Аннотация

Предложен новый взгляд на строение атома, как единого структурного образования, представляющего собой неразрывное единство между сложным по своему строению ядром, которым является атом предыдущего уровня развития, и многоуровневым образованием вокруг него.

На сайте АТ было опубликовано обращение г-на Шашлова В.А. с предложением о создании Академии Атомного Ядра, которая будет заниматься исключительно исследованием атомного ядра [8].

Насколько правомерно рассматривать атомное ядро, состоящее из набора отдельных заряженных частиц, в отрыве от самого атома?

В принципе, я уже рассматривал этот вопрос в своей статье «Как образуются атомы и что такое ядро?», опубликованной на сайте АТ [9].

Наши знания о строении атома, взаимодействии электронов с ядром и нуклонов в ядре достаточно обширны, но, тем не менее, ещё не выработаны фундаментальные понятия о природе этих сил и сложных формах их проявлений.

Если взглянуть на историю возникновения атомарного строения мира, видно, что она прошла длительный путь от взгляда на атом как неделимую элементарную частицу и до сегодняшнего дня, когда атом представлен в виде сложного многоуровневого образования, в состав которого входят электроны и адроны, состоящие из протонов и нейтронов, которые в свою очередь представляют довольно сложные образования в виде кварковых систем.

По мнению Дьюи Б. Ларсона, на данное время « мы не имеем картины атома, мы имеем только модель атома. Все эти модели являются ограниченными, и по этой причине, чем более конкретными они пытаются быть, тем менее действительными они становятся. Простая ядерная модель, в которой делается попытка создать подробную атомную структуру, показала, что она совершенно ошибочна. Очевидно, что ни одна модель ещё не предложила ничего удовлетворяющего эти требования. Все присутствующие на сегодняшний день модели являются чисто моделями; ни одна из них не имеет ни малейших претензий на статус истинного фактического физического атома. Заявления о свойствах «ядра» – это всё интерпретации, основанные на предположениях. Обсуждаемая ядерная теория атома не представляет реальной картины атомной структуры. Концепция атома, изготовленного из определённых сортов заряженных частиц, выстроенных в определённой манере, никого не убеждает ».

Несомненный вклад в теорию строения атома и атомного ядра внёс польский физик М.Грызинский, создатель «действительно адекватной физической реальности и модели атома, созданной на основе раскрытия характера кинетики атомных электронов». По его мнению, планетарная модель атома – это ошибка, которая завела в тупик рассуждения о строении атома и которая в огромной мере способствовала прекращению работ над динамической теорией атома. По его мнению «весьма вероятно, что при наличии правильного решения, какое представляет собой атомная модель свободного падения, до создания квантовой механики никогда бы и не дошло». Далее он делает вывод, согласно которому «перед современной физической Теорией стоит глобальная задача переосмысления своих представлений об атомном мире и о мире в целом со всеми вытекающими последствиями ».

Сегодня приходит осознание ограниченных возможностей квантовой механики как научной теории вещества и тем более как основы научного мировоззрения. Становится все более очевидным, что поставленная в 20-х годах проблема описания атома не может быть разрешена на основе волновых и вероятностных представлений. Вопрос достоверного описания вещества остается главным при построении теории.

Научный атомизм позволил решить ряд фундаментальных проблем естествознания путём редукции свойств и законов движения макротел к свойствам и закономерностям составляющих их атомов и молекул (природа химических реакций, молекулярно-кинетическая теория теплоты, статистические законы физики и другие). Открытие дискретного характера процессов излучения и поглощения энергии и фотоэффекта позволило распространить идеи атомизма на различные физические поля, где в качестве атомов рассматриваются кванты поля. Хотя атомизм как метод редукции сложного к простому, неэлементарного к  элементарному оказался в  науке чрезвычайно плодотворным, он  требует дополнения противоположным методом, в котором учитывается взаимосвязь и взаимодействие элементов в рамках целостной системы.

Считается, что все так называемые «элементарные» частицы вещества вовсе не элементарны, а состоят из каких-то существенно более мелких частиц. Следовательно, задачей физики на самом деле является не нахождение свойств какого-то нового «кирпичика», а нахождение принципов организации структур всех этих многочисленных «элементарных частиц вещества», которые вовсе не так уж элементарны.

Главный недостаток указанного подхода состоит в том, что физика элементарных частиц остались в плену устаревшего атомистического взгляда на строение мира. Это касается и ядра.

Несмотря на большое количество различных гипотез, законченной теории атомных ядер до сих пор не создано. Это связано с тем, что ядро представляет собой систему многих сильно взаимодействующих нуклонов. Точное описание таких систем (многих тел) представляет большие теоретические сложности, поскольку атомное ядро, представляющее собой сложную многочастичную квантовую систему с сильным взаимодействием и с большим количеством свойств, – объект исключительно сложный. Поэтому попытка создания теории ядра сталкивается с трудностями, в основном из-за отсутствия знаний о свойствах ядерных сил. Но даже, если бы характер ядерных сил, действующих между нуклонами, будет известен, проблемой станет решение квантовой задачи многих тел, которая к настоящему времени не решена даже для трёх тел. Потому силы взаимодействия между нуклонами приходится подбирать путём подгонки к известным экспериментальным данным с помощью модельных зависимостей.

Для объяснения поставленных вопросов с помощью известных сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе. Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.

До настоящего времени принимаются идеи, согласно которым атомное ядро состоит из числа протонов, равного атомному номеру конкретного элемента, и достаточного количества нейтронов с учётом оставшегося атомного веса. Даже без осложнений, чтобы обсудить детали этой гипотетической структуры, немедленно сталкиваемся с двумя серьёзными проблемами. Во-первых, они являются, по определению, положительно заряженными атомами водорода, которые на таких коротких расстояниях будут испытывать очень мощные силы отталкивания друг от друга. Существующие знания, поэтому, говорят нам, что такая структура невозможна. Во-вторых, экспериментальные данные показывают, что нейтрон нестабилен в земных условиях, с полураспадом всего около 15 минут. На основе имеющихся знаний, нейтрон не может быть составной частью стабильного атома. Вера в то, что существование ядра доказано выводами Резерфорда, дала два специальных предположения для того, чтобы примирить противоречивые пункты: (1) что какие-то «ядерные силы» существуют в оппозиции к силам отталкивания, которые, в противном случае, могли бы уничтожить гипотетическую структуру, и (2), что нестабильный нейтрон стабилен в ядерной среде.

Для решения указанной проблемы физики в течение многих лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований оказывались громоздкими и сложными. Если бы частицы в указанных экспериментах были фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те же частицы, только выходящие по изменённым траекториям. Вместо этого на выходе, после столкновения, часто оказывалось множество новых частиц. Конечное состояние могло содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не казалось естественным полагать, что речь идёт просто об изучении новой силы, связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во взглядах стало и изменение в терминологии. Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном взаимодействии.

Для объяснения сильного взаимодействия физикам пришлось опуститься ещё глубже, т.е. поиск таинственных кирпичиков мироздания продолжился на ещё более тонком уровне. Этому способствовал тот факт, что в начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами, а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то всё становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере, в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трёх типов («ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами, согласно формуле m = E/c². Это аналогично тому, как спектр возбуждённых состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и спиновых конфигураций электронов.

Тем не менее, правила использования кварков для описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными. Для соответствия с экспериментальными данными оказалось необходимым снабдить кварки несколькими неожиданными свойствами. Во-первых, их электрические заряды должны быть дробными (1/3 или 2/3) по отношению к основному электрическому заряду, например, электрона или протона. Все остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному. Кроме того, тождественные кварки должны обладать парадоксальными свойствами динамики и аномальной статистки. Возник вопрос, являются ли кварки простейшими частицами, которые следует использовать для фундаментальной теории, или они только лишь промежуточный инструмент, который нужно заменить более глубокой концепцией?

Кроме того, кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия с другими кварками, находящимися в том же объёме и связывающими их в адрон глюонами – безмассовыми электрически нейтральными частицами со спином J = 1 и чётностью Р = -1 – переносят сильное, т. е. цветное взаимодействие между кварками. Они как бы склеивают кварки в адронах (название глюона происходит от англ. glue – клей). При испускании или поглощении глюона кварки могут изменить свой цвет. При этом остальные квантовые числа кварка и его аромат не изменяются. Значит, глюоны обладают цветом. Однако цветовая структура глюона отличается от цветовой структуры кварка. Её можно установить, используя закон сохранения цвета. Однако остаётся проблема – ядерная сила действует только между частицами с цветным зарядом, а протоны и нейтроны имеют нейтральный цветовой заряд.

Анализ данного короткого обзора показывает, что хотя для объяснения свойств ядер разработана сложная многоуровневая система, ясно, что и это ещё не предел. Остаются необъяснимые парадоксы, которые физикам ещё только предстоит объяснить. А для этого приходится «выдумывать» новые экзотические частицы с необычными свойствами. И всё это потому, что постоянно идёт поиск «кирпичиков» – элементарных частичек, того строительного материала, из которого должен собираться наш мир. При этом, несмотря на то, что физики продвинулись глубоко внутрь атомов, кирпичики мироздания так и не были найдены.

По результатам, наглядно представленным в книге «О природе атома», М.Грызинский довольно скептически относился к квантовой теории атомного ядра и формулировки радикальных критических вопросов: новые частицы, новые силы − необходимость или выбор лёгкого пути, нужны ли нам ядерные силы?

Подобную мысль высказывал ещё Э.Шредингер: «Цель реального понимания атомной структуры ещё далеко впереди». Ему вторит и Д.Гамов «...будущее физики заключается в дальнейшем исследовании и понимании элементарных частиц ».

Поэтому для дальнейшего развития квантовой теории следует понять физическую сущность квантовых процессов. По словам В.А.Ацюковского, физика «не ставила перед собой задачи понять внутреннюю сущность физических явлений, а ограничивалась внешним их описанием, феноменологией. Она не ставила перед собой задачи выяснения структур материи на глубинных уровнях организации. Это неизбежно вело к поверхностному пониманию явлений, не готовило её к восприятию новых фактов, появление которых всегда оказывалось для неё полной неожиданностью. Вместо изменения самой сущности методологии физики пошли по дальнейшему пути абстрагирования от действительности путём ввода постулатов, т.е. положений, сформулированных на основе «гениальных догадок» и беспредельно распространяемых на весь мир и на все явления».

Обычно когда заходит речь о структуре объекта, то в нашем сознании возникает образ составных частей, элементов этого объекта. Например, если это атом, то мы уверенно называем его структурные элементы: электроны, протоны, нейтроны. И только затем задумываемся над структурной организацией объекта , т.е. определяем характер и показатели взаимодействий связующих эти структурные элементы в одно целое.

На элементарном уровне рассуждать о структурных элементах объекта бессмысленно, поскольку их просто нет. Есть взаимодействия, которые образуют структурную организацию элемента , но нет взаимодействующих частей, элементов. Есть взаимодействующие стороны, из которых образуется материя и структура элемента, а сам он (элемент) появляется только в процессе взаимодействий и есть результат этих взаимодействий. То есть структурная организация материальных объектов − это устойчивая совокупность повторяющихся (сменяющих друг друга) взаимодействий .

Вывод: должна быть изменена задача современной физики − вместо поиска элементарных объектов перейти к поиску элементарных взаимодействий, т.е. процессов образования и трансформации элементов природы.

Именно такой взгляд на образование атомов дан в работе «Фундаментальный код Природы» [10] автора статьи.

В этой работе удалось выявить Закон развития , который реализуется практически во всех системах и объектах нашего мира. Именно он ответственен как за его возникновение, так и за его поддержание в устойчивом динамическом состоянии.

формате PDF (558Кб)