Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Дискуссии - Наука

С.И. Якушко
Как образуются атомы и что такое ядро?

Oб авторе

Мы живем в удивительном мире. Это наш дом. А любой дом строится из элементарных составляющих – кирпичиков. Видимо отсюда и возникла идея о том, что окружающий нас мир также должен состоять из кирпичиков. И вот уже много веков лучшие умы человечества занимаются поиском этих кирпичиков – первоэлементов бытия.

Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц (кирпичиков), имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е. неделимыми частицами. Согласно древнегреческой философии все вещи состоят из двух частей: неделимых атомов, каким-то образом сцепленных друг с другом, и из пустоты между атомами. Атомы считались вечными и неразрушимыми корпускулами, мельчайшими элементами Природы.

Первое определение элемента Природы принадлежит Аристотелю: «Все окружающее представляет собой элементы либо состоит из элементов... Элемент представляет собой то, на что можно разложить другие тела и что существует в них потенциально или действительно, но не может быть разложено само ни на что более простое или отличное от самого себя».

В конце XIX – начале XX века это представление было разрушено и физики перешли на новый уровень в поисках элементарных кирпичиков мироздания – были открыты более мелкие частицы по сравнению с размерами атома. Сначала в 1897 году Дж.Дж.Томсоном был открыт электрон и благодаря этому была построена первая электронная модель атома, предложенная Перреном (1901 г.): положительно заряженная частица окружена некоторым числом электронов, образуя тем самым нейтральную систему. В 1911 году Э. Резерфордом было открыто атомное ядро и окончательно доказано, что атомы имеют сложное строение. Им была предложена планетарная модель атома, согласно которой отрицательные электроны обращаются вокруг положительного ядра подобно планетам вокруг Солнца.

Модель Резерфорда послужила основой для создания основополагающей для атомной физики модели Бора. Существенным для модели атома водорода Бора представляется то, что она понятна и имеет простой и ясный физический смысл. По сути дела Бор перевел на язык электронной теории основные мысли Менделеева о периодической зависимости свойств элементов и на основе менделеевской системы создал физическую теорию атома [18].

Исследование строения атома показало, что его основная масса (более 99,9 %) сосредоточена в ядре, причем именно заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Поэтому физики взялись за ядро, разложив его на составляющие, т.е. поиск элементарных кирпичиков мироздания снова перешел на новый уровень: сначала Резерфордом в 1919 году в продуктах расщепления ядер атомов ряда элементов были обнаружены протоны, а в 1932 году Дж. Чедвиком были открыты нейтроны. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер (Д. Д. Иваненко и В.Гейзенберг), согласно которой ядра состоят из нуклонов (протонов и нейтронов), причем в типичных ядрах содержатся десятки и сотни нуклонов. Это число слишком велико для точно решаемых задач, но всё же слишком мало́ для того, чтобы можно было пользоваться методами статистической физики. Это и привело к большому разнообразию различных моделей атомных ядер.

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 путем подгонки к известным экспериментальным данным с помощью модельных зависимостей.

До настоящего времени принимаются идеи, согласно которым атомное ядро состоит из числа протонов, равного атомному номеру конкретного элемента, и достаточного количества нейтронов с учетом оставшегося атомного веса. Даже без осложнений, чтобы обсудить детали этой гипотетической структуры, немедленно сталкиваемся с двумя серьезными 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 [10].

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 [4].

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 измененным 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 идет 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 еще глубже, т.е. поиск таинственный кирпичиков мироздания продолжился на еще 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 все становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере, в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трех 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 возбужденных 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 [4]?

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 объеме и связывающими их в адрон глюонами – безмассовыми электрически нейтральными частицами со спином J = 1 и четностью 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 остается 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 еще не предел. Остаются необъяснимые парадоксы, которые физикам еще только предстоит объяснить. А для этого приходится «выдумывать» новые экзотические частицы с необычными свойствами. И все это потому, что постоянно идет 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.

Насколько обоснован данный подход по поиску элементарных кирпичиков мироздания? По мнению Дьюи Б. Ларсона: «История изобретенных теорий – это никогда не прекращающиеся модификации и приспособления, обычно все дальше и дальше уходящие от изначальной точки соприкосновения с эмпирическими фактами». Приведем большой отрывок из его книги «Структура физической Вселенной» [12], в которой он дает всестороннюю оценку данного вопроса, сравнивая «воображаемую Вселенную», т.е. созданную в представлениях наших физиков, с реальной Вселенной.


1. В воображаемой Вселенной: Фундаментальными составляющими Вселенной являются элементарные единицы материи.

В реальной Вселенной: Элементарные единицы материи не существуют. В данном контексте слово «элементарный» означает «не уменьшаемый». В стародавние времена в этом смысле материя считалась элементарной, поскольку было известно, что она состоит из отдельных единиц, и существование элементарной единицы материи принималось на веру. Одной из главных целей исследователей в физической сфере было определение элементарной единицы. Однако, тем временем, открытие процессов, в ходе которых материя могла преобразовываться в не-материю и наоборот, обеспечило убедительное доказательство, что материя не элементарна. Например, поскольку материя и излучение взаимозаменяемы, они обязательно должны быть разными формами одного и того же. И поскольку материю нельзя квалифицировать как излучение, а излучение как материю, отсюда следует, что ни одно из них не может быть элементарным. Оба должны быть формами элементарной сущности. Следовательно, в реальной Вселенной нет элементарных частиц материи.


2. В воображаемой Вселенной: Элементарными единицами материи являются кварки.

В реальной Вселенной: Кварков не существует. Очевидно, несуществующие частицы нельзя обнаружить посредством обычного научного процесса открытия. Их следует изобретать. Могло бы создаваться впечатление, что если в любом конкретном случае изобретения сводятся к минимуму, развитие мысли еще научно; то есть, оно продолжает быть учением о Природе. Но такая точка зрения сильно недооценивает влияние единственного отклонения от реальности. Первый шаг в фантомный мир мог быть относительно безвредным. Сама по себе проблема наличия или отсутствия неделимой единицы материи не оказывает значительного влияния на общую физическую ситуацию. Но один ложный шаг ведет к другому, и вскоре развитие мышления даже отдаленно перестает соприкасаться с реальностью.

Никакое изобретение не может предвидеть будущие эмпирические открытия. Соответственно, гипотеза кварков – это (пока) конечный результат усилия найти несуществующую элементарную частицу или частицы материи, и это доводит процесс до абсурда. Кварк – чистая гипотеза. Отсутствует реальное свидетельство существования чего-то такого рода. Конечно, одно из главных занятий «физики элементарных частиц» – выдумывание правдоподобных причин, почему такое свидетельство не может быть обнаружено.


3. В воображаемой Вселенной: Атом состоит из частиц, составленных из кварков.

В реальной Вселенной: Атом – это целостная единица, не имеющая частей. Кварки – не единственные постулированные частицы, которые исследователи не могут найти в реальном мире. Они даже не могут найти частицы, предположительно состоящие из кварков. Ученые еще больше запутывают проблему, приписывая воображаемым частицам, гипотетическим составляющим атомов, те же названия, что и наблюдаемым частицам, такие как электроны и нейтроны. Но нарекание разных объектов одинаковыми именами не делает их одним и тем же видом объектов. Как бы вы их не называли, объекты принадлежат к одной и той же категории, только если обладают одинаковыми свойствами. Свойства, которые следует приписывать гипотетическим субатомным частицам, чтобы сделать их составляющими атомов, сильно отличаются от свойств наблюдаемых частиц, нареченных теми же именами.

Например, стабильность – это существенное свойство любой атомной составляющей, включая гипотетическую частицу, ныне называющуюся «нейтроном». Наблюдаемый нейтрон нестабилен. Он живет всего 15 минут. Аналогично, свойства, которыми должен обладать гипотетический компонент атома под названием «электрон», чтобы укладываться в отведенное ему место в атомной структуре, очень отличаются от свойств наблюдаемого электрона. Мы можем иметь дело с воображаемыми электронами только на статистической основе. И как указывает Герберт Дингл, мы можем считать статистические методы эффективными, «только приписывая частицам свойства, которыми не обладают никакие воображаемые объекты». Более того, как утверждают многие теоретики, атомный электрон не может рассматриваться как «реальная» частица. Они говорят, что он не «существует объективно». Идея, что реальный мир может строиться из элементарных частиц, не реальных и даже не «существующих объективно», – это вид абсурда, характеризующего мир чудес воображаемой Вселенной.


4. В воображаемой Вселенной: Атом обладает «ядерной» структурой, в состав которой входит положительно заряженное ядро, содержащее большую часть массы. Оно окружено отрицательно заряженными электронами.

В реальной Вселенной: Атом – это единая целостная единица, а не набор частиц. Экспериментальное ядро – это на самом деле сам атом, содержащий всю массу.

Хотя «элементарных» частиц материи не существует, «мельчайшие» или «простейшие» частицы материи можно определить. И если бы эти мелкие или простые частицы обладали свойствами, квалифицирующими их как составляющие больших частиц, было бы в порядке вещей постулировать, что большие частицы тоже являются составляющими. Но поскольку мы знаем, что материя не состоит из элементарных единиц, нет оправдания допущению, что атомы обязательно должны состоять из более мелких частиц материи. Отсюда следует, что наличию атомных составляющих нет причины. Это выбивает из-под ног любую почву, существующую для измышления воображаемых составляющих, таких как кварки, или для изобретения модификаций известных частиц, чтобы сделать их пригодными в качестве строительных блоков. Поскольку не может быть найдено никаких реальных частиц, способных удовлетворять требованиям, предъявляющимся к составляющим атомов, логический вывод (достигнутый в данном труде из разных допущений) таков: атом не состоит из вспомогательных единиц. Превалирующая концепция «ядерной» структуры – это гипотетическое сборище частиц; допущение, нагроможденное на допущение.


5. В воображаемой Вселенной: Поведение атома управляется рядом законов, во многих отношениях отличающихся от законов, управляющих поведением макроскопической материи.

В реальной Вселенной: Все управляется одними и теми же физическими законами.

Изобретательные теоретики считают необходимым изобретать новые законы, чтобы (а) рассматривать гипотетическое поведение несуществующих составляющих атома и (б) рассматривать феномены региона внутри единицы расстояния, где инверсия, происходящая на всех уровнях единицы (еще не осознанная традиционной наукой), меняет способ применения физических законов. Даже при безграничном разрешении на специально придуманные допущения, строители воображаемой Вселенной не способны вывести ряд логичных и не противоречивых законов для своих атомов. В целях оправдания приверженности к концепции природы атомной структуры, они выдвинули странный довод, что их атом обладает непостижимыми характеристиками потому, что в сфере очень маленького сама природа нелогична и непостижима.


6. В воображаемой Вселенной: На атомном уровне Вселенная нелогична и не постижима.

В реальной Вселенной: Феномены на атомном уровне обладают теми же характеристиками, что и на макроскопическом уровне.

Атом физиков – не реальная физическая сущность: «Современный атом – это решение волнового уравнения и ничего больше». Это «лишь символ». Гипотетический электрон, составляющий атом, – это абстракция, не постижимая в терминах знакомых аспектов повседневного опыта».

Теория атома (квантовая теория) не постижима: «Думаю, могу со всей ответственностью сказать, что никто не понимает квантовую механику». «Понимание «первого порядка» почти по определению невозможно для мира атомов».

Здесь у нас есть корректное описание ситуации, как обстояли дела до развития теории Вселенной движения. Рассматриваемое положение таково: из-за непонимания «феноменов сферы очень маленького», теоретики изобрели Вселенную, которой могут манипулировать так, чтобы предлагать воображаемые решения всех проблем, с которыми могут столкнуться. Таким образом, до настоящего момента, в нашем исследовании структуры несуществующей Вселенной, мы отслеживали умозаключения физиков, основанные на допущении (сейчас известно, что оно противоречит фактам), что базовые сущности Вселенной – это элементарные единицы материи. Развитие этой мысли приводит к воображаемой структуре атома материи».

На этом мы заканчиваем цитировать книгу Дьюи Б. Ларсона «Структура физической Вселенной» [12].

Автор статьи, соглашаясь с высказываниями Дьюи Б. Ларсона, предлагает взглянуть на эту проблему с другой стороны: может стоит искать не элементарный кирпичик, а элементарный процесс, который лежит в основе образования и развития нашего мира?

Американский физик Фритьоф Капра в книге «Дао физики» ещё в 1975 году сформулировал шесть отличий моделей классической физики от физики нового времени [14]. Согласно Второму критерию, отличающему новую научную парадигму от старой, является переход от мышления в терминах структуры к мышлению в терминах процесса. Причём в новой парадигме процесс должен мыслиться как первичная категория, поскольку любая структура, которую мы наблюдаем, есть проявление лежащего в её основе процесса. Об этом говорил ещё И.Ньютон в предисловии к первому изданию «Начал»: «Вся трудность физики состоит в том, чтобы по явлениям движения (т.е. процессам – выделено автором) распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления».

Считается, что вся материя, независимо от того, где она находится, — у нас на Земле или в космосе, — всегда принимает участие в непрекращающихся процессах взаимопревращений и фазовых переходах. Исходя из этого, можно сделать важный вывод о том, что силы, обуславливающие движение и изменения, берут своё начало не вне химических элементов, а внутри них [15].

При этом атомное ядро и собственно атом химического элемента должны восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамическая система или процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы самой частицы или атома [24]. Эти динамические системы формируют стабильные ядерные, атомные и молекулярные структуры, которые и образуют вещество, придавая ему макроскопический твёрдый аспект. В этом и заключается удивительный парадокс, который отчасти сдерживает развитие науки. Суть его заключается в том, что такой упрощённый взгляд на собственно атом химического элемента лишён всякого физического смысла. При изучении атома в поведении ядерной материи, прежде всего, наблюдается не вещественная субстанция, а напротив, прежде всего динамические системы, постоянно преобразующиеся и взаимозаменяющиеся в незатухающих процессах преобразования массы и энергии.

Материя не может существовать вне движения и становления. Частицы субатомного мира активны не только потому, что они очень быстро двигаются, колеблются и вращаются, а потому, что они являются процессами сами по себе. Здесь совершенно логично задать вопрос: если частицы являются процессами, то каковы они, эти процессы? Эти процессы приводят к изменению и перераспределению количества массы-энергии атомов и их ядер.

Следует говорить не о сложном строении атома и его месте в структурах и симметриях вещества, а о сложном его поведении и состоянии, рассматривая атом химического элемента как процесс. Данное изменение во взглядах на химический элемент и переход от «атома-кирпичика» к «атому-процессу» может быть осуществлён с помощью предложенного универсального процесса развития, лежащего в основе физики связанных пространств [26].

Наши знания о строении атомного ядра и взаимодействии нуклонов достаточно обширны, но, тем не менее, еще не выработаны фундаментальные понятия о природе ядерных сил и сложных формах их проявлений. Необходимо пересмотреть некоторые устоявшиеся взгляды на строение атомного ядра химических элементов. Собственно атомное ядро и атом должны рассматриваться, прежде всего, как процесс, т.е. как система нуклонов и групп нуклонов, изменяющая свое состояние, а затем уже как объект, определяющий структуры и симметрии создаваемого им вещества [15].

То есть Процесс в новой физике должен приобрести статус фундаментального понятия. В монографии «Фундаментальный код Природы» [26] впервые выделен новый объект – фундаментальный физический процесс, согласно которому происходит развитие мира, начиная с вакуума (эфира) и заканчивая образованием Вселенной. В соответствии с этим, первичным элементом в новой парадигме принимается не элементарная частица (кирпичик мироздания), а элементарный физический процесс. Это дало возможность сформулировать Закон развития, в основе которого и лежит этот процесс развития.

Выделенный фундаментальный процесс позволил впервые увидеть, как происходит становление и развитие мира. Становится понятным, что материя не появляется из ниоткуда – в основе её проявления лежит физический процесс. Всё оказалось гораздо проще и сложнее одновременно: то, что человек знает о материи и думает, как о завершённом, абсолютном понятии, на самом деле, является лишь проявлением процесса на определённом уровне её развития.

Указанный процесс развития всегда был окружён ореолом тайны, потому что он являлся герметическим базисом древнееврейской Торы и христианской Триады – Троицы, эзотерический чертёж пифагорейской Тетрактиды, сокровенным Планом многих вероучений, включая зороастризм, индуизм, буддизм. Он всегда неизменно находился в фокусе теологических изысканий, поэтому является источником многообразной числовой символики. На его основе издревле строились логические и догматические системы, мифологические родословные и хронологические периоды. От халдейских и египетских астрологов до мистиков оккультизма и гадателей – всюду проглядывают Числа, Знаки, Символы, восходящие к знаниям представленного процесса развития. Не случайно, самые сокровенные процессы были издревле отнесены к истине «неизрекаемой». Именно поэтому всё и любые процессы в мире, несмотря на безбрежное многообразие их форм, можно представить как частные проявления единого процесса развития.


Полный текст доступен в формате PDF (1672Кб)


С.И. Якушко , Как образуются атомы и что такое ядро? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.24849, 13.10.2018

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru