерения, а также постулируется то, как это состояние ведет себя со временем (уравнение Шредингера).

Сформулированная таким образом механика микроскопических тел смогла полностью объяснить все существовавшие на тот момент эксперименты в области атомной физики из первых принципов. Единственным существенным дополнением к квантовой механике стал учет релятивистских эффектов (а уравнение Шредингера, в свою очередь, было заменено на уравнение Дирака). Необходимость в этом появилась после того, как выяснилось, что линейчатые спектры имеют более сложную структуру, чем просто набор длин волн, определяемых квадратами натуральных чисел (это явление получило название «тонкая структура»). А это, опять же, стало возможным благодаря прогрессу в технике спектроскопического эксперимента.

Однако самое интересное началось после того, как в 1947 году на конференции в Шелтер Айленде, штат Нью-Йорк, было объявлено об обнаружении мельчайшего аномального зазора в энергиях двух близлежащих состояний атома водорода, названного впоследствии лэмбовским сдвигом. Это открытие очень взбудоражило теоретиков, поскольку уже завоевавшая на тот момент надежную репутацию квантовая механика предсказывала, что этого зазора быть не должно. Решение данной загадки потребовало пересмотра наших представлений о вакууме и привело к созданию квантовой электродинамики (КЭД). Это имело большое значение для всей теоретической физики, поскольку КЭД стала отправной точкой к построению квантово-полевой модели микромира, венцом которой является Стандартная модель.

В рамках КЭД вакуум перестает быть просто пустым пространством. Теперь вакуум это некая среда, в которой постоянно на какое-то время рождаются, а затем уничтожаются частицы. Эти процессы не имеют начала и конца, они никогда не выключаются, а сами эти «вре́менные» частицы называют виртуальными. Все реальные частицы также взаимодействуют с вакуумом. В частности, электрон постоянно участвует в процессе, при котором он испускает и тут же поглощает фотон. Этот виртуальный фотон не успевает улететь далеко от электрона, поэтому вокруг любого электрона всегда существует некоторое фотонное поле. Физики даже ввели полуофициальный термин - «фотонная шуба». Как показывают расчеты, эта «шуба» привносит некоторую добавку к массе электрона. А в случае, если электрон связан в атоме, «шуба» модифицирует еще и его энергию взаимодействия с атомом. Именно этот сдвиг энергии и был обнаружен Лэмбом.

Лэмбовский сдвиг можно понять с помощью следующей аналогии. Представьте, что вы находитесь в большом зале и заняты каким-нибудь действием. Например, бьете боксерскую грушу. У вас есть определенная динамика, ваши действия следуют определенному порядку - вы находитесь в некотором состоянии с некоторой энергией. Теперь представьте, что тренер велел вам при этом еще и параллельно подбрасывать и ловить мяч. Это задание потребует от вас определенной ловкости и концентрации - наверняка ваше состояние и энергия поменяются.

Теперь представьте, что вы - самый ловкий человек на земле (например, Брюс Ли). Вы настолько хороши в своем деле, что невооруженным глазом невозможно заметить, что ваша энергия изменилась. И лишь с помощью хитрых технических ухищрений (например, высокоскоростной камеры) можно увидеть, что подбрасывание мяча все-таки влияет на вас. Примерно так же все обстоит и в атоме водорода: протон - это груша, фотон - мячик, электрон - Брюс Ли, а в роли технического приспособления выступают микроволновой излучатель и детектор, использовавшиеся в эксперименте по обнаружению лэмбовского сдвига.

С момента объяснения лэмбовского сдвига соревнование теории и эксперимента выходит на новый уровень. Дело в том, что КЭД устроена так, что мы не можем с ее помощью получить точное решение задачи на нахождение энергий атомных уровней (в отличие, например, от уравнения Дирака), но зато мы можем приблизиться к этому решению с любой точностью. Так получается потому, что точное значение энергии соответствовало бы учету бесконечного многообразия процессов с участием виртуальных частиц. Иначе говоря, формула для энергии представляет собой ряд, который необходимо просуммировать, при этом каждому члену соответствует какой-то свой процесс.

Диаграмма Фейнмана, определяющая основной вклад в лэмбовский сдвиг. Сплошная линия обозначает электрон, волнистая линия – виртуальный фотон, крестик – ядро, а пунктирная линия – взаимодействие с ядром.

Например, излучение и поглощение одного виртуального фотона - это лишь один из таких процессов, хотя и самый существенный. Может произойти так, что электрон излучит виртуальный фотон и, не дождавшись поглощения, излучит еще один. А может и так, что излученный фотон временно распадется на электрон-позитронную пару. Каждый из этих процессов влияет на решение задачи с каким-то своим весом. Чтобы не запутаться в сложной структуре КЭД-процессов и как-то их систематизировать, Ричардом Фейнманом была придумана диаграммная техника, которая позволяет представить виртуальные частицы в виде линий разного типа, а их рождение и уничтожение - в виде точек (узлов), в которых эти линии сходятся.

Диаграммы Фейнмана, описывающие электро-электронное взаимодействие путем обмена виртуальным фотоном. На второй диаграмме один из электронов перед взаимодействием испускает еще один фотон. На третьей диаграмме виртуальный фотон по дороге рождает виртуальную электрон-позитронную пару (позитроны обозначаются так же, как и электроны, но их стрелочки смотрят в другую сторону). Первая диаграмма вносит наибольший вклад в этот процесс по сравнению с двумя остальными. В этом можно убедиться, сосчитав число узлов на них (2 на первой против 4-х на остальных).

• Оказалось, что диаграммы, соответствующие всевозможным процессам, можно отсортировать по числу узлов. Чем больше число узлов, тем больше рождается и уничтожается виртуальных частиц и, как следствие, тем больше возможных комбинаций процессов (их число растет примерно как факториал). Кроме того, каждая новая частица привносит дополнительные интегралы в расчет. Все это приводит к тому, что каждый шаг точности увеличивает усилия, затрачиваемые на расчеты, на порядки.

Страсть к точности

Пока теоретики высчитывали новые диаграммы, инженеры и экспериментаторы не сидели, сложа руки, и улучшали спектроскопическую технику. Существенной вехой на данном поприще стало появление технологии оптических частотных гребенок, что привело к настоящей революции в измерении частоты света. Так, к началу XXI века точность спектроскопических измерений достигла 14-го знака после запятой. А совсем недавно стало известно о создании лазера с рекордно узкой шириной спектральной линии, составляющей около 10 -17 от своей несущей частоты.

И если соревнование теории и эксперимента можно назвать «войной», то «полями битвы» для этой войны стали физические константы. Причем устроено это следующим образом. В ходе эксперимента измеряется какая-то физическая величина, например частота света, с некоторой точностью. Задача теории - предложить формулу, которая бы давала такой же, фактически уже известный, ответ. При этом формула может строиться в виде математических комбинаций нескольких фундаментальных констант. Таким образом, получается уравнение, где в роли неизвестных выступают эти самые константы. Очевидно, что если констант больше одной, то необходимо несколько экспериментов и, соответственно, несколько формул с теми же константами. Уравнений должно быть не меньше, чем число неизвестных, а как можно больше. При этом погрешности эксперимента трансформируются в погрешности определения констант по четким математическим принципам.

Точность эксперимента при этом играет центральную роль. Если погрешность измерения слишком велика, теоретикам достаточно предлагать простые формулы, чтобы находилось решение системы уравнений: излишняя теоретическая точность просто утонет в большой экспериментальной погрешности. Но когда погрешность измерения уменьшается ниже определенного порога, система таких уравнений перестает иметь решение. Это означает, что теоретикам нужно как-то достроить свои формулы, чтобы решение снова вернулось. Для КЭД такими надстройками являлись диаграммы с бо́льшим, чем на предыдущем шаге, числом узлов.

Таким образом, вычисление и измерение мировых констант является надежным критерием того, верна или не верна теория. Кроме того, их уточнение может подтолкнуть прогресс в смежных областях. Например, точное значение радиуса протона может быть полезно для квантовой хромодинамики - науки, изучающей взаимодействие кварков. Наконец, растущая точность в измерении констант позволила вплотную подступиться к проверке гипотезы о том, что фундаментальные постоянные меняются со временем.

Помимо задач, связанных с проверкой КЭД, рекордная точность важна и для других областей науки и техники. Так, технология оптических гребенок позволила обновить метрологические стандарты времени и частоты, сделав работу атомных часов еще более точной, а, следовательно, сделав точнее и системы спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС и другие). Другим приложением этой технологии является возможность создания очень коротких лазерных импульсов. Благодаря сжатию энергии одного импульса всего лишь в несколько аттосекунд (10−18 секунд) удается достичь очень больших мощностей на пике, что открывает новые возможности при исследовании взаимодействия света с веществом. Наконец, недавнее обнаружение гравитационных волн также обязано своим успехом высокой точности при детектировании оптических сигналов.

Схема, иллюстрирующая основную идею атомной спектроскопии: 1 - источник излучения; 2 - коллиматорная система; 3 - камера с атомизированным веществом; 4 - детектор. Источник нужен для того, чтобы осуществлять манипуляции с электронной структурой атома. В ряде случаев для таких манипуляций вместо света может быть использовано другое воздействие, например электрический ток.

Так о каких же экспериментах идет речь в случае измерения радиуса протона? В основном это эксперименты с частицами - главными участниками электромагнитного взаимодействия: протонами и электронами. В одном классе опытов рассматривается рассеяние свободных электронов на протонах и измеряется их угловое распределение после взаимодействия. В другом классе исследуются атомы - связанные состояния электрона и ядра, которое в самом простом случае является просто протоном (атом водорода). Атомы изучают методами оптической спектроскопии, той самой, что позволила обнаружить серию Бальмера.

Схема, иллюстрирующая основную идею электрон-протонного рассеяния: 1 - сколлимированный пучок электронов, создаваемый, как правило, на ускорителе; 2 - камера-мишень, содержащая газообразный водород; 3 - подвижный детектор.

Во всех случаях подход теоретиков к интерпретации эксперимента одинаков: при выводе измеряемой величины используются формулы для точечного протона, а затем к ним добавляют поправку на конечный размер. В случае атомной спектроскопии, например, получается три члена: первый - квантовомеханический (описывает бальмеровскую и тонкую структуры), второй - квантовоэлектродинамический (разнообразные диаграммы Фейнмана) и третий - собственно поправка на размер ядра. При этом неизвестными, по сути, остаются всего две константы: постоянная Ридберга и радиус протона. Преимуществом экспериментов с атомами заключается в том, что в спектре атома содержится большое количество частот, которые можно измерять, а каждая частота - это фактически отдельный эксперимент.

Благодаря развитию оптической техники к началу XXI века имелась уже достаточно большая выборка высокоточных спектроскопических данных, на основании которой было получено значение радиуса протона, равное 0,8802 ± 0,0080 фемтометра (1 фемтометр = 10 −15 метра). Комбинирование этого значения со значением, полученным из рассеяния электронов, дало величину 0,8775 ± 0,0051 фемтометра, которая и была признана Комитетом по данным для науки и техники при Международном совете по науке (CODATA) в качестве константы.

Вместе с тем, еще 50 лет назад было отмечено,что можно улучшить точность измерения зарядового радиуса протона, если в атоме водорода электрон заменить мюоном. Про мюон на сегодняшний день известно, что он ничем не отличается от электрона, кроме того, что его масса в 207 раз больше, а сам он нестабилен и через какое-то время распадается. Бо́льшая масса означает, что он и к ядру будет находиться ближе в 207 раз. А раз так, то относительный вклад в энергию состояния от конечности размера ядра (та самая третья поправка) у мюонного атома будет гораздо больше, чем у обыкновенного.

Примерная схема эксперимента с мюонными атомами состоит из нескольких частей. В самом начале используется ускоритель, одним из продуктов которого являются мюонные пучки. Затем мюоны нужно как-либо доставить в резонаторную камеру, содержащую молекулярный водород при низком давлении и температуре. Попав в камеру, мюоны вытесняют электроны с образованием возбужденных мюонных атомов. Все дальнейшие манипуляции с такими атомами выполняются так же, как и с обычными, с той лишь разницей, что частоты всех излучений теперь в 207 раз больше.

До недавнего времени не удавалось приспособить эту схему для измерения радиуса протона. Причина этого была в том, что с экзотичными мюонными пучками достаточно тяжело работать, поскольку они нестабильны и их нужно постоянно отделять от электронов. Кроме того, погрешность спектроскопических измерений оставляла желать лучшего. Первыми справиться с указанными трудностями удалось ученым из Института имени Пауля Шеррера, расположенном в Швейцарии, под эгидой проекта CREMA (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms).

Три недели до дедлайна

Итак, поскольку перед физиками из CREMA стояла задача по уточнению известного значения, они имели представление, в каком диапазоне им предстоит искать резонанс. Это диапазон является определяющим при конструировании экспериментальной установки, которая в данном случае достаточно сложна и включает в себя ускоритель частиц, вакуумную рабочую камеру, а также достаточно громоздкую оптическую систему с несколькими лазерами. Поэтому несложно представить озадаченность экспериментаторов после того, как, перенастраивая лазер, они прошли весь диапазон, но так и не встретили резонанс между излучением и заданным переходом в мюонном водороде.

Следующим их шагом была перестройка экспериментальной установки на соседний диапазон частот, что потребовало определенного времени и ресурсов. Однако и в новом диапазоне резонанс так и не был найден. Таким образом, постоянно меня свою установку, физики все дальше удалялись от исходной частоты, тратя на это годы и средства грантов.

Через десять лет поисков руководством проекта был поставлен перед экспериментаторами «красный дедлайн» - срок, после которого проект закрывается без достигнутых результатов. Вся работа при этом была бы задокументирована и заархивирована, а проект был бы признан провалившимся, что, безусловно, имело бы существенные последствия для карьеры людей, в нем участвовавших. Сложно представить, какую силу духа нужно иметь, чтобы продолжать поиск без гарантий результата, особенно после того, как прозвучало последнее предупреждение. Тем сложнее представить радость, которую испытала группа, когда за три недели до дедлайна наконец-то обнаружила вожделенный резонанс. Находка соответствовала радиусу протона, равному 0,84184 ± 0,00067 фемтометра. Доктор Альдо Антоньини, один из участников коллаборации, сравнил ситуацию с сюжетом голливудского фильма, где все идет плохо, но за пять минут до конца герои добиваются успеха.

График, показывающий наличие резонанса на частоте 49 881,88 гигагерца. По оси ординат отложена величина, определяющая фактически число зарегистрированных актов поглощения мюонным водородом излучения от возбуждающего лазера.

Так почему же физики были настолько ошарашены этим результатом? Причина заключается в уже упомянутой гонке за точностью. С момента своего создания КЭД верой и правдой служила человечеству, раз за разом доказывая свою предсказательную силу в соревновании с экспериментами. На сегодняшний день КЭД считается самой точной теорией в мире - ее предсказания подтверждаются до десятого знака после запятой. Такая безупречная служба неизбежно привела к устойчивому ощущению, что мир устроен именно так, как описывает его эта теория, поэтому всю электромагнитную феноменологию в принципе можно описать с бесконечной точностью. Эксперимент на мюонном водороде никак не вписывается в это ощущение.

Теоретики признаются: в КЭД нет места поправкам, которые могли бы дать такой результат, даже не смотря на то, что электрон заменяется мюоном. Это означало бы конец эпохи «бесконечной точности», которую обещает общепризнанная ныне квантовая теория электромагнетизма. По этой причине теоретики с большим скепсисом восприняли аннотацию к докладу на конференции в Лез-Уш, а сам доклад был поставлен в достаточно неудобное время: вечером после ужина. Несмотря на это зал был полон до отказа, а по завершению доклада началась бурная дискуссия на повышенных тонах.

На угрозу безукоризненности КЭД обратил внимание один из редакторов журнала Nature Джефф Флауэрс, который в том же номере, в котором вышла статья коллаборации CREMA, написал колонку с ироничным названием «Квантовая электродинамика. Щель в доспехах?», использовав знаменитую англоязычную идиому, обозначающую уязвимость чего-то, что обычно устойчиво к проверке на прочность. Он же заметил, что если эксперименты по сверхточной спектроскопии мюонного водорода верны, то именно в них, а не в гигантских коллайдерах, может обнаружиться выход за рамки Стандартной модели.

Разумеется, причиной расхождения могли бы стать и ошибки экспериментаторов, несмотря на то, что во время эксперимента опорные калибровочные резонансы находились ровно там, где им и положено было быть. Однако два более поздних эксперимента коллаборации CREMA подтвердили: с экспериментом все нормально, что-то не так с теорией. Первый был проведен в 2013 году и заключался в том, что вместо одного перехода в мюонном водороде изучались сразу три. Точность определения радиуса протона при этом выросла почти в два раза, а само значение еще больше отдалилось от значения, рекомендованного CODATA, и составило уже 0,84087 ± 0,00039 фемтометра.

Второй эксперимент был проведен той же группой, но уже на мюонном дейтерии - системе, состоящей из протона и нейтрона, объединенных в дейтронное ядро, и мюона. Дейтерий также долгое время исследовался различными методами, и, как и в случае мюонного водорода, новые результаты по измерению зарядового размера дейтерия с помощью методов оптической спектроскопии показали расхождение со старыми. Статья с результатами эксперимента была опубликована в журнале Science в 2016 году, а N +1 уже освещал данную новость.

В ожидании революции

Исследователи, разумеется, не останавливаются на достигнутом, поскольку всем очевидно, что новая страница в истории изучения мюонов и мюонных систем только началась. Так, например, планируется изучить рассеяние мюонов на протонах (подобно тому, как это делалось с электронами). Кроме того, продолжаются спектроскопические эксперименты и с другими ядрами, в частности с мюонным гелием. Фактически, загадка радиуса протона постепенно перестает быть загадкой только лишь протона.

На сегодняшний день зафиксировано более сотни попыток разрешить эту загадку, но ни одна из них не получила общепринятого одобрения физического сообщества. Семь лет - это достаточно большой срок для области в физики, которая еще недавно была образцом триумфа теоретической мысли. Хорошо это или плохо? Разумеется, это хорошо. Ведь физика всегда развивалась тогда, когда перед ней ставились подобные загадки.

Любопытно, что между открытием закона для серии Бальмера, подарившего нам квантовую механику, и открытием лэмбовского сдвига, подарившего нам квантовую электродинамику, прошло немногим больше 60 лет. И примерно столько же лет прошло между открытием лэмбовского сдвига и возникновением загадки радиуса протона. Совпадение? Возможно. Но приятно думать, что мы, возможно, живем на пороге новой революции в квантовой физике.

Марат Хамадеев

Копия чужих материалов

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.

Протон (элементарная частица)

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.

В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц - подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА.

Использовать не существующие в природе элементарные частицы, выдумывать не существующие в природе фундаментальные взаимодействия, или подменять существующие в природе взаимодействия сказочными, игнорировать законы природы, занимаясь математическими манипуляциями над ними (создавая видимость науки) - это удел СКАЗОК, выдаваемых за науку. В итоге физика скатывалась в мир математических сказок. Сказочные персонажи Стандартной модели (кварки с глюонами) вместе со сказочными гравитонами и сказками "Квантовой теории" уже проникли в учебники физики - и вводят в заблуждение детей, выдавая математические сказки за действительность . Сторонники честной Новой физики пытались этому противостоять, но силы были не равны. И так было до 2010 года до появления полевой теории элементарных частиц, когда борьба за возрождение ФИЗИКИ-НАУКИ перешла на уровень открытого противостояния подлинной научной теории с математическими сказками, захватившими власть в физике микромира (да и не только).

Но о достижениях Новой физики человечество бы не узнало, без интернета, поисковиков и возможности свободно говорить правду на страницах сайта. Что касается изданий, зарабатывающих на науке, то кто их сегодня читает за деньги, когда есть возможность быстро и свободно получить требуемую информацию в интернете.

1 Протон - это элементарная частица
2 Когда физика оставалась наукой
3 Протон в физике
4 Радиус протона
5 Магнитный момент протона
6 Электрическое поле протона

6.1 Электрическое поле протона в дальней зоне
6.2 Электрические заряды протона
6.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

7 Масса покоя протона
8 Время жизни протона
9 Правда о Стандартной модели
10 Новая физика: Протон - итог

Эрнест Резерфорд в 1919 году, облучая альфа-частицами ядра азота, наблюдал образование ядер водорода. Образующуюся в результате столкновения частицу Резерфорд назвал протоном. Первые фотографии следов протона в камере Вильсона были получены в 1925 году Патриком Блэкеттом. Но сами ионы водорода (чем и являются протоны) были известны задолго до опытов Резерфорда.
Сегодня, в 21 веке, физика может сказать о протонах значительно больше.

1 Протон это элементарная частица

Представления физики о структуре протона менялись, по мере развития физики.

Первоначально физика считала протон элементарной частицей, и так было до 1964 года, когда ГеллМанн и Цвейг независимо предложили гипотезу кварков.

Первоначально, кварковая модель адронов ограничивалась только тремя гипотетическими кварками и их античастицами. Это позволяло правильно описать спектр известных на тот момент элементарных частиц, без учета лептонов, которые не вписались в предлагаемую модель и потому признавались элементарными, наравне с кварками. Платой за это явилось введение, не существующих в природе, дробных электрических зарядов. Затем, по мере развития физики и поступления новых экспериментальных данных, кварковая модель постепенно разрасталась, трансформировалась, в итоге превратившись в Стандартную модель.

Физики усердно занялись поисками новых гипотетических частиц. Поиски кварков велись в космических лучах, в природе (поскольку их дробный электрический заряд невозможно скомпенсировать) и на ускорителях.
Шли десятилетия, росла мощность ускорителей, а результат поисков гипотетических кварков был всегда один: кварки НЕ найдены в природе .

Видя перспективу гибели кварковой (а затем Стандартной) модели, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству сказочку о том, что в некоторых экспериментах наблюдаются следы кварков. - Проверить эту информацию невозможно - экспериментальные данные обрабатываются с помощью Стандартной модели, а она всегда выдаст нечто за то, что ей нужно. История физики знает примеры, когда вместо одной частицы подсовывали другую - последней такой манипуляцией экспериментальными данными явилось подсовывание векторного мезона в качестве сказочного бозона Хиггса, якобы отвечающего за массу частиц, но при этом не создающую их гравитационное поле. За эту математическую сказку даже дали Нобелевскую премию по физике. В нашем случае в качестве сказочных кварков подсунули стоячие волны переменного электромагнитного поля, о котором писали волновые теории элементарных частиц.

Когда трон под стандартной моделью вновь зашатался, ее сторонники сочинили и подсунули человечеству новую сказочку для самых маленьких, под названием "Конфайнмент" . Любой мыслящий человек сразу увидит в ней издевательство над законом сохранения энергии - фундаментальным законом природы. Но сторонники Стандартной модели не желают видеть ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ.

2 Когда физика оставалась наукой

Когда физика еще оставалась наукой в ней истина определялась не мнением большинства - а экспериментом. В этом принципиальное отличие ФИЗИКИ-НАУКИ от математических сказок, выдаваемых за физику.

Все эксперименты по поиску гипотетических кварков (кроме, конечно, подсовывания своих верований, под видом экспериментальных данных) однозначно показали: кварков в природе НЕТ .

Теперь сторонники Стандартной модели пытаются подменить результат всех экспериментов, ставший приговором для Стандартной модели, своим коллективным мнением, выдавая его за действительность. Но сколько сказочке не виться, а конец все равно будет. Вопрос только, какой это будет конец: сторонники Стандартной модели проявят разум, мужество и изменят свои позиции вслед за единогласным вердиктом экспериментов (а точнее: вердиктом ПРИРОДЫ), или их отправит в историю под всеобщий смех Новая физика - физика 21 века , как сказочников, попытавшихся надуть все человечество. Выбор за ними.

Теперь о самом протоне.

3 Протон в физике

Протон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).
Согласно полевой теории элементарных частиц (теории - построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), протон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью . - Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем. О том, что элементарные частицы не просто обладают - а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

В настоящий момент, полевая теория элементарных частиц (в отличие от Стандартной модели) не противоречит экспериментальным данным о строении и спектре элементарных частиц и поэтому может рассматриваться физикой в качестве работающей в природе теории.

Структура электромагнитного поля протона (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) - 0,346%,
• постоянное магнитное поле (H) - 7,44%,
• переменное электромагнитное поле - 92,21%.

Отсюда следует, что для протона m 0~ =0.9221m 0 и около 8 процентов его массы сосредоточено в постоянных электрическом и магнитном полях. Соотношение между энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле протона и энергии сосредоточенной в постоянном электрическом поле равно 21,48. Этим объясняется наличие у протона ядерных сил .

Электрическое поле протона состоит из двух областей: внешней области с положительным зарядом и внутренней области с отрицательным зарядом. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд протона +e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.

А так выглядят фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, действительно существующие в природе:

4 Радиус протона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для протона это будет 3,4212 ∙10 -16 м. К этому надо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля, получится радиус области пространства, занимаемой протоном:

Для протона это будет 4,5616 ∙10 -16 м. Таким образом, внешняя граница протона находится от центра частицы на расстоянии 4,5616 ∙10 -16 м. Небольшая часть массы, сосредоточенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном поле протона, в соответствии с законами электродинамики, находится за пределами данного радиуса.

5 Магнитный момент протона

В противовес квантовой теории, полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращением электрических зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому постоянные магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0 .

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент протона аномальным - его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так основной магнитный момент протона создается двумя токами:

• (+) с магнитным моментом +2 (eħ/m 0 c)
• (-) с магнитным моментом -0,5 (eħ/m 0 c)

Для получения результирующего магнитного момента протона надо сложить оба момента, умножить на процент энергии, содержащийся в волновом переменном электромагнитном поле протона (разделенный на 100%) и добавить спиновую составляющую (см. Полевая теория элементарных частиц. Часть 2, раздел 3.2), в результате получим 1,3964237 eh/m 0p c. Для того чтобы перевести в обычные ядерные магнетоны надо полученное число умножить на два - в итоге имеем 2,7928474.

Когда физика предполагала, что магнитные моменты элементарных частиц создаются спиновым вращением их электрического заряда, для их измерения были предложены соответствующие единицы: для протона - это eh/2m 0p c (вспомним, что величина спина протона равна 1/2) названная ядерным магнетоном. Теперь 1/2 можно было бы и опустить, как не несущую смысловой нагрузки, и оставить просто eh/m 0p c.

А если серьезно, то внутри элементарных частиц нет электрических токов, но есть магнитные поля (и нет электрических зарядов, но есть электрические поля). Невозможно заменить подлинные магнитные поля элементарных частиц, на магнитные поля токов (как и подлинные электрические поля элементарных частиц, на поля электрических зарядов), без потери точности - эти поля имеют разную природу. Здесь какая-то другая электродинамика - Электродинамика Физики Поля, которую еще предстоит создать, как и саму Физику Поля.

6 Электрическое поле протона

6.1 Электрическое поле протона в дальней зоне

Знания физики об структуре электрического поля протона менялись по мере развития физики. Первоначально считалось, что электрическое поле протона представляет собой поле точечного электрического заряда +e. Для данного поля будут:

потенциал электрического поля протона в точке (А) в дальней зоне (r > > r p) точно, в системе СИ равен:

напряженность E электрического поля протона в дальней зоне (r > > r p) точно, в системе СИ равна:

где n = r /|r| - единичный вектор из центра протона в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до точки наблюдения, e - элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, r p =Lħ/(m 0~ c) - радиус протона в полевой теории, L - главное квантовое число протона в полевой теории, ħ - постоянная Планка, m 0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося протона, C - скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля протона: r p , но физика тогда предполагала, что их верность распространяется и в ближней зоне, до расстояний порядка 10 -14 см.

6.2 Электрические заряды протона

В первой половине 20 века физика считала, что у протона имеется только один электрический заряд и он равен +e.

После появления гипотезы кварков, физика предположила что внутри протона имеются не один, а три электрических заряда: два электрических заряда +2e/3 и один электрический заряд -e/3. В сумме эти заряды дают +e. Это было сделано, поскольку физика предположила, что протон имеет сложную структуру и состоит из двух u-кварков с зарядом +2e/3 и одного d-кварка с зарядом -e/3. Но кварки не были найдены ни в природе, ни на ускорителях ни при каких энергиях и оставалось либо принять их существование на веру (что и сделали сторонники Стандартной модели), либо искать другую структуру элементарных частиц. Но вместе с этим в физике постоянно накапливалась экспериментальная информация об элементарных частицах и когда ее накопилось достаточно для переосмысления сделанного, на свет появилась полевая теория элементарных частиц.

Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы (не электрический заряд является первопричиной электрического поля, как физика считала в 19 веке, а электрические поля элементарных частиц таковы, что они соответствуют полям электрических зарядов). 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. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 "кварков" внутри протона - будет точнее, если взять 8 "кварков". Понятное дело, что электрические заряды таких "кварков" будут совершенно иными, чем считает стандартная модель (со своими кварками).

Полевая теория элементарных частиц установила, что у протона, как и у любой другой положительно заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса :

• электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда q + =+1.25e) - r q+ = 4.39 10 -14 см,
• электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда q - =-0.25e) - r q- = 2.45 10 -14 см.

Данные характеристики электрического поля протона 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 протона в ближней зоне, равно как и саму структуру электрического поля протона в ближней зоне (на расстояниях порядка r p). Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+4/3e=+1.333e и -1/3e=-0.333e) в протоне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая положительно заряженная элементарная частица, независимо от величины спина и... .

Величины электрических радиусов для каждой элементарной частицы уникальны и определяются главным квантовым числом в полевой теории L, величиной массы покоя, процентом энергии заключенной в переменном электромагнитном поле (где работает квантовая механика) и структурой постоянной составляющей электромагнитного поля элементарной частицы (одинаковой для всех элементарных частиц с заданным главным квантовым числом L), генерирующей внешнее постоянное электрическое поле. 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.

6.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

Зная величины электрических зарядов внутри элементарной частицы и их местоположение, можно определить и создаваемое ими электрическое поле.

электрического поля протона в ближней зоне (r~r p), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:

где n + = r + /|r + | - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q + в направлении точки наблюдения (А), n - = r - /|r - | - единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q - в направлении точки наблюдения (А), r - расстояние от центра протона до проекции точки наблюдения на плоскость протона, q + - внешний электрический заряд +1.25e, q - - внутренний электрический заряд -0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε 0 - электрическая постоянная, z - высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости протона), r 0 - нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (+1.25e и -0.25e). Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое - дальним. Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: ħ/m 0~ c

Потенциал электрического поля протона в точке (А) в ближней зоне (r~r p), в системе СИ приблизительно равен:

где r 0 - нормировочный параметр, величина которого может отличаться от r 0 в формуле E. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .) Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: ħ/m 0~ c

Калибровку r 0 для обоих выражений ближней зоны необходимо производить на границе области, генерирующей постоянные поля протона.

7 Масса покоя протона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и протона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

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. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную "теорию" - поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя протона зависит от условий, в которых протон находится . Так поместив протон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E 2 , что отразится на массе протона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении протона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства протона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного протона в вакууме, вдали от полей.

8 Время жизни протона

Установленное физикой время жизни протона соответствует свободному протону.

Полевая теория элементарных частиц утверждает, что время жизни элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится . Поместив протон во внешнее поле (например, электрическое) мы изменяем энергию, содержащуюся в его электромагнитном поле. Можно выбрать знак внешнего поля так, чтобы внутренняя энергия протона увеличилась. Можно подобрать такую величину напряженности внешнего поля, что станет возможным распад протона в нейтрон позитрон и электронное нейтрино и следовательно протон станет нестабильным. Именно это наблюдается в атомных ядрах, в них электрическое поле соседних протонов запускает распад протона ядра. При внесении в ядро дополнительной энергии распады протонов могут начаться при меньшей напряженности внешнего поля.

Одна интересная особенность: во время распада протона в атомном ядре, в электромагнитном поле ядра из энергии электромагнитного поля рождается позитрон - из "вещества" (протон) рождается "антивещество" (позитрон)!!! и это никого не удивляет.

9 Правда о Стандартной модели

А теперь познакомимся с информацией, которую сторонники Стандартной модели не допустят к публикации на "полит-корректных" сайтах, (таких как мировая Википедия) на которых противники Новой физики могут безжалостно удалять (или искажать) информацию сторонников Новой физики, в результате чего ПРАВДА пала жертвой политики:

В 1964 году Гелл-манн и Цвейг независимо предложили гипотезу существования кварков, из которых, по их мнению, состоят адроны. Новые частицы были наделены дробным электрическим зарядом, не существующим в природе.

Лептоны в эту Кварковую модель, которая впоследствии переросла в Стандартную модель, НЕ вписались - поэтому были признаны истинно элементарными частицами.
Чтобы объяснить связь кварков в адроне, было предположено существование в природе сильного взаимодействия и его переносчиков - глюонов. Глюоны, как и положено в Квантовой теории, наделили единичным спином, тождественности частицы и античастицы и нулевой величиной массы покоя, как у фотона.

В действительности, в природе существует не сильное взаимодействие гипотетических кварков, а ядерные силы нуклонов - и это разные понятия.

Прошло 50 лет. Кварки так и не были найдены в природе и нам сочинили новую математическую сказочку под названием "Конфайнмент" . Мыслящий человек с легкостью увидит в ней откровенное игнорирование фундаментального закона природы - закона сохранения энергии. Но это сделает мыслящий человек, а сказочники получили устроившее их оправдание.

Глюоны также НЕ были найдены в природе. Дело в том, что единичным спином могут обладать в природе только векторные мезоны (и еще одно из возбужденных состояний мезонов), но у каждого векторного мезона имеется античастица. - Поэтому векторные мезоны на кандидаты в "глюоны" никак не подходят . Остается девятка первых возбужденный состояний мезонов, но 2 из них противоречат самой Стандартной модели и их существование в природе Стандартная модель не признает, а остальные неплохо изучены физикой, и выдать их за сказочные глюоны не получится. Есть еще последний вариант: выдать за глюон связанное состояние из пары лептонов (мюонов или тау-лептонов) - но и это при распаде можно вычислить.

Так что, глюонов в природе также нет, как нет в природе кварков и вымышленного сильного взаимодействия .

Вы считаете, что сторонники Стандартной модели этого не понимают - еще как понимают, вот только тошно признать ошибочность того, чем занимался десятилетиями. А потому мы видим новые математические сказки ("теорию" струн и т.д.).

10 Новая физика: Протон - итог

Я не стал в основной части статьи подробно говорить о сказочных кварках (со сказочными глюонами), поскольку их в природе НЕТ и нечего забивать голову сказками (без необходимости) - а без основополагающих элементов фундамента: кварков с глюонами рухнула стандартная модель - время ее господства в физике ЗАВЕРШИЛОСЬ (см. Стандартная модель).

Можно сколь угодно долго не замечать места электромагнетизма в природе (встречаясь с ним на каждом шагу: свет, тепловое излучение, электричество, телевидение, радио, телефонная связь, в том числе и сотовая, интернет, без которого человечество не узнало бы о существовании Полевой теории элементарных частиц, ...), и продолжать сочинять новые сказочки взамен обанкротившихся, выдавая их за науку; можно с упорством, достойным лучшего применения, продолжать повторять заученные СКАЗКИ Стандартной модели и Квантовой теории; но электромагнитные поля в природе были, есть, будут и прекрасно обходятся без сказочных виртуальных частиц, впрочем как и создаваемая электромагнитными полями гравитация, а вот у сказок есть время рождения и время, когда они перестают влиять на людей. Что касается природы, то ей НЕТ никакого дела до сказок, и любой иной литературной деятельности человека, даже если за них присуждается Нобелевская премия по физике. Природа устроена так, как она устроена, а задача ФИЗИКИ-НАУКИ понять и описать это.

Теперь перед Вами открылся новый мир - мир дипольных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала . Вы увидели, что у протона имеются не один, а два электрических заряда (внешний и внутренний) и соответствующие им два электрических радиуса. Вы увидели, из чего складывается масса покоя протона и что воображаемый бозон Хиггса оказался не у дел (решения Нобелевского комитета - это еще не законы природы...). Более того, величина массы и время жизни зависят от полей, в которых находится протон. Из того, что свободный протон стабилен, еще не следует, что он будет оставаться стабильным всегда и везде (распады протона наблюдаются в атомных ядрах). Все это выходит за рамки представлений, господствовавших в физике второй половины двадцатого века. - Физика 21 века - Новая физика переходит на новый уровень познания материи , а нас ждут новые интересные открытия.

Владимир Горунович