Квантовая физика и нити пространства
Анатолий Трутнев
© Анатолий Трутнев, 2021
Предисловие
Книга знакомит читателей с результатами исследований, проведенных с помощью смоделированной системы взаимодействия материи с пространством, базовые принципы которой позволяют уточнить и углубить некоторые теории и положения квантовой физики. Модель основана на косвенных доказательствах существования «нитей» пространства, поисками которых в последнее время занимаются многие видные ученые физики. Основными направлениями этих работ являются поиски «нитей» пространства и исследование структуры пространства времени. По сообщению ряда ученых в настоящее время реализуются эксперименты, в которых уже обнаружены первые признаки «нитей», составляющие ткань Вселенной. А физик Жвирблис считает пространство время дискретным. По мнению, американского теоретика Боджовалда, познание структуры пространства времени это последний рубеж на пути к полному пониманию природы.
Исследования проводились с использованием физических явлений, процессов фактически происходящих в природе. В подтверждение полученных результатов. выводов использованы данные других авторов, приведенные в публичной литературе.
В книге представлен новый подход к понятиям «странностей» квантовой физики: запутанности фотонов и тунеллирвания с позиции силовых нитей пространства. Рассмотрено структурное построение электронов, протонов, нейтронов, как квантовых объектов, исходя из базовых принципов смоделированной системы. Показан механизм образования пакетов энергии (глюонов) кварками, находящимися внутри протонов и нейтронов при их движении в силовых нитях ядерного пространства. Перечислены предполагаемые условия существования экзотической субстанции кварк глюонной плазмы. Раскрыта глубинная суть цветовых зарядов и показан механизм взаимодействия частиц, обладающих цветовыми зарядами.
Книга содержит 13 глав. В каждой главе представлена определенная физическая сущность и приведены публичные сведения о ней как о кванто механическом объекте. Физические сущности рассмотрены с позиции силовых нитей. Полученные результаты изложены в главах.
Настоящая книга рассчитана на любознательных думающих читателей, в ней приоткрываются новые горизонты физики. Как во всем новом, в ней присутствуют спорные аспекты, исчерпывающие ответы, на которые будут получены со временем.
Глава 1. Ведущая теория современной физики
1.1 История возникновения и становления квантовой физики
В основе современной физики лежат две теории теория относительности и квантовая физика. Первая с высокой достоверностью объясняет физические процессы, происходящие в макромире, а вторая в микромире. А все началось с того, что в начале XX века в результате экспериментальных работ накопилось очень много вопросов, на которые классическая физика не могла ответить. Для этого требовались теоретические разработки на принципиально новых концепциях.
По общему признанию на современном этапе своего развития квантовая физика состоит из двух разделов квантовой теории поля и квантовой механики, которая включает в себя квантовую электродинамику. Основателем квантовой физики считается немецкий ученый Макс Планк. Он проводил наблюдения за излучением абсолютно черного тела и пришел к выводу, что энергия излучается дискретно, порциями квантами. Энергия кванта определяется частотой электромагнитной волны. У истоков квантовой физики также стояли Эрвин Шредингер, Поль Дирак и Нильс Бор. Квантовую идею поддержал и Альберт Эйнштейн на примере распространения световых волн. Он достоверно доказал, что распространение света происходит не непрерывно, а порциями квантами, так называемыми фотонами. Из чего следовало, что свет имеет корпускулярно волновую природу.
В настоящее время физиками теоретиками создана Стандартная модель элементарных частиц. Её основы были заложены в 1960 году Шелдоном Глэшоу, который работал над объединением электромагнитного и слабого взаимодействий. Это квантовая теория. Она объединяет знания в области физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. Описывает 61 элементарную частицу и двенадцать фундаментальных квантовых полей. Их квантами являются фундаментальные частицы фермионы: шесть лептонов и шесть кварков. У всех фермионов имеются соответствующие им античастицы. Стандартная модель это теоретическая конструкция и включает в себя три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие элементарных частиц. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны внутри атома и атомы внутри молекул, переносчиком его является фотон. Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов химических элементов, а также кварки внутри протонов, нейтронов. Переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны. Слабое взаимодействие проявляется при β-распадном процессе, в котором протон превращается в нейтрон и наоборот. В этом взаимодействии участвуют лептоны и кварки, а также нейтрино. При этом взаимодействии лептоны и кварки могут превращаться друг в друга. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны Стандартная модель не является теорией всего, потому что не описывает темную материю и темную энергию, а также не включает гравитационное взаимодействие. В рамках стандартной модели все фундаментальные процессы взаимодействия сводятся, в конечном счете, к процессам рождения и уничтожения частиц. Стандартная модель основана на надежных принципах. Все её предсказания и всё, что она предсказывает, проверены и подтверждены наблюдениями. Яркое подтверждение её предсказаний произошло в 2012 году, когда на Большом адронном коллайдере был открыт бозон Хиггса. В настоящее время на нем ведутся поиски суперсимметричных частиц и других альтернатив Стандартной модели, модели Хиггса, механизмы возникновения массы. Поиски эффектов за рамками Стандартной модели, хотя ведутся активно, но пока безуспешно. Среди заметных достижений квантовой физики особенно выделяется положение о физическом вакууме. В настоящее время господствует точка зрения, что пространство заполнено физическим вакуумом, наделенным физическими свойствами. И главный смысл этих утверждений заключается в том, что он присутствует всюду, пронизывая все пространство и материю. Даже внутри твердого массивного тела вакуумного пространства неизмеримо больше, чем вещества. Общепринято считать, что у физического вакуума самая высокая плотность энергии и он является неисчерпаемым резервуаром экологически чистой энергии. По расчетам Дж. Уиллера в вакууме, заключенном в объеме обыкновенной электрической лампочки,
энергии такое количество, что ее хватило бы вскипятить все океаны на Земле». Но, несмотря на колоссальные запасы энергии в вакууме доступ к ней вследствие его высокой симметрии очень затруднителен. По современным представлениям ученых в вакууме беспрестанно образуются и исчезают пары частицантичастиц: электронпозитрон, протон антипротон и другие пары частиц античастиц. Он буквально наполнен реальными и исчезающими частицами. Но в определенных условиях виртуальные частицы становятся реальными. Так, например, если сумма энергий столкнувшихся фотонов будет равной или чуть большей 1,02 МэВ, то в результате столкновения может появиться пара электрон позитрон, а если в результате столкновения объем энергии возрастет до 1,876 КэВ, то можно ожидать рождение пары протон антипротон. В последние десятилетия принято считать, что физический вакуум это фундаментальный вид физической реальности. И хотя теория физического вакуума пока ещё не создана, при её разработке необходимо учесть, что она должна органически переходить в квантовую теорию. Некоторые ученые, В. П Дорофеев и другие, полагают реальное существование физического вакуума в виде непрерывной среды, Его нельзя наблюдать, потому что это прямое следствие его непрерывности. Это делает физический вакуум парадоксальным объектом, и он подвергается все более пристальному вниманию физиков. Ученым предстоит найти принципиально новые методы его изучения, выяснить природу физического вакуума, а это позволит по-иному увидеть физические явления. Физический вакуум порождает физические поля и вещество. Во Вселенной доминируют законы физического вакуума, которые науке ещё не известны.
Квантовая физика описывает процессы, явления, закономерности, происходящие на уровне микроявлений на малых расстояниях. Предметами изучения квантовой физики являются квантовые объекты: молекулы, атомы, ядра химических элементов, элементарные частицы. Она изучает материю на фундаментальном уровне. Поэтому её положения трудно воспринимаются, в отличие от объектов, исследуемых классической физикой.
Результаты изучения микромира по законам квантования показали «странности» поведения частиц, населяющих этот мир. Одной такой замечательной странностью является известный в научном мире эксперимент с двумя щелями, который показал, что фотоны света ведут себя как волна, но состоят из частиц (фотонов). С этого эксперимента начались интересные парадоксы, которые заставили ученых пересмотреть традиционные взгляды на сами понятия на физическую сущность частиц и волн. Но настоящие чудеса начались, когда в экспериментах начали использовать электроны. Электроны это частицы, и когда поток электронов проходил через две щели, он оставлял на экране не две полосы, два следа против щелей, а интерференционную картину. Это говорило о том, что поток электронов распространяется волнами. Чтобы объяснить этот феномен, было выдвинуто предположение, что на фундаментальном уровне, электроны как частицы, сбираются вместе и у них проявляются волновые свойства. Решили повысить чистоту эксперимента и стали выпускать не поток электронов, а по одному электрону. К удивлению исследователей и в этом случае они наблюдали интерференционные чередования нескольких полос. Но, такое может происходить только в том случае, если электрон пролетал бы одновременно сквозь обои щели, а затем сталкивался бы сам с собой. Конечно, с позиции классической физии такое невозможно. Это нарушение всех её закономерностей, а вот в квантовой физике, это не чудеса, а реальные факты, происходящие в микромире. Проведенный учеными глубокий анализ, полученных результатов, позволил им сделать однозначный вывод. Квантовые частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В этом и заключается суперпозиция, которая означает, что частицы, населяющие микромир могут одновременно проявляться в различных точках пространства и при этом обладать различными свойствами.
Краеугольным камнем квантовой физики является другая её замечательная «странность», принцип соотношений неопределенностей Гейзенберга. Это фундаментальный закон квантовой механики. Его суть состоит в утверждении, что невозможно одновременно точно определить скорость и местонахождение частицы. Чем точнее будет определена первая величина, тем более неопределенной останется вторая и наоборот. То есть существуют определенные ограничения на измерение физических величин, характеризующих микрочастицы. Так, при проведении экспериментов с электронами, исследователи были буквально поражены поведением этой частицы. Когда не проводились наблюдения за электроном, он вел себя как волна. Но, как только исследователи начинали фиксировать, через какую щель проходит, электрон, он проявлял себя как частица. В результате на экране появлялся след против щели, а не чередование интерференционных полос. Это говорит о том, что существуют определенные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрочастицы. Когда электрон летит к щели, он проявляет волновые свойства, то есть, находится в разных точках пространства и в них он имеет различный энергетический потенциал. Но как только, исследователи производили измерение одной из его физических величин, то происходил коллапс волновой функции. А это означало, что электрон в этом случае находился в определенном месте и имел определенное значение спина. Такое состояние частиц микромира соответствует принципу дополнительности, сформулированному Шредингером. Согласно этому принципу волновые и корпускулярные процессы, происходящие в микромире, не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Понятия частицы и волны одновременно и дополняют, и противоречат друг другу.