Давно уже хотелось поговорить об одном из любопытнейших и регулярно происходящих в микромире явлений, которым по праву считается аннигиляция частиц вещества и антивещества. Однако прежде чем приступить к его рассмотрению, обсудим кое-какие детали физики столкновений материальных объектов, играющие принципиально важную роль в анализе явления аннигиляции. Поэтому разберем соударение тел немного подробнее, чем это делается обычно.
Как известно, столкновением называют взаимодействие не менее двух материальных объектов, которое происходит при их непосредственном контакте в малой области пространства (в случае шарообразной формы сталкивающихся тел) в течение чрезвычайно короткого промежутка времени. Хотя столкновением, конечно, можно считать и любое взаимодействие на расстоянии, осуществляемое посредством поля, но пока ограничимся контактным вариантом этого процесса.
Известно также, что удар может быть упругим или неупругим, в соответствии с характером изменения внутренней энергии тел при их столкновении. Если внутренняя энергия при этом изменяется (тела немного нагреваются), то столкновение называется неупругим. В противном случае, столкновение упругое.
Упругое столкновение макроскопических объектов в чистом виде, когда их внутренняя энергия абсолютно не изменяется после удара, в реальности не наблюдается. Какая-то часть кинетической энергии обязательно превращается во внутреннюю энергию. Однако в мире элементарных частиц реализация чисто упругого удара возможна. Частицы после такого столкновения разлетаются, без какого-то ни было изменения их внутренней энергии. Такая возможность реализуется благодаря дискретности энергии, уже достаточно заметной на уровне микромира, а также тому, что являясь объектами, не обладающими структурой, частицы не обладают и внутренней энергией в ее обычном понимании. В ходе их упругого столкновения изменения затрагивают исключительно кинетическую энергию частиц, без частичного или полного ее перехода в какую-либо другую форму. Чтобы подчеркнуть эту особенность, подобные столкновения называют абсолютно упругими.
При неупругом столкновении, энергия сталкивающихся объектов может изменить свою кинетическую форму, полностью расходуясь на переход объектов в возбужденное состояние или даже на их превращение в другие объекты. Этой способностью обладают только объекты уровня элементарных частиц, и она связана с понятием абсолютно неупругого столкновения.
Проанализируем процесс столкновения частиц с учетом влияния на характер его протекания гармонической переменности их масс, о которой шла речь в статье о согласованности этой переменности с состоянием одновременности существования объектов и происходящих с ними событий («Повесть о том, как Альберт Эйнштейн «поссорился» с Нильсом Бором»).
С этих позиций утверждение о том, что упругому столкновению частиц, для которых оно является абсолютным, соответствует ситуация, когда в момент соприкосновения частиц их массы одновременно проходят через свои критические значения, приобретает основополагающее значение. В этом случае частицы существуют друг относительно друга, синхронно проявляя свое существование, и их касание представляет собой типичный упругий удар со всеми вытекающими из него последствиями: наблюдается разлет тех же самых частиц, но с изменившимися скоростями.
Если же момент соприкосновения приходится на какое-либо значение времени из интервала Δt между моментами соответствующими критическими значениями их масс, в течении которого частицы не способны взаимодействовать, то вместо касания и отскока происходит их взаимное проникновение друг в друга. То есть имеет место абсолютно неупругий «удар», последствия которого для частиц оказываются намного интереснее результата упругого столкновения. Это уже оказывается даже не «слипание» сталкивающихся объектов, а их «слияние», характеризующееся настолько интенсивным взаимодействием, что его результатом, помимо изменения скорости перемещения, является изменение массы этих объектов. В микромире именно таким образом частицы одного типа и превращаются в частицы других типов.
Прежде, чем продолжить, сделаю одну важную оговорку. Понимая, что наверняка буду обвинен в «смертном грехе», которым, по мнению большинства, является предельно примитивное представление элементарных частиц твердыми шарами конечных размеров, я, тем не менее, буду использовать эту, «запрещенную» и совершенно чуждую квантовой механике, и науке в целом, модель. И сделаю это по очень простой причине. Подобные почти классические представления позволяют, без привлечения какой бы там ни было «мистики» (типа роли наблюдателя, или существования запутанных состояний квантовых объектов и т. п.), доступно и понятно описать все те «чудеса», которыми так легко и беззаботно оперирует квантовая теория.
Вообще говоря, проект разработки графических моделей фундаментальных элементарных частиц (протона, электрона, нейтрино и фотона), выступающих в качестве «деталей» некоего виртуального геометрического конструктора, был анонсирован и стартовал еще в прошлом году (статьи из серии «Братство кольца.*»). Однако реализовать этот проект удалось пока только частично.
В ходе рассмотрения основных задач из раздела оптики использовались модельные геометрические представления исключительно о фотонах.
Во время работы над проектом выяснилось, что координатная плоскость «пространство-вещество» (x; μ) модифицированного 5‑тимерного мира Калуцы идеально подходит для геометрического моделирования, как самих физических объектов, так и для наглядного представления происходящих с ними событий и процессов, участниками которых являются изображаемые объекты.
Напомню, что с учетом гармонического характера изменения массы объекта, в роли его геометрического образа (или переходного объекта между понятием и ощущением, если использовать терминологию Сеймура Пейперта), в предлагаемой здесь модели, выступает фигура известная как кольцо. Такой выбор позволяет непротиворечивым образом графически представить на плоскости и в пространстве те или иные события, происходящие с наблюдаемыми объектами, то есть кольцо выбрано из соображений соответствия его геометрических свойств характеру поведения реальных объектов. В частности, кольцо изображающее протон или электрон можно представить себе вот так:
Кольцо, центр которого находится в точке <a>, касается оси <X> в точке <O>, не пересекая эту ось, поскольку масса считается исключительно положительной величиной. Внутренний радиус кольца (отрезок ab) равен амплитуде изменения массы моделируемого объекта: r1 = M, а внешний радиус (отрезок ac) равен среднему значению его массы: r2 = μ0. Тогда следующее аналитическое выражение для массы объекта с указанными параметрами, будет описывать вращение внутреннего радиуса r1 в ходе качения кольца по оси <X>, моделируя процесс изменения массы данного объекта с течением времени в координатной плоскости «вещество-время» (μ; t):
Также моделируется и синхронный процесс переноса изменения массы указанного объекта в пространстве в другой координатной плоскости (μ; x):
То есть перемещение объекта сопровождает его волна де Бройля, приобретающая, таким образом, реальный физический смысл (T – период изменения массы, k – волновой вектор, λ – длина волны де Бройля):
И это уже не пакетированная «волна-пилот», и тем более, не размазанная по всему пространству «волна вероятности», переносящие частицу и управляющие ее эволюцией, а реальная волна особого типа (подробности в статье «Волна-призрак»). Она неразрывно связана с частицей, которая сама, без участия других частиц (среды), формирует такую «квантовую» волну, перенося ее собой, а не наоборот. Так, для геометрической модели фотона идентифицирующим признаком служит равенство нулю среднего значения его массы (μ0 = 0), функции которого переходят к величине, представляющей собой амплитуду изменения массы этой частицы (M):
Модель нейтрино учитывает равенство среднего значения его массы ее амплитудному значению (μ0 = M; признак, идентифицирующий эту частицу):
Что касается уже опробованной модели фотона, то, конечно, не мне судить об успешности и убедительности предложенного подхода к интерпретации оптических явлений (подборка статей автора «Интерпретация оптических явлений»). И все же, я готов предпринять новую попытку демонстрации продуктивности этой концепции на примере еще нескольких хорошо известных физических явлений, происходящих также и с другими элементарными частицами. В первую очередь, попробуем интерпретировать процесс аннигиляции частиц и античастиц вещества, но сделаем это несколько позже.
Дочитавшим этот, не буду лукавить, весьма спорный текст до конца, предлагаю немного отдохнуть, поскольку продолжение получится, скорее всего, столь же неоднозначным для восприятия. Тем не менее, надеюсь, что новые статьи, посвященные уже непосредственно явлению аннигиляции и вообще взаимопревращениям элементарных частиц, будут достаточно интересными не только моим возможным «попутчикам», но и непримиримым оппонентам, а может быть даже и «мирным» гуманитариям, которые забрели на мой канал случайно.
NB От всей души поздравляю всех оставшихся верными Ньютону последователей корпускулярной теории света с наступлением «праздника и на нашей улице» - недавним экспериментальным(!) опровержением одного из самых ехидных аргументов сторонников его волновой природы. Гюйгенс сформулировал этот аргумент приблизительно так: два луча света, пересекаясь, совершенно беспрепятственно пронизывают друг друга, тогда как в потоках излученных частиц неизбежны их столкновения друг с другом. Говоря другими словами, раз луч света не дает тени, значит он не может быть потоком частиц.
А вот и фигушки!
В ноябре 2024 года группа канадских и американских ученых опубликовала статью, в аннотации которой они в частности пишут: «…мы показали, что лазерный луч ведет себя как [непрозрачный] объект - он отбрасывает тень на поверхность [экрана], когда этот луч освещается другим источником света. Мы наблюдали обычную тень в том смысле, что ее можно увидеть невооруженным глазом … Мы экспериментально измерили зависимость контраста [освещенности области] тени от мощности [освещаемого] лазерного луча, обнаружив максимум примерно в 22%, аналогичный контрасту [освещенности в] тени дерева в солнечный день».