Шлёнов А.Г.

О ПРИРОДЕ СИЛЬНОГО И СЛАБОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

© 2003

Международный клуб ученых

Nature of strong and weak interactions is investigated.

Введение

В рамках современных представлений о природе сильного и слабого взаимодействий решено весьма много чисто научных задач и задач практического использования ядерных сил. В то же время тщательный анализ полученных решений подтвердил известное специалистам положение, согласно которому эти представления всё еще не привели к созданию фундаментальной теории, какой является современная теория электромагнитного взаимодействия - квантовая электродинамика, использующая основополагающие результаты Планка, де Бройля, Фарадея, Максвелла, Лоренца, Эйнштейна и других учёных. С другой стороны, в теории единого поля [3] утверждается, что как сильное, так и слабое взаимодействия – это разновидности фундаментального в физике - электромагнитного взаимодействия, в этом вопросе теория единого поля следует Лоренцу, де Бройлю и другим великим предшественникам.

В данной статье мы рассмотрим ряд относящихся к этому аргументов.

Десять аргументов, ставящих под сомнение современные представления о природе ядерных сил.

1. Простейшей реакцией слабого взаимодействия является распад свободного нейтрона либо нейтрона, связанного в атомном ядре, на протон, электрон и антинейтрино:

           

где электрон обозначен нами е_f, поскольку эта частица в данном случае является фермионом, в то время как нейтрон  n  протон  p  антинейтрино   нейтрино  ν  всегда фермионы, т. е. всегда обладают полуцелым спином.

Между тем, принято считать, что ни протона, ни электрона нет в составе нейтрона. Согласно современным представлениям, нейтрон либо является бесструктурной частицей, либо состоит из трех кварков с дробными электрическими зарядами. Было бы поучительно построить теории нейтрона из двух, из четырёх, из пяти кварков и так далее и показать, что все эти теории (как и общепринятая, трёхкварковая) удовлетворяют требованиям формальной логики, но только одна из них (теория двух кварков с целыми зарядами +е и –е ) согласуется со всей известной совокупностью фактических данных.

2. Не рассматривая здесь теорию электрослабого взаимодействия по причине её переусложненности, отметим, что переусложненность также свидетельствует о слабости, о нефундаментальности этой теории.

3. Выполненные в 20-м веке исследования позволили установить, что атомные ядра (нуклиды)состоят из нуклонов двух типов, протонов  p  и нейтронов  n. Исходной посылкой теории сильного взаимодействия является утверждение, что между двумя любыми нуклонами ядра(p-p,  n-p,  n-n)действуют силы притяжения. Эта элементарная логическая "ошибка диспетчера" и привела к гибели скоростного экспресса фундаментальной науки.

На расстоянии d более 10^-12 см два протона отталкиваются под действием сил Кулона. На расстоянии  d  порядка 10^-13 см = 1 Ферми, т. е. в ядре, они якобы притягиваются. При  d  порядка 10^-14 см, т. е. в центре нейтронной звезды, они вновь должны отталкиваться, что следует из близости значений ядерной плотности у всех известных нуклидов, которая составляет порядка г/см³. Из этого обычно делают вывод, что между протонами на больших расстояниях действуют электрические силы, на ядерных расстояниях они испытывают сильное взаимодействие, а на ещё меньших расстояниях начинается отталкивание, но уже не объяснимое ни с позиций теории электромагнитного, ни теории сильного взаимодействия!

4. При  d  более 10^-12 см два нейтрона или нейтрон и протон практически не взаимодействуют. При  d  порядка 10^-13 см они притягиваются. При  d порядка 10^-14 см отталкиваются. Последнее также не объясняется в рамках общепринятых теорий, из чего можно сделать вывод о существовании в природе ещё одного взаимодействия.

5. Если бы нарисованная выше картина была верна, то могли бы существовать ядра из двух, трёх, и т. д. нейтронов. Таких ядер не существует.

6. Могли бы существовать ядра из двух, трёх и т. д. протонов. Таких ядер также не существует.

7. Неубедительность этих представлений дополняется отсутствием удовлетворительного математического описания сильного взаимодействия.

8. Не получено до сих пор удовлетворительного математического описания и "следующего за ним", еще одного взаимодействия, якобы проявляющегося на расстояниях порядка 10^-14 см.

9. Отсутствие удовлетворительного описания приводит к невозможности корректных теоретических расчетов радиуса ядерных сил r_я, ядерной плотности вещества ρ_я, целого ряда других фундаментальных микрофизических констант. Мы ждем известия о прибытии куда-то пропавшего скоростного экспресса фундаментальной науки, а от нас пытаются скрыть факт его крушения.

10. То, что делает теория ядерных взаимодействий с силами F и энергиями Е р-р  взаимодействия, можно изобразить в виде рядов:

          в которых только первые члены F₁ и E₁ (закон Кулона для электростатики) соответствуют физической реальности. Понятно, что введение очень больших, "сильных" вторых членов F₂ и E₂ не может быть скомпенсировано попыткой введения еще больших членов неведомой физической природы (и так далее).

Получение в квантовой хромодинимике расходящихся рядов также свидетельствует об ошибке, допущенной легкомысленным "диспетчером" на стадии общей постановки задачи.

Наконец, пора приниматься за разбор обломков когда-то величественного экспресса. Нельзя ли восстановить хотя бы локомотив?

Аргументы в пользу теории единого поля

Нуклид (атомное ядро) является квантовой микросистемой, которая в общем случае может находиться в разных энергетических состояниях, каждое из которых характеризуется определенным набором параметров (квантовых чисел). Переход из одного состояния в другое сопровождается излучением или поглощением квантов энергии. Для описания энергетических состояний нуклидов современная теория сильного взаимодействия вынуждена использовать подгоночные коэффициенты.

Теория единого поля использует представление о том, что атомные ядра являются квантовыми электродинамическими системами, состоящими из протонов и нейтронов, причем каждый нейтрон в свою очередь состоит из одного протона и одного электрона в состоянии бозона (э-бозона), характеризуемого нулевым спином I=0, нулевым собственным магнитным моментом и ненулевым (отрицательным) ларморовским магнитным моментом М,  где  М_е=-24.05∙10^-24 эрг/Гс. Метод расчета М_е, r_я, ρ_я и других констант изложен в ряде работ, например в книге [3].

На этом пути решена только некоторая часть из стоящих перед теорией задач, но все решения удалось получить на основании надежно установленных, фундаментальных законов, без использования подгоночных коэффициентов. Так,   реакцию слабого взаимодействия, за исключением тех случаев, когда в течение очень маленьких промежутков времени проявляет себя виртуальная частица, позитрон, удается объяснить переходами электрона из состояния бозона в состояние фермиона и обратно с участием нейтрино ν, антинейтрино  или апейронов (безмассовых частиц со спином I_а=+0.5 энергией Е_а=0.5hH и импульсом р_а=0.5hH/с, где h –постоянная Планка, Н=1.562∙10^-18 Гц - постоянная Хаббла). В частности реакцию распада нейтрона можно записать в более понятном виде:

, т.е. , где е в данном случае обозначает э-бозон.

В ряде работ, например, [3], нами были рассмотрены проявляющиеся в ядре р-р, р-е, е-е, n-n, n-p и N-N взаимодействия. Их описание не связано с неразрешимыми противоречиями, что можно показать на примере протон-протонного р-р (рис.1) и нуклон-нуклонного N-N взаимодействий (рисунки 2 и 3).

    

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

р-р взаимодествие описывается законом Кулона для "электростатики" (позже де Бройль показал, что "электростатическое" взаимодействие переносится продольными фотонами со скоростью света с):

                                                                                          (1)

Сила F_pp отрицательна, т.е. протоны везде, в том числе и в атомных ядрах, отталкиваются. Под энергией мы будем понимать здесь  энергию связи взаимодействующих частиц. Понимаемая так энергия взаимодействия двух протонов Е_рр отрицательна, поскольку протоны, 2 протона, 3 протона и т.д., не могут образовать никакой устойчивой конфигурации. Действительно, из примерно 2000 известных нуклидов нет ни одного, за исключением водорода 1, который состоял бы из одних протонов. Если из протонов "составлять" элементарные частицы, то можно убедиться, что все они будут распадаться, и их время жизни можно оценить с использованием закона Кулона (1).

Свободный нейтрон также распадается, поскольку э-бозон в составе свободного нейтрона связан с единственным протоном, а электромагнитное поле одного протона может удерживать орбитальный электрон, однако, применительно к случаю находящегося близко э-бозона, не обладает свойствами электромагнитной ловушки. Это отражается в том, что энергия связи атома водорода – очень небольшая положительная величина, а энергия связи распадающейся элементарной частицы, в данном случае свободного нейтрона, отрицательна.

N-N взаимодействие отличается тем, что как в случае 1-й конфигурации (рис.2), так и 2-й конфигурации (рис.3) в качестве нейтрона можно рассматривать либо "правый" протон с э-бозоном, либо "левый" протон с э-бозоном. Таким образом, рассмотрев N-N взаимодействие, мы получаем представление и о n-p, или о p-n, взаимодействиях. Каждый из таких вариантов – это не взаимодействие двух протонов (рис.1), которые всегда отталкиваются, а взаимодействие протонов с участием связывающих их э-бозонов. В качестве двух простейших моделей э-бозонов можно использовать:

1. круговой заряженный токовый контур радиусом порядка 10^-13 см в атомных ядрах и 10^-14 см в центрах нейтронных звезд;

2. точечный объект, обладающий характеристиками 1-й модели, за исключением ее размеров и скорости движения частицы по ларморовской окружности.

Ради предельного упрощения математических соотношений здесь мы ограничимся применением 2-й модели, что дает:

                                                                                     (2)

                                                                                      (3)

Для 1-й конфигурации (рис.2)

Для 2-й конфигурации (рис.3)

По мере увеличения массового числа А увеличиваются как среднее число связей одного нуклона с соседними с ним нуклонами, так и уровень магнитной индукции В, действующей на э-бозон. В результате этого у более массивных ядер должны быть меньшими как среднее значение расстояния d между нуклонами, так и модуль , который в соответствии с адиабатическим законом обратно пропорционален квадратному корню из В. Однако в первом приближении все интересующие нас решения можно получить более просто, приняв в качестве условия стационарного состояния F_NN=0, откуда следует:

                                                                                                  

Из получаемых отсюда соотношений выпишем только те, которые одинаковы как для 1-й, так и для 2-й конфигураций:

                                                                                     

Расчет разностей. Представляют интерес разности между силами N-N и p-p взаимодействий и между их энергиями, поскольку эти разности характеризуют ошибки в первых членах расходящихся рядов, к которым приводит современная теория ядерных взаимодействий. Эти разности весьма велики (табл.1):

                                                    

Таблица 1. Сопоставление сил и энергий при d≈10^-13 см (1 Ферми).

Характеристика	N-N	p-p	Разность
Сила	дин	дин	Порядка 108 дин
Энергия связи			Порядка 4 МэВ

Понятно, что при больших значениях А, когда каждый нуклон связан не с одним, а с несколькими соседними нуклонами, энергия связи будет составлять уже не 3 МэВ, а порядка 8 МэВ на нуклон и порядка 15 МэВ на э-бозон. Нам будет удобно использовать энергию р-е связи, выраженную в эргах [3]:

           

поскольку загадочное сильное взаимодействие в первом приближении хорошо описывается законом Кулона для "электростатики" и "магнитостатики". Зная массовое число А и атомную массу т, например, из справочно-энциклопедического издания [1], и учитывая оболоченную структуру ядер, можно для каждого нуклида рассчитать среднее значение d и радиус нуклида r, значение которого интересно сопоставить с известным эмпирическим значением из [2], см. табл.2, где

Таблица 2. Сопоставление расчетных и эмпирических значений радиусов нуклидов r.

Нуклид	Расчет		Эксперимент
	d, см	r, см	r, см
Дейтон		0.5d+rя=1.9∙10-13	2.095∙10-13
Гелион 3		0.57735d+rя=1.7∙10-13	1.88∙10-13
Тритон			1.7∙10-13
Гелион 4		0.6123d+rя=1.3∙10-13	1.7∙10-13
Кислород 16		1.6d+rя=2.5∙10-13	2.7∙10-13
Кремний 28		2.1d+rя=2.8∙10-13	3.1∙10-13
Кальций 40		2.6d+rя=3.2∙10-13	3.5∙10-13
Цинк 64		3.1d+rя=3.6∙10-13	3.965∙10-13
Цирконий 90		3.6d+rя=4.1∙10-13	4.2∙10-13
Кадмий 116		4.1d+rя=4.6∙10-13	4.7∙10-13
Неодим 142		4.6d+rя=5.1∙10-13	4.9∙10-13
Лютеций 175		5.1d+rя=5.8∙10-13	-
Свинец 208		5.6d+rя=6.4∙10-13	5.5∙10-13

подчеркнуты нуклиды с заполненными оболочками. Значительные отклонения наблюдаются у таких ядер как свинец 208, у которого число протонов, 208, в 1.65 раз отличается от числа э-бозонов, 126, т.е. соотношение сильно отличается от принятого нами ради простоты жесткого соотношения 2:1, или, что то же самое, число нейтронов, 126, в 1.54 раза превышает число протонов, 82, что сильно отличается от соотношения 1:1. В остальных случаях согласие между расчетными и экспериментальными значениями радиусов r удовлетворительное.

Считая все ядра со средними и большими значениями А в первом приближении сферическими, можно убедиться, что ядерная плотность близка к теоретически полученному значению ρ_я=4.818∙10¹⁴ г/см³ [3]. Например, у кислорода 16 расчетное значение 4.1∙10¹⁴ , у кремния 28 5.1∙10¹⁴ , у кальция 40 4.8∙10¹⁴ г/см³ и т.д.

Как было показано в ряде работ, например, [3], удается рассчитать ряд характеристик легких ядер, в первую очередь водорода 2 (дейтона) в его единственном энергетическом состоянии: радиус, спин, электрический заряд, значения мультипольных электрических и магнитных моментов, в частности спектроскопический квадрупольный момент, энергию связи, атомную массу. В то же время расчет более массивных ядер требует решения задач многих тел, а эффективные методы решения такой задачи до сих пор отсутствуют, если не считать широко используемых приемов с подгоночными коэффициентами, о чем уже говорилось.

Теория единого поля позволяет рассчитывать как фундаментальные константы, характеризующие ядерный силы (с разной точностью, см. табл.3), так и ряд фундаментальных констант, характеризующих вещество в нейтронизованном состоянии – в нейтронных звездах, где ядерные силы действуют совместно с гравитационными, причем рассчитывать несколькими разными способами, см., к примеру, [4].

Таблица 3. Величины, характеризующие ядерные взаимодействия.

1. Радиус ядерного взаимодействия	rя=0.9393∙10-13 см
2. Радиус ларморовской окружности, rл	Порядка 10-13 см
3. Ядерная плотность вещества	ρя=4.818∙1014 г/см3
4. Объемное энергопоглощение продольных фотонов ядерным веществом	Порядка 4∙1013 эрг см-3 с-1
5. Магнитная индукция, действующая на э-бозон	Гс
6. Сила Лоренца, действующая на э-бозон	Порядка 107 дин
7. Силы притяжения и отталкивания, действующие на протон	Порядка дин
8. Энергия связи между двумя соседними нуклонами	Порядка эрг
9. Энергия связи нуклидов в пересчете на 1 э-бозон	Порядка 20∙10-6 эрг/э-бозон
10. Скорость движения э-бозона по ларморовскому контуру, v	Порядка скорости света с
11. Эквивалентный ток, текущий по ларморовскому контуру	единиц СГСЕ
12. Модуль ларморовского магнитного момента	Ме=-24.05∙10-24 эрг/Гс
13. Числа э-бозонов (в скобках) и протонов в последовательно заполненных оболочках атомных ядер:	(2), 4, (6), 12, (12), 24, (30), 50, (32), 52, (44), 66.
14. Уравнение состояния ядерного вещества в первом приближении:	ρ≈ρя=constant.

Наряду с успешно решенными задачами, следует отметить целый ряд нерешенных, как теоретических (уточнения значений констант, расчет характеристик многих нуклидов и элементарных частиц), так и практических, в областях энергетики, экологии, радиационной безопасности.

Автор выражает признательность профессору А.П. Смирнову за ценные дискуссии и инженеру Н.Е. Семёновой за помощь при подготовке данной работы к печати.

Литература

1.        Эмсли Дж. Элементы: пер. с англ. – М. Мир. 1993.

2.        Баррет Р., Джексон Д. Размеры и структура ядер. Киев. Наукова Думка. 1981.

3.        Шлёнов А.Г. Микромир, Вселенная, Жизнь. СПб. 1-е изд. Под ред. Проф. В.И. Почтарёва. 1995; 2-е изд. под ред. Проф. А.К. Колесова. 1998.

4.        Шлёнов А.Г. Результаты определения некоторых фундаментальных констант в связи с проблемами экологии и безопасности. Вестник МАНЭБ. 3 (39), 2001. С. 180-192.