Дискуссия с Антоном Липовкой о различных пространствах, их дискретных элементах и взаимодействиях
Антон Липовка anton_lipovka является одним из теоретиков-физиков, которому удалось, можно сказать, решить задачу века: соединить величину расширения нашей Вселенной с её микроскопическими свойствами, определяемыми величиной кванта действия h, известного под именем постоянной Планка. К сожалению, у нас с Антоном оказались разные, даже противоположные взгляды на его достижение. Он считает, что со временем расширение Вселенной может измениться и вместе с этим изменится величина фундаментальной константы h. Я же считаю, что его работа некоторым образом доказывает мою идею о дискретном устройстве нашего мира на основе кванта действия в качестве универсального "строительного блока".
Наши расхождения с Липовкой проявляются не только в этом. Во всей остроте они проявились недавно в одном из сообщений его блога, связанного с объявлением о предстоящем семинаре on-line известного учёного и его друга Бориса Васильевича Васильева. Который, в частности, предполагал обсудить на семинаре обмен электронами между нейтронами и протонами в ядре. С чем я был категорически не согласен, и на основе чего разгорелась горячая дискуссия. Чтобы ответить на последние обширные замечания Липовки, мне пришлось дать ещё более обширные ответы, которые в силу своей важности и величины потребовали создание отдельного поста. Который я здесь и представляю.
[Spoiler (click to open)]
Простым ответом на Ваши возражения, похоже, не отделаешься.) Впору писать отдельную статью на эту тему. Но я всё же попробую ещё раз более подробно объяснить свою позицию не столько для того, чтобы переубедить Вас, сколько для уверенности в своей правоте.
Итак, Ваши основные вопросы и возражения, что я вынес из Ваших последних двух комментариев.
1. Мы не знаем, что такое ЭМ поле и тем более ЭМ пространство. В связи с этим возникает вопрос: Как Вы собираетесь описывать взаимодействие того, чего не знаете хорошо (ЭМ пространства) с тем, чего не знаете вовсе (ядерное пространство)?
2. Мне не вполне ясно что Вы имеете ввиду, когда говорите ЭМ пространство? Насколько я знаю, в ОТО силы гравитации отождествляются с искажениями метрики, безотносительно того имеется там ЭМ поле или нет. Более того, ЭМ поле вводится в действие руками уже постфактум. Не ясно, зачем огород городить, если ЭМ взаимодействие уже есть (по Вашему мнению - везде) - бери и пользуйся!?
- Могу согласиться с тем, что мы до сих пор не знаем, что такое пространство, хотя уже готовы вводить для него метрику, искажения которой позволяют судить нам о силе гравитационного взаимодействия. И для существования такого пространства нам не требуется ЭМ поле, которое вводится дополнительно (ручками) для того, чтобы по-вашему объяснить все остальные взаимодействия. Идиллическая картина, не правда ли? Почти как в самом начале прошлого века, когда лорд Кельвин говорил, что на ясном небе науки физики остались только две небольшие тучки.
- Но могу и возразить, что уже завершается первая четверть века нынешнего, а основные проблемы физики так и не решены, хотя "тучки" Кельвина нашли своё объяснение. К основным проблемам физики по-прежнему относится нерешенный вопрос "Что такое Пространство и что такое Время?" Плохо или хорошо это получается, но я как раз пытаюсь ответить на этот первостепенный вопрос.
- Что же такое пространство, и не просто какое-то абстрактное, а физическое пространство, наполненное уже известными, а может и неизвестными пока элементами, взаимодействующими друг с другом? Понять, что это такое, нам помогают известные состояния вещества. С одной стороны, это - твёрдое тело, жидкость и газ, а с другой стороны - одиночные молекулы в разреженном газе, в них отдельные атомы, у которых можно наблюдать отдельные электроны и ядро. Но видеть и знать, это всё-таки разные вещи, и чтобы двигаться дальше, нам нужно делать какие-то разумные предположения (гипотезы) и принимать их в качестве постулатов (истины). До сих пор в качестве постулата Пространства принималась некая математическая абстракция в виде множества точек, обладающая свойствами меры. Которая позволяла двум точкам множества обладать свойством расстояния между ними. После введения дополнительного постулата о постоянстве скорости света стало возможным добавить к расстоянию между точками множества ещё и такую характеристику как время, необходимое свету для преодоления этого расстояния.
- Многих такая абстракция не устраивает, но что можно предложить взамен? Какие физические понятия положить в основу того, что может сопровождать и составлять суть наблюдаемых нами явлений, которые, как мы считаем, происходят в этом пространстве? Мы, в свою очередь, полагаем, что упомянутые выше частицы, из которых состоит вещество - нуклоны в ядре и электроны в атомах, как раз и являются дискретными элементами одного довольно специфического пространства, которое мы называем ядерным. Элементами другого не менее фундаментального пространства мы считаем фотоны.
- Естественным образом возникают справедливые вопросы, как из отдельных фотонов составить окружающее нас непрерывное, как нам кажется, пространство, а из отдельных нуклонов получить пространство ядра? Дополнительно к этому, как с использованием электронов получить пространство атома, из атомов получить молекулы, а из тех и других получить пространство внутри кристалла, жидкости и даже газа?
- Непростые вопросы, но на многие из них уже есть ответы. Первое, на что нужно обратить внимание, это какой мерой будут обладать пространства, составленные из отдельных элементов, каков "размер" этих элементов и как будет осуществляться само "строительство"? Сразу оговоримся, что универсальным "размером" строительного кирпичика каждого из пространств у нас будет квант действия, равный постоянной Планка h. Это, естественно, гипотеза, но она имеет под собой реальные и веские основания. Таким образом, окружающее нас пространство, в котором расположено все остальное, наблюдаемое нами, должно быть скорее всего финслеровым, так как в соответствии с размерностью своих элементов мерой такого пространства должно быть выбрано именно действие. Для справки можно посмотреть доклад В. Жотикова, выполненный в виде слайдов. Реальными физическими элементами этого пространства мы будем считать фотоны, представляющие собой как раз квант действия h=E·τ=p·λ, где E - энергия, p - импульс фотона, а τ и λ - его период (характерное время элемента) и длина волны (характерный размер), соответственно. И каждый раз, когда свет будет распространяться в таком пространстве, путь фотона будет состоять не только из последовательных элементов времени и длины, но и квантов действия тоже. Собственно на примере фотонов мы можем видеть, как из элементов действия появляются в этом пространстве, которое по праву должно называться электромагнитным, такие привычные нам элементы длины и времени. Которые из-за постоянства скорости света c всегда имеют между собой одно и то же соотношение, что отражается на стабильности окружающего нас мира.
- Возникает не менее естественный вопрос, а в чём собственно движутся фотоны, и как они могут быть элементами пространства, если они постоянно рождаются (излучаются) и также постоянно умирают (поглощаются)? Важно подчеркнуть, что фотоны представляют собой не просто, а всё-таки возбуждённые элементы пространства. Какими являются его невозбуждённые состояния, мы не знаем и узнать, похоже, не можем принципиально. Ведь, если бы мы хотели о них что-то узнать, нам пришлось бы их возбудить. Но кое в чём нам повезло. Существует одно пространство, которое появляется на наших глазах, и мы можем о нём кое-что узнать. А именно, это - плавление твёрдого кристалла. При плавлении у его элементов появляется одно дополнительное свойство. Оно состоит в том, что у этих элементов в новом пространстве (состоянии) появляется возможность вращаться, чего раньше не было. И как показывают эксперименты (академика Стишова), минимальная удельная энтропия, которая добавляется после плавления, как раз равняется k·ln2, что является обязательным условием для появления двухуровневой системы "1-0" или "вкл-выкл". Таким образом, нам остаётся довольствоваться только наблюдением за возбуждёнными фотонами, совершающими движение от места их рождения до места поглощения.
- Далее следует ответить на вопрос, почему фотоны, будучи бозонами, демонстрируют нам не призрачность волнового пространства, а скорее - его жесткость, которой славятся фермионы? Наблюдение за свойствами излучения хотя бы в экспериментальной модели "абсолютно черного тела" оказывается достаточным, чтобы воспринимать окружающее пространство в виде идеального газа фотонов, которые заполняют его всюду плотно, благодаря наличию энтропии у такого газа, что и учитывал Планк при выводе своей знаменитой константы в процессе разрешения проблемы ультрафиолетовой катастрофы, о которой тогда беспокоился лорд Кельвин. Отдельные фотоны мы в обычных условиях не различаем, и пространство поэтому нам кажется непрерывным. Характерный масштаб длины в пространстве фотонов, которое мы будем называть электромагнитным, нам задают находящиеся в нём материальные частицы, а точнее - атомы, из которых они состоят. В частности, за масштаб длины можно взять боровский радиус a0=ћ/m·c·α в атоме водорода (и он реально используется в этом качестве), где ћ=h/2π - константа Дирака, m - масса электрона, c - скорость света, α=e²/ћ·c - постоянная тонкой структуры (в системе СГСЭ).
- Что такое фотон, и какую связь он имеет с классическим электромагнитным излучением, описываемым уравнениями Максвелла? Никто не знает, что такое фотон, и как его можно было бы описать математически, например, в виде формулы. Существуют попытки представить фотон в виде волнового пакета, но они сразу же наталкиваются на серьёзное противоречие: волновой пакет со временем расплывается, а фотон - нет. Любители мучить себя и природу могут продолжать это делать, мы же подошли к этому с другой стороны. С некоторых пор мы пришли к выводу, что элементарные частицы - дискретные элементы своих пространств - нужно представлять топологически. Это необходимо, поскольку квант действия не имеет линейных размеров, пока не задан импульс частицы и, тем самым, не определена её де бройлевская "длина волны". Но даже в этом случае невозможно ничего узнать о частице внутри такой "волны". Гейзенберговская неопределённость не позволяет. Импульс и любые другие измеряемые характеристики принадлежат всей частице целиком. Мы в своём блоге уже несколько раз писали об этих элементах, и здесь только напомним некоторые вещи. Например, полуцелый спин электрона и подобных ему частиц - представителей ядерного пространства мы представляем как плоский вращающийся диск, в центре которого перпендикулярно плоскости диска расположен некий направленный отрезок - вектор, характеризующий момент импульса у диска в целом (интегрально) как ½ћ и направление его вращения. Электрический заряд электрона e и квант магнитного потока μ представляют собой единое целое в виде кванта действия h=e·μ, и как топологический элемент состоят из направленного магнитного потока в виде диска и его центральной точки, обладающей свойством положительного или отрицательного заряда. Этот заряд - величина скалярная, всегда строго постоянная и принимающая только два значения: +e и -e. Но направление магнитного потока в рамках кванта μ зависит от знака заряда e и оно может быть определено, когда задано (определено) направление движения заряда. В этом отношении можно сказать, что спин электрона, вернее - его проекция, тоже определяется, когда имеется (задано) некое выделенное направление. Третий топологический элемент для представителей ядерного пространства в пространстве электромагнитном нужен для описания их массы m и вызываемой ею кривизны окружающего электромагнитного пространства. Он представляет собой снова диск с точечной массой (напомним, что размеры "точки" на самом деле не определены), который соответствует некому потоку кривизны Ri такому, что h=m/Ri. С большой долей уверенности можно утверждать, что кривизна Ri соответствует кривизне окружности 1/r, а называться потоком она должна из соображений размерности кванта действия h. Уверенность в зависимости 1/r проистекает от закона классической гравитации Ньютона, также как ослабление 1/r магнитного поля при удалении от проводника с током соответствует закону Кулона для взаимодействующих зарядов. Заметим, что направление потока Ri не играет никакой роли, главное - чтобы он был. Этот поток оказывается скаляром и, как многие объекты квантового мира, не имеет классического аналога, но, тем не менее, оказывается классической гравитацией в пределе многих частиц. И, наконец, четвёртый топологический элемент оказывается единственным для самого электромагнитного пространства. Он описывает фотон и представляет собой то, что иногда называют "скрестили ежа с ужом". Имея в виду, что "скрестили" топологический элемент для спина с элементом, предназначенным для заряда и кванта магнитного потока. А именно - магнитный поток одного, зацепленный с потоком электрического смещения другого. Вместо дисков удобнее рассматривать кольца с потоками той же величины, расположенных перпендикулярно друг другу и составляющих вместе целый квант действия. Движение потока по одному кольцу возбуждает соответствующий поток по другому, так что при своём движении они образуют целую цепь из последовательных возбуждений пространства. Такое попеременное возникновение и исчезновение магнитного и электрического потока в зацепленных кольцах полностью соответствует поведению векторов магнитного и электрического поля в уравнениях Максвелла. Это может указывать на то, что в асимптотическом случае большого числа когерентных фотонов их движение может представлять собой классическую электромагнитную волну, для описания которой использование математического аппарата уже не представляет особых трудностей.
- Можно было бы продолжить здесь описание того, как из представленных четырёх элементов возникают другие пространства, но на примере электромагнитного становится ясно, что на это понадобится очень много слов. Что для дискуссии в виде ответов на вопросы будет явно чрезмерным. Поэтому приглашаю желающих узнать об этом больше пробежаться по сообщениям прошлого года в моём блоге, где можно найти много интересного.
3. Утверждение, что "пространство внутри ядра не является продолжением окружающего нас пространства, и в нём не могут существовать электромагнитные взаимодействия", является совершенно убойным. 1) Оно не доказано. 2) Оно противоречит опыту существующего естествознания. 3) Самый главный аргумент (бритва Оккама) - зачем вводить что-то зубодробильное (новое пространство), если всё можно объяснить простой электродинамикой?
- 1) Мы ничего не можем доказать окончательно. Ни Вы, ни я. Мы обречены жить каждый при своём мнении.
- 2) Мои представления также основаны на опытных данных, как и Ваши. И тем не менее, они противоречат друг другу. Мой завлаб как-то произнёс: "Нет ничего в этом мире, что я не мог бы объяснить. Потом перевернуть всё с ног на голову и снова объяснить, но уже по-другому". Поэтому ни одно "объясняющее" мнение не может противоречить тому, что оно "успешно" объясняет. Только одно мнение - другому.
- 3) Бритва Оккама ни при чём. Мы придумываем новые понятия, когда не хватает старых. Об этом свидетельствует вся история нашей науки физики. У меня всё началось, когда я не смог объяснить на основе существующих представлений тепловое расширение вещества в конденсированном состоянии - твёрдом и жидком. В частности - что представляет собой низкоэнергетическое тепловое возбуждение электронов в атомах. А потом пошло-поехало: надо было объяснять необратимость времени при стремлении термодинамической системы к равновесию, природу самого времени и сопряженного с ним пространства. Далее - природу заряда, массы и спина частиц, как и то, зачем для достижения равновесия системы бозоны и фермионы так необходимы друг другу. Всё это невозможно объяснить одной классической электродинамикой. А принципиально иное пространство внутри ядра мне понадобилось вводить для того, чтобы объяснить "зоопарк" элементарных частиц с других позиций, чем это делает Стандартная Модель. В которой тоже достаточно необъяснённых вещей. Я же всё делаю с единых позиций на основе кванта действия и некоторых дополнительных гипотез. Такая вот "Теория Всего" получается.
4. Почему же электрон не может существовать внутри ядра? Какие проблемы? Легко может, только скорости у него будут ультрарелятивисткие.
- К утверждению об отсутствии электронов внутри ядра меня подталкивает тот экспериментальный факт, что электроны никогда из него не вылетают. Вылетают, например, высокоэнергетические отрицательные пионы, которые распадаются на мюоны меньших энергий и только потом последние распадаются на электроны. Откуда я делаю вывод, что внутри ядра просто невозможны состояния с низкими энергиями, подобные электрону.
5. Я не вижу необходимости нуклонам (в ядре) обмениваться чем-либо, даже если они движутся. ЭМ поля вполне хватает для обмена. (Фононы в кристаллах тоже не очень нужны. Они пропадают при абсолютном нуле, а атомы никуда не деваются.)
- В любой системе обмен энергией между движущимися частицами нужен для достижения термодинамического равновесия. Причём - наиболее быстрым способом. Просто обмена фотонами для этого недостаточно, хотя он тоже имеет место для всех нагретых тел. В твёрдых телах основную роль играют фононы, хоть они и пропадают при абсолютном нуле температуры. Просто при таком нуле вообще обмениваться нечем, даже ЭМ излучением. В жидкости к фононам добавляются вращательные движения составляющих жидкость структурных элементов, которые в условиях градиента температуры или наличия силы тяжести объединяются в конвективные потоки, наиболее успешно переносящие тепло. В газе основное тепло передаётся за счёт столкновения атомов и молекул друг с другом. Так и в ядре: нуклоны явно обладают далеко не нулевой энергией и просто обязаны чем-то обмениваться друг с другом, чтобы находиться в термодинамическом равновесии. Пусть это будут пионы или что-нибудь ещё, если мы со временем узнаем больше о внутренних движениях нуклонов. Но ни электронов, как обсуждалось выше, ни фотонов там быть не может. Просто для электромагнитных волн, как считал Пуанкаре, идеально подходит именно трёхмерное пространство, которого в ядре нет. Иначе мы хотя бы иногда могли наблюдать вылет высокоэнергетических фотонов из ядра.
6. Напомню, что кварки - "технические" частицы, введённые для удобства описания в рамках конкретной модели, смысл которой никто не понимает. Не более того. При этом они (кварки) не наблюдаются. Как и фононы - такие же "технические" частицы, позволяющие описывать что-то в рамках "кривой" модели, но ровно до тех пор, пока не возникнет нормальная модель.
- Если не выходить за рамки математической модели и не искать физического смысла описываемых явлений, то да - все частицы будут восприниматься как "технические". Но если мы хотим понять, почему в экспериментах по рассеянию электронов протоны ведут себя как состоящие из трёх центров, мы будем пытаться объяснить эти центры тремя разными частицами, даже если нам никогда не удаётся разделить эти частицы и увидеть их поодиночке. Если для объяснения "зоопарка" вылетающих из ядра элементарных частиц нам потребуется три кварка для образования фермионов и два - для бозонов, да ещё трех разных поколений по три кварка, мы будем думать о них как о реальных частицах. И неважно, как при этом мы их будем называть: кварки или иначе. А насчёт "кривой" модели - мы действительно подождём появления "нормальной". И только после этого решим, как нам относиться к кваркам.
7. Чтобы применить принцип наименьшего действия, надо сначала это самое действие написать из каких-то соображений. Если Вы его постулируете, то получите некую модель, смысл которой будет неясен (пример - КМ).
- У нас уже есть квант действия, равный постоянной Планка h. И не нужно для него ничего постулировать. Остаётся показать, как этот квант участвует в установлении кратчайшего пути и минимального времени при движении свободной частицы. Для фотона мы это показали выше при ответе на первые два Ваших вопроса. Для де бройлевской частицы это можно сделать аналогично, если нас интересует минимальное время. Для кратчайшего пути это будет сделать посложнее, но тоже можно. Могу также добавить, что рассмотрение суммы кратчайших времён между столкновениями частиц идеального газа позволило нам выяснить физический смысл энтропии такого газа и связь её максимального значения с принципом наименьшего действия. О чём также говорилось ранее в сообщениях моего блога.
8. Вы путаете реальность и её описание. Пример: моделируем реальность на экране телевизора. Да, в самом деле на экране реальность имеет пиксельную структуру. Да, нам кажется что пространство разбито на пиксели, однако это не значит, что реальность так же пиксельна. Если мы вдруг потребуем от Природы такой пиксельности, мы тут же обнаружим безумные расходимости, поскольку для того, чтобы мгновенно перекинуть частицу с одного пикселя на соседний нам понадобится бесконечная энергия.
- Я допускаю, что реальность Природы не такая пиксельная, как на экране телевизора. Она другая, но тоже дискретная, поскольку состоит из квантов действия. Никакого вреда в плане расходимостей эта дискретность нанести не может. Наоборот, у нас никогда не будет вычислений с величинами, близкими к нулю в знаменателе дроби, из-за конечности расстояний (правда, неизвестных точно), задаваемых квантом действия. Как не будет и расходимостей, связанных с бесконечным числом членов суммируемого ряда, поскольку число этих членов всегда конечно. Переход от одного дискретного элемента пространства к соседнему путём его возбуждения всегда будет происходить с конечной скоростью, не превышающей скорости света c в бозонном пространстве и скорости c·α в пространстве фермионов.
9. Как Вы будете искажать пространство, если оно у Вас дискретно? Тут надо бы определиться. Или - или.
- Ну, в чём же тут проблема? Пространство будет искажаться тем же самым образом, как оно возбуждается при движении частиц: от одного элемента к соседним. И происходить это будет со скоростью, не превышающей максимальную в данном типе пространства.
Искренне ваш, Дулин Михаил.
Наши расхождения с Липовкой проявляются не только в этом. Во всей остроте они проявились недавно в одном из сообщений его блога, связанного с объявлением о предстоящем семинаре on-line известного учёного и его друга Бориса Васильевича Васильева. Который, в частности, предполагал обсудить на семинаре обмен электронами между нейтронами и протонами в ядре. С чем я был категорически не согласен, и на основе чего разгорелась горячая дискуссия. Чтобы ответить на последние обширные замечания Липовки, мне пришлось дать ещё более обширные ответы, которые в силу своей важности и величины потребовали создание отдельного поста. Который я здесь и представляю.
[Spoiler (click to open)]
Простым ответом на Ваши возражения, похоже, не отделаешься.) Впору писать отдельную статью на эту тему. Но я всё же попробую ещё раз более подробно объяснить свою позицию не столько для того, чтобы переубедить Вас, сколько для уверенности в своей правоте.
Итак, Ваши основные вопросы и возражения, что я вынес из Ваших последних двух комментариев.
1. Мы не знаем, что такое ЭМ поле и тем более ЭМ пространство. В связи с этим возникает вопрос: Как Вы собираетесь описывать взаимодействие того, чего не знаете хорошо (ЭМ пространства) с тем, чего не знаете вовсе (ядерное пространство)?
2. Мне не вполне ясно что Вы имеете ввиду, когда говорите ЭМ пространство? Насколько я знаю, в ОТО силы гравитации отождествляются с искажениями метрики, безотносительно того имеется там ЭМ поле или нет. Более того, ЭМ поле вводится в действие руками уже постфактум. Не ясно, зачем огород городить, если ЭМ взаимодействие уже есть (по Вашему мнению - везде) - бери и пользуйся!?
- Могу согласиться с тем, что мы до сих пор не знаем, что такое пространство, хотя уже готовы вводить для него метрику, искажения которой позволяют судить нам о силе гравитационного взаимодействия. И для существования такого пространства нам не требуется ЭМ поле, которое вводится дополнительно (ручками) для того, чтобы по-вашему объяснить все остальные взаимодействия. Идиллическая картина, не правда ли? Почти как в самом начале прошлого века, когда лорд Кельвин говорил, что на ясном небе науки физики остались только две небольшие тучки.
- Но могу и возразить, что уже завершается первая четверть века нынешнего, а основные проблемы физики так и не решены, хотя "тучки" Кельвина нашли своё объяснение. К основным проблемам физики по-прежнему относится нерешенный вопрос "Что такое Пространство и что такое Время?" Плохо или хорошо это получается, но я как раз пытаюсь ответить на этот первостепенный вопрос.
- Что же такое пространство, и не просто какое-то абстрактное, а физическое пространство, наполненное уже известными, а может и неизвестными пока элементами, взаимодействующими друг с другом? Понять, что это такое, нам помогают известные состояния вещества. С одной стороны, это - твёрдое тело, жидкость и газ, а с другой стороны - одиночные молекулы в разреженном газе, в них отдельные атомы, у которых можно наблюдать отдельные электроны и ядро. Но видеть и знать, это всё-таки разные вещи, и чтобы двигаться дальше, нам нужно делать какие-то разумные предположения (гипотезы) и принимать их в качестве постулатов (истины). До сих пор в качестве постулата Пространства принималась некая математическая абстракция в виде множества точек, обладающая свойствами меры. Которая позволяла двум точкам множества обладать свойством расстояния между ними. После введения дополнительного постулата о постоянстве скорости света стало возможным добавить к расстоянию между точками множества ещё и такую характеристику как время, необходимое свету для преодоления этого расстояния.
- Многих такая абстракция не устраивает, но что можно предложить взамен? Какие физические понятия положить в основу того, что может сопровождать и составлять суть наблюдаемых нами явлений, которые, как мы считаем, происходят в этом пространстве? Мы, в свою очередь, полагаем, что упомянутые выше частицы, из которых состоит вещество - нуклоны в ядре и электроны в атомах, как раз и являются дискретными элементами одного довольно специфического пространства, которое мы называем ядерным. Элементами другого не менее фундаментального пространства мы считаем фотоны.
- Естественным образом возникают справедливые вопросы, как из отдельных фотонов составить окружающее нас непрерывное, как нам кажется, пространство, а из отдельных нуклонов получить пространство ядра? Дополнительно к этому, как с использованием электронов получить пространство атома, из атомов получить молекулы, а из тех и других получить пространство внутри кристалла, жидкости и даже газа?
- Непростые вопросы, но на многие из них уже есть ответы. Первое, на что нужно обратить внимание, это какой мерой будут обладать пространства, составленные из отдельных элементов, каков "размер" этих элементов и как будет осуществляться само "строительство"? Сразу оговоримся, что универсальным "размером" строительного кирпичика каждого из пространств у нас будет квант действия, равный постоянной Планка h. Это, естественно, гипотеза, но она имеет под собой реальные и веские основания. Таким образом, окружающее нас пространство, в котором расположено все остальное, наблюдаемое нами, должно быть скорее всего финслеровым, так как в соответствии с размерностью своих элементов мерой такого пространства должно быть выбрано именно действие. Для справки можно посмотреть доклад В. Жотикова, выполненный в виде слайдов. Реальными физическими элементами этого пространства мы будем считать фотоны, представляющие собой как раз квант действия h=E·τ=p·λ, где E - энергия, p - импульс фотона, а τ и λ - его период (характерное время элемента) и длина волны (характерный размер), соответственно. И каждый раз, когда свет будет распространяться в таком пространстве, путь фотона будет состоять не только из последовательных элементов времени и длины, но и квантов действия тоже. Собственно на примере фотонов мы можем видеть, как из элементов действия появляются в этом пространстве, которое по праву должно называться электромагнитным, такие привычные нам элементы длины и времени. Которые из-за постоянства скорости света c всегда имеют между собой одно и то же соотношение, что отражается на стабильности окружающего нас мира.
- Возникает не менее естественный вопрос, а в чём собственно движутся фотоны, и как они могут быть элементами пространства, если они постоянно рождаются (излучаются) и также постоянно умирают (поглощаются)? Важно подчеркнуть, что фотоны представляют собой не просто, а всё-таки возбуждённые элементы пространства. Какими являются его невозбуждённые состояния, мы не знаем и узнать, похоже, не можем принципиально. Ведь, если бы мы хотели о них что-то узнать, нам пришлось бы их возбудить. Но кое в чём нам повезло. Существует одно пространство, которое появляется на наших глазах, и мы можем о нём кое-что узнать. А именно, это - плавление твёрдого кристалла. При плавлении у его элементов появляется одно дополнительное свойство. Оно состоит в том, что у этих элементов в новом пространстве (состоянии) появляется возможность вращаться, чего раньше не было. И как показывают эксперименты (академика Стишова), минимальная удельная энтропия, которая добавляется после плавления, как раз равняется k·ln2, что является обязательным условием для появления двухуровневой системы "1-0" или "вкл-выкл". Таким образом, нам остаётся довольствоваться только наблюдением за возбуждёнными фотонами, совершающими движение от места их рождения до места поглощения.
- Далее следует ответить на вопрос, почему фотоны, будучи бозонами, демонстрируют нам не призрачность волнового пространства, а скорее - его жесткость, которой славятся фермионы? Наблюдение за свойствами излучения хотя бы в экспериментальной модели "абсолютно черного тела" оказывается достаточным, чтобы воспринимать окружающее пространство в виде идеального газа фотонов, которые заполняют его всюду плотно, благодаря наличию энтропии у такого газа, что и учитывал Планк при выводе своей знаменитой константы в процессе разрешения проблемы ультрафиолетовой катастрофы, о которой тогда беспокоился лорд Кельвин. Отдельные фотоны мы в обычных условиях не различаем, и пространство поэтому нам кажется непрерывным. Характерный масштаб длины в пространстве фотонов, которое мы будем называть электромагнитным, нам задают находящиеся в нём материальные частицы, а точнее - атомы, из которых они состоят. В частности, за масштаб длины можно взять боровский радиус a0=ћ/m·c·α в атоме водорода (и он реально используется в этом качестве), где ћ=h/2π - константа Дирака, m - масса электрона, c - скорость света, α=e²/ћ·c - постоянная тонкой структуры (в системе СГСЭ).
- Что такое фотон, и какую связь он имеет с классическим электромагнитным излучением, описываемым уравнениями Максвелла? Никто не знает, что такое фотон, и как его можно было бы описать математически, например, в виде формулы. Существуют попытки представить фотон в виде волнового пакета, но они сразу же наталкиваются на серьёзное противоречие: волновой пакет со временем расплывается, а фотон - нет. Любители мучить себя и природу могут продолжать это делать, мы же подошли к этому с другой стороны. С некоторых пор мы пришли к выводу, что элементарные частицы - дискретные элементы своих пространств - нужно представлять топологически. Это необходимо, поскольку квант действия не имеет линейных размеров, пока не задан импульс частицы и, тем самым, не определена её де бройлевская "длина волны". Но даже в этом случае невозможно ничего узнать о частице внутри такой "волны". Гейзенберговская неопределённость не позволяет. Импульс и любые другие измеряемые характеристики принадлежат всей частице целиком. Мы в своём блоге уже несколько раз писали об этих элементах, и здесь только напомним некоторые вещи. Например, полуцелый спин электрона и подобных ему частиц - представителей ядерного пространства мы представляем как плоский вращающийся диск, в центре которого перпендикулярно плоскости диска расположен некий направленный отрезок - вектор, характеризующий момент импульса у диска в целом (интегрально) как ½ћ и направление его вращения. Электрический заряд электрона e и квант магнитного потока μ представляют собой единое целое в виде кванта действия h=e·μ, и как топологический элемент состоят из направленного магнитного потока в виде диска и его центральной точки, обладающей свойством положительного или отрицательного заряда. Этот заряд - величина скалярная, всегда строго постоянная и принимающая только два значения: +e и -e. Но направление магнитного потока в рамках кванта μ зависит от знака заряда e и оно может быть определено, когда задано (определено) направление движения заряда. В этом отношении можно сказать, что спин электрона, вернее - его проекция, тоже определяется, когда имеется (задано) некое выделенное направление. Третий топологический элемент для представителей ядерного пространства в пространстве электромагнитном нужен для описания их массы m и вызываемой ею кривизны окружающего электромагнитного пространства. Он представляет собой снова диск с точечной массой (напомним, что размеры "точки" на самом деле не определены), который соответствует некому потоку кривизны Ri такому, что h=m/Ri. С большой долей уверенности можно утверждать, что кривизна Ri соответствует кривизне окружности 1/r, а называться потоком она должна из соображений размерности кванта действия h. Уверенность в зависимости 1/r проистекает от закона классической гравитации Ньютона, также как ослабление 1/r магнитного поля при удалении от проводника с током соответствует закону Кулона для взаимодействующих зарядов. Заметим, что направление потока Ri не играет никакой роли, главное - чтобы он был. Этот поток оказывается скаляром и, как многие объекты квантового мира, не имеет классического аналога, но, тем не менее, оказывается классической гравитацией в пределе многих частиц. И, наконец, четвёртый топологический элемент оказывается единственным для самого электромагнитного пространства. Он описывает фотон и представляет собой то, что иногда называют "скрестили ежа с ужом". Имея в виду, что "скрестили" топологический элемент для спина с элементом, предназначенным для заряда и кванта магнитного потока. А именно - магнитный поток одного, зацепленный с потоком электрического смещения другого. Вместо дисков удобнее рассматривать кольца с потоками той же величины, расположенных перпендикулярно друг другу и составляющих вместе целый квант действия. Движение потока по одному кольцу возбуждает соответствующий поток по другому, так что при своём движении они образуют целую цепь из последовательных возбуждений пространства. Такое попеременное возникновение и исчезновение магнитного и электрического потока в зацепленных кольцах полностью соответствует поведению векторов магнитного и электрического поля в уравнениях Максвелла. Это может указывать на то, что в асимптотическом случае большого числа когерентных фотонов их движение может представлять собой классическую электромагнитную волну, для описания которой использование математического аппарата уже не представляет особых трудностей.
- Можно было бы продолжить здесь описание того, как из представленных четырёх элементов возникают другие пространства, но на примере электромагнитного становится ясно, что на это понадобится очень много слов. Что для дискуссии в виде ответов на вопросы будет явно чрезмерным. Поэтому приглашаю желающих узнать об этом больше пробежаться по сообщениям прошлого года в моём блоге, где можно найти много интересного.
3. Утверждение, что "пространство внутри ядра не является продолжением окружающего нас пространства, и в нём не могут существовать электромагнитные взаимодействия", является совершенно убойным. 1) Оно не доказано. 2) Оно противоречит опыту существующего естествознания. 3) Самый главный аргумент (бритва Оккама) - зачем вводить что-то зубодробильное (новое пространство), если всё можно объяснить простой электродинамикой?
- 1) Мы ничего не можем доказать окончательно. Ни Вы, ни я. Мы обречены жить каждый при своём мнении.
- 2) Мои представления также основаны на опытных данных, как и Ваши. И тем не менее, они противоречат друг другу. Мой завлаб как-то произнёс: "Нет ничего в этом мире, что я не мог бы объяснить. Потом перевернуть всё с ног на голову и снова объяснить, но уже по-другому". Поэтому ни одно "объясняющее" мнение не может противоречить тому, что оно "успешно" объясняет. Только одно мнение - другому.
- 3) Бритва Оккама ни при чём. Мы придумываем новые понятия, когда не хватает старых. Об этом свидетельствует вся история нашей науки физики. У меня всё началось, когда я не смог объяснить на основе существующих представлений тепловое расширение вещества в конденсированном состоянии - твёрдом и жидком. В частности - что представляет собой низкоэнергетическое тепловое возбуждение электронов в атомах. А потом пошло-поехало: надо было объяснять необратимость времени при стремлении термодинамической системы к равновесию, природу самого времени и сопряженного с ним пространства. Далее - природу заряда, массы и спина частиц, как и то, зачем для достижения равновесия системы бозоны и фермионы так необходимы друг другу. Всё это невозможно объяснить одной классической электродинамикой. А принципиально иное пространство внутри ядра мне понадобилось вводить для того, чтобы объяснить "зоопарк" элементарных частиц с других позиций, чем это делает Стандартная Модель. В которой тоже достаточно необъяснённых вещей. Я же всё делаю с единых позиций на основе кванта действия и некоторых дополнительных гипотез. Такая вот "Теория Всего" получается.
4. Почему же электрон не может существовать внутри ядра? Какие проблемы? Легко может, только скорости у него будут ультрарелятивисткие.
- К утверждению об отсутствии электронов внутри ядра меня подталкивает тот экспериментальный факт, что электроны никогда из него не вылетают. Вылетают, например, высокоэнергетические отрицательные пионы, которые распадаются на мюоны меньших энергий и только потом последние распадаются на электроны. Откуда я делаю вывод, что внутри ядра просто невозможны состояния с низкими энергиями, подобные электрону.
5. Я не вижу необходимости нуклонам (в ядре) обмениваться чем-либо, даже если они движутся. ЭМ поля вполне хватает для обмена. (Фононы в кристаллах тоже не очень нужны. Они пропадают при абсолютном нуле, а атомы никуда не деваются.)
- В любой системе обмен энергией между движущимися частицами нужен для достижения термодинамического равновесия. Причём - наиболее быстрым способом. Просто обмена фотонами для этого недостаточно, хотя он тоже имеет место для всех нагретых тел. В твёрдых телах основную роль играют фононы, хоть они и пропадают при абсолютном нуле температуры. Просто при таком нуле вообще обмениваться нечем, даже ЭМ излучением. В жидкости к фононам добавляются вращательные движения составляющих жидкость структурных элементов, которые в условиях градиента температуры или наличия силы тяжести объединяются в конвективные потоки, наиболее успешно переносящие тепло. В газе основное тепло передаётся за счёт столкновения атомов и молекул друг с другом. Так и в ядре: нуклоны явно обладают далеко не нулевой энергией и просто обязаны чем-то обмениваться друг с другом, чтобы находиться в термодинамическом равновесии. Пусть это будут пионы или что-нибудь ещё, если мы со временем узнаем больше о внутренних движениях нуклонов. Но ни электронов, как обсуждалось выше, ни фотонов там быть не может. Просто для электромагнитных волн, как считал Пуанкаре, идеально подходит именно трёхмерное пространство, которого в ядре нет. Иначе мы хотя бы иногда могли наблюдать вылет высокоэнергетических фотонов из ядра.
6. Напомню, что кварки - "технические" частицы, введённые для удобства описания в рамках конкретной модели, смысл которой никто не понимает. Не более того. При этом они (кварки) не наблюдаются. Как и фононы - такие же "технические" частицы, позволяющие описывать что-то в рамках "кривой" модели, но ровно до тех пор, пока не возникнет нормальная модель.
- Если не выходить за рамки математической модели и не искать физического смысла описываемых явлений, то да - все частицы будут восприниматься как "технические". Но если мы хотим понять, почему в экспериментах по рассеянию электронов протоны ведут себя как состоящие из трёх центров, мы будем пытаться объяснить эти центры тремя разными частицами, даже если нам никогда не удаётся разделить эти частицы и увидеть их поодиночке. Если для объяснения "зоопарка" вылетающих из ядра элементарных частиц нам потребуется три кварка для образования фермионов и два - для бозонов, да ещё трех разных поколений по три кварка, мы будем думать о них как о реальных частицах. И неважно, как при этом мы их будем называть: кварки или иначе. А насчёт "кривой" модели - мы действительно подождём появления "нормальной". И только после этого решим, как нам относиться к кваркам.
7. Чтобы применить принцип наименьшего действия, надо сначала это самое действие написать из каких-то соображений. Если Вы его постулируете, то получите некую модель, смысл которой будет неясен (пример - КМ).
- У нас уже есть квант действия, равный постоянной Планка h. И не нужно для него ничего постулировать. Остаётся показать, как этот квант участвует в установлении кратчайшего пути и минимального времени при движении свободной частицы. Для фотона мы это показали выше при ответе на первые два Ваших вопроса. Для де бройлевской частицы это можно сделать аналогично, если нас интересует минимальное время. Для кратчайшего пути это будет сделать посложнее, но тоже можно. Могу также добавить, что рассмотрение суммы кратчайших времён между столкновениями частиц идеального газа позволило нам выяснить физический смысл энтропии такого газа и связь её максимального значения с принципом наименьшего действия. О чём также говорилось ранее в сообщениях моего блога.
8. Вы путаете реальность и её описание. Пример: моделируем реальность на экране телевизора. Да, в самом деле на экране реальность имеет пиксельную структуру. Да, нам кажется что пространство разбито на пиксели, однако это не значит, что реальность так же пиксельна. Если мы вдруг потребуем от Природы такой пиксельности, мы тут же обнаружим безумные расходимости, поскольку для того, чтобы мгновенно перекинуть частицу с одного пикселя на соседний нам понадобится бесконечная энергия.
- Я допускаю, что реальность Природы не такая пиксельная, как на экране телевизора. Она другая, но тоже дискретная, поскольку состоит из квантов действия. Никакого вреда в плане расходимостей эта дискретность нанести не может. Наоборот, у нас никогда не будет вычислений с величинами, близкими к нулю в знаменателе дроби, из-за конечности расстояний (правда, неизвестных точно), задаваемых квантом действия. Как не будет и расходимостей, связанных с бесконечным числом членов суммируемого ряда, поскольку число этих членов всегда конечно. Переход от одного дискретного элемента пространства к соседнему путём его возбуждения всегда будет происходить с конечной скоростью, не превышающей скорости света c в бозонном пространстве и скорости c·α в пространстве фермионов.
9. Как Вы будете искажать пространство, если оно у Вас дискретно? Тут надо бы определиться. Или - или.
- Ну, в чём же тут проблема? Пространство будет искажаться тем же самым образом, как оно возбуждается при движении частиц: от одного элемента к соседним. И происходить это будет со скоростью, не превышающей максимальную в данном типе пространства.
Искренне ваш, Дулин Михаил.