Мощный удар по кваркам

[Сенсация с задержкой] статья № 27

Суть проблемы

Сенсацией с задержкой будем называть важный опубликованный научный результат исследований, который не воспринимается специалистами сразу как сенсация. Чтобы признать сенсационность уже существующей научной публикации, необходимо указать специалистам на сокрушительный удар, который наносит публикация некой общепризнанной теории. Другими словами говоря, для сенсационных публикаций характерен известный в физике принцип «дальнодействия» (запаздывания). А теперь от общих фраз перейдем непосредственно к делу!

Обратимся к публикации ученых из института PSI (Германия, «Paul Scherrer Institute»). Статья называется: «Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron», коллектив авторов C. Abel et al. Она опубликована в журнале «Physical Review Letters 28 February 2020 (online), DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.081803».

В указанной работе измерялся электрический дипольный момент нейтрона. В результате многочисленных измерений этого параметра нейтрона было получено с высокой степенью достоверности значение электрического дипольного момента нейтрона dn :
dn=(0.0±1.1stat±0.2sys)×10^−26  e.cm

Дипольный электрический момент нейтрона dn оказался близок к нулю с точностью погрешностей измерения в экспериментах – статистической погрешностью и систематической погрешностью. Приближенно следует считать, что дипольный электрический момент нейтрона dn имеет величину, заметно меньше, чем:

dn < 1,1.10^-26 e.cм

погрешности в экспериментальных измерениях. Очевидно, для измерения реального значения dn, необходимо повышать точность методики измерений на несколько порядков величины. Но эта задача, возможно, будет решена в отдаленном будущем.

Хотя мы все еще не знаем реальной величины дипольного электрического момента нейтрона, выше представленная оценка «сверху» величины dn наносит сокрушительный удар по модели нейтрона, основанной на кварках. Откуда следует подобный вывод? Разумеется, необходимо сравнить теоретическое значение dn для модели нейтрона на основе кварков с приведенной выше экспериментальной оценкой той же величиной dn реального нейтрона

Рис.1 Левая картинка – нейтрон с линейным расположением кварков; Правая картинка – нейтрон с компактным расположением кварков

На рис 1 представлены два варианта расположения кварков в нейтроне в схематическом виде. Традиционно кварки в нейтроне (и протоне) изображаются так, как показано в правой части рис.1. На мой взгляд, расположение кварков в нейтроне должно соответствовать левой части рис.1. Но для нашей весьма приближенной расчетной оценки параметра dnформа расположения кварков в нейтроне несущественно влияет на результат.

Оценить приближенно дипольный электрический момент модели нейтрона с кварками несложно. Заряды кварков известны. Теоретики назначили волевым порядком, дробные заряды кваркам, причем, величины зарядов ниоткуда не следуют. Здесь мы наблюдаем абсолютный произвол теоретиков. В итоге было принято, что заряд у d–кварка равен (–е/3), а заряд u–кварка задается величиной (+2е/3). Где е –элементарный электрический заряд.

Далее, нам необходимо оценить «плечо диполя» L, т.е. расстояние между центрами разноименных зарядов кварков в нейтроне. От нас не требуется высокая точность вычисления указанного расстояния. Поэтому мы примем величину плеча диполя L равной половине радиуса нейтрона:

L = Rn/2.

Радиус нейтрона оценивается величиной Rn = 8.10^–14 см.Теперь мы готовы оценить теоретическое значение дипольного электрического момента модели нейтрона с кварками и сопоставить его с экспериментальным значением:

dтеор. = q·L = (2e/3)·(Rn/2) = 2,7.10^–14 e.см

Где q – электрический заряд диполя, выраженный в кулонах.

Сравнение экспериментального значения дипольного электрического момента реального нейтрона с расчетной оценкой этого параметра для модели нейтрона на теории кварков показало ужасающее расхождение их значений, более чем на 10^11 порядков величины.

Вот же она, сенсация с задержкой!

Ученые PSI, Германия (Paul Scherrer Institute) своими фундаментальными исследованиями проблемы дипольного электрического момента реального нейтрона нанесли сокрушительный удар по теоретической модели кварков в нейтроне. Расхождение теории с практикой на одиннадцать порядков величины – это смертельный приговор для теории кварков. Вероятно, настала пора распрощаться с теорией кварков.

Немного из истории кварков

Американские ученые М. Гелл-Манн и (якобы) независимо от него Джордж Цвейг постулировали в 1964 году кварковую модель элементарных частиц. В этой модели ввели новые, неизвестные ранее частицы и назвали их – «кварки». Вердикт теоретиков был быстр и однозначен. Элементарные частицы состоят из определенного набора кварков и это позволило элементарные частицы, якобы, успешно систематизировать наилучшим способом.

Разумеется, большинство научного мирового сообщества было шокировано дробными зарядами кварков. Ведь о дробных зарядах до этого момента никто не слышал и в экспериментах не наблюдал. Теоретики не стали утруждать себя доказательствами, что дробные заряды являются рядовым событием и правдой повседневной жизни. Они пошли к цели самым коротким путем.

Спрашивается, для чего существуют университеты? Теоретики тут же написали новые учебные программы по кваркам и с тех пор ежегодно выпускаются во всем мире многочисленные специалисты, уверенных в существовании кварков с дробными зарядами. Диплом университета иначе не получишь. Так и после получения диплома особенно не забалуешь. Будешь сомневаться в том, чему обучали – по специальности не сможешь работать. Такова сила образования. Что написано пером – не вырубишь топором!

А с другой стороны, кварков могло бы и не быть в науке если бы в США строже спрашивали бы при обучении за незнание основных принципов квантовой механики. Предположительно, М. Гелл-Манн и тот же Д. Цвейг не знали о существовании фундаментального принципа квантовой механики, принцип неопределенностей Гейзенберга.

Судите сами! Как уже упоминалось выше, М. Гелл-Манну и Д. Цвейгу одновременно пришла в голову идея о кварках. Конечно, такой факт удивляет. Но еще больше удивляет другой факт. М. Гелл-Манну и Д. Цвейгу одновременно не пришла в голову идея использовать фундаментальный принцип квантовой механики, принцип неопределенностей Гейзенберга, для проверки, позволяет ли этот принцип поместить, например, три кварка в объеме нейтрона.

Не прийти в голову одновременно двум известным физикам столь почитаемый теоретиками принцип неопределенностей мог только по причине незнания оного. А вдруг знали, но проигнорировали? Разумеется, о подобном варианте даже думать не хочется. Далеко заведет интрига. Почему я столь настойчиво привлекаю внимание к принципу неопределенностей для проблемы кварков в нейтроне?

Объяснение заключается в следующем. Автор принципа неопределенностей, В. Гейзенберг, доказал с его помощью, что в объеме нейтрона не может содержаться электрон. Импульс электрона в объеме нейтрона оказался весьма большим. Энергия связи нейтрона, вычисленная из величины полученного импульса электрона, превышала в 137 раз известное экспериментальное значение энергии связи электрона в нейтроне. На основании этих оценок В. Гейзенберг наложил запрет на существовании электрона в нейтроне.

Статья, описывающая запрет нахождения электрона в объеме нейтрона опубликована в 1932 году и современниками воспринята благосклонно. Лично я услышал об указанном запрете В. Гейзенберга в 1965 году на лекциях в МИФИ (Москва). В данный момент перевод статьи В. Гейзенберга можно найти в издании его трудов:

– «О СТРОЕНИИ АТОМНЫХ ЯДЕР, часть 2, §3, Свойства нейтрона стр 511 …513» в сборнике статей: – Гейзенберг Вернер Избранные труды: Пер. с нем. Изд. 3-е. - М.: Эдиториал УРСС, 2010. - 616 с. (Классики науки.)

Читатель не видит прямой связи между электроном и кварками? Дело в том, что для принципа неопределенностей Гейзенберга электроны и кварки неотличимы. Данный принцип устанавливает соотношение между погрешностью координаты Δх (погрешность размера частицы) и соответствующей ей (зависящей от погрешности Δх) погрешностью импульса частицы Δр. В редакции Макса Борна (Германия) принцип неопределенностей Гейзенберга используется в настоящее время:

Δх· Δр ≥ h/4π

Где h– постоянная Планка; π = 3,14…

Укажем еще раз, что для нашего случая параметр Δх представляет собой погрешность измерения (вычисления) размера кварка, (например, погрешность диаметра кварка). Погрешность импульса Δр того же кварка вычисляется из выражения принципа неопределенностей, которое мы только что записали чуть выше.

Δр ≥ h/(4π·Δх)

Согласно принципу Гейзенберга, если известна погрешность размера кварка Δх, то погрешность импульса кварка Δр не может быть меньше, чем дает выражение принципа неопределенностей.

Парадоксальность принципа неопределенностей в том, что чем точнее мы измеряем Δх, тем с большей погрешностью Δр будет определена величина импульса того же, например, кварка в нейтроне. Другим парадоксом принципа неопределенностей является тот факт, что о величине импульса р, (в нашем примере – кварка) мы ничего не знаем. Принцип неопределенностей позволяет вычислить только погрешность импульса Δр, а сама величина импульса р кварка остается неизвестной.

Другими словами, результат вычисления импульса Р кварка из принципа неопределенностей невозможно записать в классическом виде:

Р = <р> ∓ Δр.

Где <р> – среднее значение импульса кварка от общего числа его вычислений (измерений). В нашем примере импульс кварка в нейтроне мы можем записать только в виде:

Р ≈ |∓ Δр|.

Такая запись означает следующее. Импульс кварка в нейтроне равен абсолютной величине погрешности его вычисления. Естественно, для специалистов по технике обычных измерений такой подход покажется полнейшим абсурдом. Но специалисты по квантовой механике сочли принцип неопределенностей фундаментальным и основополагающим для этой теории.

В. Гейзенберг «изгнал» электрон из нейтрона на том основании, что погрешность импульса электрона, рассчитанная из выражения для принципа неопределенностей, очень велика. Согласно принципу неопределенностей Гейзенберг, ничего иного, кроме погрешности импульса электрона, вычислить не мог. Такова структура этого принципа, он оперирует только с погрешностями сопряженных величин «координата – импульс».

В цитированной выше статье сам Гейзенберг не говорит о погрешностях вообще, а оперирует классическим радиусом электрона и импульсом электрона. Такое вот сумбурное рассмотрение проблемы электрона в нейтроне. Дескать, принцип мой, Гейзенберга, как хочу, так и запишу. А студентов за такие вольности наказывают строго, если они путают погрешность с самой величиной. Вероятно, рецензентов у этой статьи Гейзенберга не было. Иначе в статье появилось бы замечание рецензента с указанием на неточность следованию принципу неопределенностей.

Однако, вернемся к проблеме размещения трех кварков в нейтроне и покажем пример «правильного» использования принципа неопределенностей для ее решения. Задача решается в два действия.

1. Определяем погрешность «диаметра» кварка. Диаметр нейтрона следует принять Dn = 1,6.10^–15 м, эта величина хорошо известна. Поместить три кварка в нейтрон можно, если их диаметр Dкв не превышает значения Dкв = 5.10^–16 м. Величину погрешности диаметра кварка назначим равной ΔDкв = 2.10^–16 м, на основании здравого смысла. Другой возможности, как «назначить» приближенно погрешность диаметра кварка, у нас нет. Теория кварков об этом умалчивает. На конечный результат произвольный выбор погрешности диаметра кварка (если погрешность меньше диаметра самого кварка) повлияет слабо.

2. Вычислим искомую погрешность импульса кварка в нейтроне из выражения принципа неопределенностей Гейзенберга.

ΔPкв ≥ h/(4π·ΔDкв) ≥ h/(4π·2.10^–16 м) ≥
≥ 2,6.10^–19 кгм/с

Давайте оценим, насколько велика погрешность (приращение) импульса кварка в связи с размещением его в объеме нейтрона. Представим себе, что кварк движетcя (колеблется в нейтроне) со средней скоростью V=1.10^8 м/c. Возрастанием массы кварка от указанной скорости движения можно пренебречь, она возрастет всего в 1,124 раза.

Из величины погрешности импульса ΔРкв = 2,6.10^–19 кгм/с кварка с учетом выбранной скорости V=1.10^8 м/c вычислим массу кварка:

mкв= ΔРкв/V=2,6.10^–19 (кгм/с)/1.10^8 м/c= 2,6.10^–27 кг

Итог вычисленийm .

Масса одного кварка оказалась больше массы самого нейтрона в 1,5 раза. Следовательно, принцип неопределенностей Гейзенберга запрещает разместить в нейтроне даже единственный кварк. О размещении в нейтроне трех кварков не стоит даже размышлять. Заданная теоретиками масса кварков типа «d», «u» примерно в 100 раз меньше массы электрона. Масса указанных кварков (в энергетических единицах – МэВ) приведена в левой части рис.1.

Клубок противоречий.

Напомню, в этой статье речь идет только о кварках в нейтроне.

1. Расчетная оценка дипольного электрического момента кварков в нейтроне и экспериментальные измерения этого параметра у реального нейтрона учеными PSI, Германия, различаются на 11 (одиннадцать) порядков величины. Такое расхождение эксперимента с теорией может свидетельствовать об отсутствии кварков в нейтроне.

2. Принцип неопределенностей Гейзенберга запрещает размещение в нейтроне даже одного кварка. Масса кварка, «по Гейзенбергу» должна быть в 1,5 раза больше, чем масс самого нейтрона! Согласитесь, что подобная ситуация невозможна!

Мистическое вхождение кварков в науку.

Кварки появились в науке вопреки существующим запретам со стороны принципа неопределенностей Гейзенберге, со стороны известного на тот период времени значения дипольного электрического нейтрона и со стороны принципа Оккама. Кроме того, никто не наблюдал дробных зарядов.

1. С трудом, но можно допустить, что М. Гелл-Манн и Д. Цвейг не знали о принципе неопределенностей Гейзенберга. А другие теоретики во всем мире куда смотрели? А сам Гейзенберг, запретивший электрону размещаться в нейтроне, но безмятежно взирал целых 11 лет на тройку кварков в том же нейтроне? Гейзенберг ушел в мир иной в 1976 году, а кварки признали в 1964 г. Гейзенберг мог вмешаться в судбу кварков, но этого не сделал. Мистика, не иначе!

2. Факт игнорирования известных экспериментальных измерений дипольного электрического момента, опубликованных в 1957 г. учеными Смитом, Перселлом и Рэмси. Результат измерения этого параметра (dn = 5.10^–20 e.cм) запрещал существование модели нейтрона из кварков. М. Гелл-Манн и Д. Цвейг проявили верх безответственности. Выдвигая новые элементарные частицы (кварки), необходимо было проанализировать известные данные, которые могут поставить заслон кваркам.

3. Принцип бритвы Оккама – отсекать избыточные сущности. М. Гелл-Манн и Д. Цвейг поступилии вопреки этому принципу, они добавили в физику избыточные новые сущности (кварки). Выглядят их действия крайне нелепо. Чтобы систематизировать известные частицы, М. Гелл-Манн и Д. Цвейг вводят новые частицы и с ними вывалили на физику целый ворох проблем: глюоны, кварк-глюонная плазма, частицы с 4-мя, 5-ю кварками и т.д. Конца возрастанию кварковых избыточных сущностей не видно. При всем при том ни кварки, ни их дробные заряды никто не наблюдал. Правда, пишут, что наблюдают кварк-глюонную плазму. Бумага стерпит, если напишешь, что приступил к изучению «чёрта лысого». Если нет кварков в нейтроне, то их нет в Природе. Так откуда берется кварк-глюонная плазма? Мистика? Она, родная!

Самое время использовать «бритву Оккама»

Как именно? Изучение теории кварков в Вузах перевести на факультативы, которые можно посещать при желании. Преподавание на таком факультативе не оплачивается.

В научных подразделениях можно исследовать теорию кварков за свой счет и вне рабочего времени.

Государству нет смысла тратить средства на исследование того, чего нет в Природе. Зато у государства появляется слабая надежда, что освобожденные от сизифового труда руки исследователей займутся разработкой российских компьютеров, смартфонов, написанием различных программ к ним и лр.