Эту виртуальную беседу, предполагаемым объемом в три-пять статей, начнем
с представления ее «главных героев», уже много лет не покидающих страницы многочисленных книг и научных журналов, посвященных физике микромира.
В готовящихся публикациях речь пойдет об истинно элементарных (или, как их еще иногда называют, фундаментальных) частицах (ФЧ). Помимо ознакомления с некоторыми базовыми сведениями из области физики частиц, рассмотрим также и возможности образного представления процессов их существования и эволюции во времени и пространстве.
Созданные графические модели ФЧ планируется использовать в дальнейшем в качестве «деталей», своего рода, виртуального геометрического конструктора для демонстрации и анализа некоторых физических явлений и процессов.
Согласно, так называемой, Стандартной модели, все еще занимающей доминирующее положение в физике микромира, науке известно о существовании не более двадцати пяти видов фундаментальных частиц, включая образующие их элементарные объекты более глубокого уровня - кварки и глюоны всевозможных типов. Учет признака стабильности существования частиц уменьшает это количество ровно вполовину. И, наконец, не лишенные оснований сомнения в справедливости кварковой модели элементарных частиц делают количество видов фундаментальных частиц равным четырем: это – фотоны, нейтрино, электроны и протоны. Если признать реально существующим еще и гравитон, то таких частиц станет пять, но вряд ли их потребуется больше для того, чтобы обеспечить все имеющееся многообразие окружающего нас мира, ведь Природа очень экономна в своих проявлениях.
Итак, свободные протоны, электроны и нейтрино представляют собой специфический «строительный материал для изготовления» частиц вещества, сами по себе таковыми не являясь. В частности, из связанных сильным взаимодействием нуклонов «изготавливаются» ядра атомов, которые уже можно считать частицами вещества. Нуклонами называют электрически положительно заряженные протоны, и чуть более тяжелые, электрически нейтральные нейтроны. Нейтроны не относят к ФЧ, так как в свободном состоянии они являются нестабильными частицами, хотя и с гигантским, по меркам микромира, временем жизни (примерно 17 мин). Протоны и нейтроны, образующие ядра атомов, существуют в режиме постоянного взаимопревращения друг в друга, происходящего с огромной частотой (~10^23 раз за 1 секунду).
Из ядер и значительно более легких отрицательно заряженных электронов, в количестве, соответствующем количеству образующих ядро протонов, состоят атомы химических элементов. Электроны связанны с протонами ядра электромагнитным взаимодействием.
Фотоны являются частицами излучения, обеспечивающими частицам вещества возможность взаимодействия на расстоянии. Взаимодействие реализуется посредством полей, через обмен частицами-переносчиками, соответствующими типу взаимодействия. Фотоны, как раз, передают электромагнитное взаимодействие.
При создании образного представления четырех ФЧ будем опираться на лежащее в основе всей рассматриваемой концепции предположение о гармонической переменности гравитационной массы каждой из них:
Индекс i, принимающий значения от 1 до 4, идентифицирует частицу:
1 – фотон (γ)
2 – нейтрино (ν)
3 – электрон (e)
4 – протон (p)
μi0 – среднее, фиксируемое измерением, значение массы частицы;
Mi– амплитуда «колебаний» массы частицы;
ωi – циклическая частота «колебаний» массы частицы;
φi0 – начальная фаза «колебаний» массы частицы.
Как уже было установлено ранее (Масса Часть7 Ось координат),
в координатных плоскостях пятимерного многообразия материальные объекты изображаются окружностями.
В предлагаемой к рассмотрению концепции образное представление частиц уточняется, и становится понятным, почему на рисунке расположение окружностей, изображающих нейтрино и фотон, отличается от размещения окружностей протона и электрона. Модель каждой из фундаментальных частиц, за исключением нейтрино и фотона, представляет собой не окружность, а построена из двух окружностей, то есть, изображается в виде кольца определенных размеров. Окружность, соответствующая изображаемой частице уровня i имеет наибольший радиус, равный среднему значению ее массы. Затем идет окружность, соответствующая частице предыдущего уровня j = i– 1 меньшего радиуса (меньшей массы), далее окружность, соответствующая частице уровня g = i – 2 и, наконец, последняя – уровня q = i – 3. Из последовательных пар этих окружностей и состоят геометрические образы частиц.
Построение моделей начнем с самой тяжелой фундаментальной частицы - протона (i = 4), предварительно допустив, что амплитудное (Mi) и среднее (μi0) значения массы частицы уровня i обратно пропорциональны друг другу (εj – коэффициент пропорциональности, тождественно совпадающий с амплитудным значением массы частицы предыдущего уровня j):
То есть, в силу определенных причин, которые выяснятся несколько позже, справедливо следующее утверждение: чем частица тяжелее, тем амплитуда изменения ее массы меньше, и наоборот. Однако эта величина не может, ни обратиться в ноль, причем, не только по определению, но и в силу конечности массы, ни устремиться к бесконечности, что имело бы место при условии обращения в ноль среднего значения массы. Поэтому амплитуда изменения массы частицы уровня i должна удовлетворять указанному ниже неравенству:
Для протона принятое допущение и заданные ограничения конкретизируются:
и, в координатной плоскости «вещество (kμ) – время (ct)», протон можно будет изобразить в виде вот такого кольца:
Внутренняя окружность этого кольца (керн моделируемой частицы) имеет радиус Mp (амплитуда изменения массы протона). На рисунке этот радиус сильно увеличен. По сравнению с внешней окружностью, радиус которой равен среднему значению массы протона (μp0 >> Mp), внутренняя окружность это практически точка, но конечных, и не равных нулю размеров.
Эволюции материальных объектов в координатной плоскости «вещество-время» <kμ, ct> соответствует качение кольца, изображающего объект.
В рассматриваемом случае, в ходе качения протонного кольца по оси абсцисс, его внутренняя окружность, в свою очередь, катится по направляющей линии
μ = μp0 - Mp, вычерчивая синусоиду, визуализирующую процесс гармонического изменения массы протона.
В промежутке между указанными окружностями находится еще одна окружность (на рисунке она изображена пунктиром и ее радиус тоже сильно увеличен), радиус которой Mj фигурирует в выражении, связывающем амплитуду изменения массы частицы уровня i (Mi) с ее средним значением (μi0). Для протона радиус этой окружности, выполняющей в рассматриваемой модели вспомогательную, но очень важную функцию, равен амплитудному значению массы электрона (Me).
Что же это за функция и почему она имеет статус «очень важной» функции? Дело в том, что в выражении, связывающем амплитудное и среднее значения массы частицы уровня i, и записанном чуть иначе, чем предыдущее выражение:
легко распознается аналитическое описание хорошо известной математической операции гиперболической инверсии относительно окружности, радиус которой равен, в нашем случае, величине Mj.
Напомню, что по определению, операция инверсии относительно окружности радиуса r представляет собой отображение плоскости окружности, с исключенной точкой ее центра (O), на себя, при котором всякая точка M отображается в точку M' так, что при этом выполняются два условия:
1. Точка M' принадлежит лучу OM(такую инверсию называют гиперболической);
2. Произведение длин отрезков OM (в нашем случае это амплитуда массы протона Mp) и OM' (среднее значение массы протона μp0) равно квадрату радиуса окружности инверсии (амплитуда массы электрона Me):
Таким образом, можно считать модель протона геометрическим объектом, который образовался в результате инверсии множества отображаемых точек кольца ограниченного внутренней окружностью протонного кольца и окружности инверсии радиусом Me и последующего объединения этой области с кольцом, сформировавшемся из множества отображенных согласно операции инверсии точек и ограниченным снаружи окружностью радиусом μp0.
И, наконец, в завершение выскажу надежду на то, что использование операции гиперболической инверсии, и изложенный здесь же способ визуализации процесса гармонического изменения массы частиц, позволили в какой-то мере оправдать постулирование обратной пропорциональности амплитуды и среднего значения массы частиц, предпринятое в самом начале, казалось бы, просто «от фонаря».
