Гармонические колебания Вселенной (Часть 4)

4. ОТ ОКТАВ ХИМИИ К ГАРМОНИИ КОЛЕБАНИЙ АДРОНОВ

О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель.

А.С. Пушкин

Этот эпиграф напоминает всем, в первую очередь, телепередачи «Очевидное-невероятное» и их ведущего С.П. Капицу, который скончался в августе этого года. Но безусловно, что всем гениям в их открытиях помогали указанные А.С. Пушкиным факторы: образование, опыт и случай!

В конце XIX века казалось, что все многообразие веществ можно объяснить, признав существование ограниченного набора рядов химических элементов (см. часть 3). Все остальные вещества были просто их различными сочетаниями. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к относительной простоте и порядку на химическом уровне.

4.1. Открытие нейтронов, протонов и электронов

Чем дальше в лес, тем больше дров.

В начале XX столетия стало понятно, что почти 100 атомов химических элементов не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру. Они состоят из ещё более простых частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые окружают эти ядра. Именно число электронов на внешних оболочках атомов формировало химическую гармонию колебаний. И опять усложненность более высокого уровня строения материи сменила простота более фундаментального уровня.

Но эта кажущаяся простота строения материи тоже оказалась временной. В лабораториях стали открывать всё новые и новые более элементарные частицы. Учёные обнаружили множество тяжёлых частиц, названных адронами, которые похожи на нейтроны и протоны, но очень неустойчивы. Они рождаются и тут же распадаются в различных ядерных реакциях. Гармонического порядка в этих процессах сначала обнаружено не было.

4.2. Систематизация адронов и восьмеричная октава кварков

Четыре чернёньких, чумазеньких чертёнка
Чертили чёрными чернилами чертёж.

У адронов в конце концов были обнаружены закономерности, из которых тоже стала складываться некая периодическая система. Используя математический аппарат теории групп, физикам удалось объединить адроны в группы по восемь — два типа частиц в центре и шесть в вершинах шестиугольника (рис. 4.1). Частицы из каждой восьмеричной группы, располагающиеся в одинаковых местах шестиугольников, обладают общими свойствами, как химические элементы из восьми столбцов (нот) гармонических октав таблицы Менделеева, а частицы, расположенные по горизонтальным линиям в шестиугольниках, обладают близкой массой, но разными электрическими зарядами [Природа науки].

Такая классификация получила название восьмеричный путь в честь моральной доктрины буддистской теологии. Она включает в себя: правильные взгляды, стремления, речь, поведение, образ жизни и другие достойные качества. К физическим свойствам восьмеричных октав адронов и к химическим свойствам элементов, расположенным в разных восьми столбцах таблицы Менделеева, эти человеческие качества, конечно, не имеют никакого отношения. Исследователям просто понравилось совпадение сакраментального числа добродетелей с числом гармонических нот в октавах таблицы Менделеева и групп адронов (рис. 4.1). Кроме того, в 1960-е годы физики любили шутить и, похоже, до сих пор не разлюбили!

Рис. 4.1. Схематическое изображение одной из восьмеричных октав адронов.
В нижнем ряду — два кси-гиперона (отрицательно и положительно заряженные);
в среднем ряду — три сигма-гиперона и парный нейтральному сигма-гиперону лямбда-гиперон; в верхнем
ряду — нейтрон и протон. Интересно, что по своим свойствам гиперон Λ⁰ ничем не отличается от гиперона
Σ⁰, однако это разные частицы: они являются зеркальным отражением друг друга с точки зрения их структурного строения

В эти же годы теоретики поняли, что полученную закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из ещё более фундаментальных структурных единиц. Новых обитателей микромира назвали кварками. Кварки обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона. А далее, по мере развития теории, выяснилось, что увидеть их отдельно никак нельзя.

Они не могут пребывать в свободном от адронов состоянии и о факте их существования судят только по свойствам адронов. Теория предсказала шесть разновидностей кварков и уже открыты элементарные частицы, содержащие все эти кварки (рис. 4.2.). Самые распространенные кварки — верхний, или протонный (обозначается u — от английского up, или p — proton) и нижний, или нейтронный (обозначается d — от down, или n — от neutron), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему долгоживущие адроны — протон (uud) и нейтрон (udd). Следующий дублет включает странные s (strange) и очарованные кварки с (charmed). Последний дублет состоит из красивых и истинных кварков — b (от beauty, или bottom) и t (от truth, или top).

Рис. 4.2. Типы кварков и их заряды

Каждый из шести кварков имеет ещё вращательный момент (спин) и может принимать три значения квантового числа. Романтические настроения молодых физиков-теоретиков привели к тому, что они придали свойствам кварков красоту и очарование (рис. 4.2), цвет(color)и аромат (flavor). На самом деле, кварки не имеют ни цвета, ни даже запаха, как и деньги. «Pecunia non olet» — сказал император Тит Флавий Веспасиан, понюхав серебрянный денарий в 75 г.н.э., полученный от налогов на общественные уборные Рима. Эта фраза будет справлять в 2075 г свой двухтысячный юбилей.

4.3. Пространственная модель элементарных частиц

Не будь портных, - скажи:
как различил бы ты
служебные ведомства?

Козьма Прутков

Имеются наглядные пространственные модели элементарных частиц (ПМЭЧ), которые строятся из пространственных единиц Энштейна (ПЕЭ) (рис. 4.3) [Schroeder].

Рис. 4.3. Пространственные единицы Энштейна (ПЕЭ). Каждому направлению соответствует +/-1/3 величины единичного заряда. Из этих первичных сегментов строятся все постранственные модели элементарных частиц (ПМЭЧ).

На рис. 4.4, 4.5 показаны модели стабильных адронов – протона и нейтрона, собранных из таких сегментов.

На рис. 4.6, 4.7 даны структуры Δ++ и Δ+ барионов. Переход от Δ++ к Δ+ подобен переходу от протона к нейтрону (рис. 4.4, 4.5).

4.4. Гармония и октавы элементарных частиц

Сотри случайные черты —
И ты увидишь: мир прекрасен.

А. Блок

Наличие серий стабильных гармонических периодов (частот) или дискретных энергетических уровней и их экспоненциальное распределение, описываемое геометрическими прогрессиями, является общим свойством макро- и микромира, Галактики, Солнечной ситемы, гелиогеофизических процессов, растительного и животного мира (1.2-1.7).

Устойчивые энергетические состояния существуют на всех иерархических уровнях материи. Их гармонические распределения наблюдаются в планетарных системах небесных тел [Берри, 2006, 2010, Berry, 1991, 1998], в атомах химических элементов, в устойчивости ядер и элементарных частиц. Частота электромагнитного кванта ν (1/с), его энергия Е (эВ) и масса (m) описываются уравнением Энштейна:

E = h*ν = m*c² (4.1)

где h - постоянная Планка, c – скорость света.

Элементарные частицы обычно характеризуются их энергиями в электрон-вольтах (эВ). В физике микромира распределения дискретных уровней частот (периодов) колебаний, энергий и масс частиц легко пересчитываются друг в друга, так как они связаны физическими константами Планка и скорости света (4.1). Частоты (периоды) колебаний являются такими же свойствами элементарных частиц, как их массы и энергии. Закономерности распределения гармонических периодов в разных по масштабам объектах Вселенной свидетельствуют о её взаимосвязанности и единстве.

Периоды большинства элементарных частиц (76%), как и обнаруженного недавно на ускорителе (рис. 4.8) бозона Хиккса, совпадают (табл. 4.1) с членами T_R гармонической водородной прогрессии (4.2), о которой подробнее будет рассказано в разделе 6:

T_R = T_0R*2^{R /М} = 3,041314*10^-16*2^{R /32} с (4.2),

где начальный период прогрессии T_0R = 3,041314*10^-16 с – физическая постоянная Ридбергера в секундах. Прогрессия (4.2 или 1.5) подобна лунной прогрессии (1.3), в которой начальным членом служит сидерический период обращения Луны T₀=27,32 суток = 0,075 года. Обе прогрессии хорошо отражают гармонию природных ритмов из разных пространственно-временных масштабов.

Рис. 4.8. Ускоритель протонов (Большой Адронный Коллайдер) - это подземная конструкция длинной в 27 километров на границе Швейцарии и Франции. На снимке земной поверхности его расположение показано желтой окружностью. С помощью электромагнитов встречные потоки протонов разгоняются до 99,9% световой скорости и сталкиваются друг с другом. Это создает условия близкие по энергетике к событиям после "первичного взрыва", породившего гармоническую Вселенную.
Фото: supertightstuff.com

Периоды элементарных частиц в табл. 4.1 изменяются по величине, примерно, в 300 раз от значения 9,19*10^-26 с (М= 13, О=32) до 3,06*10^-23 с (М=25, О=24). Период D₀ мезона (табл. 4.1, М= 32, О = 28, R = -864) точно совпадает с членом прогрессией (4.2), поэтому его тоже можно использовать в качестве Т₀ (1.6, 1.7) вместо периода Ридбергера (1.4, 1.5) или сидерического периода Луны (1.2, 1.3). Элементарные частицы, чьи модели были показанные на рис. 4.4, 4.6, 4.7, включены в табл. 4.1 гармонических периодов: Δ++, Δ+ барионы (М = 19) и протон (М = 32).

Таблица 4.1. Сопоставление периодов T_R (4.2) и периодов элементарных частиц (Т_ЭЧ)

На протяжении двух последних веков учёные, интересующиеся строением вещества, искали кирпичики, из которых построена материя. Им удалось перейти от сложности и многообразия видимого мира к «простоте и упорядоченности на элементарном уровне». Но дело на этом, как мы знаем из раздела 1, не окончилось! На переднем крае работают над теориями струн и инфляционной Вселенной, которые должны потом слиться в «теорию всего Мира». Минимальные частицы, предположительно, будут меньше протона (uud) на 15-20 порядков и будут представлять собой гармонические колебания поля, подобные колебаниям струн.

Читайте также:

Гармонические колебания Вселенной (Часть 1)
Гармонические колебания Вселенной (часть 2)
Гармонические колебания Вселенной (часть 3)
Гармонические колебания вселенной (Часть 5)
Гармонические колебания Вселенной (Часть 6)