Реферат: Является создание единой и неизменной картины мира на основе немногочисленных фундаментальных идей

К ЕДИНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ МИРА

Виктор Пьянов

Автор выражает благодарность за спонсорскую помощь при издании работы

Арсеньеву Юрию Владимировичу

1. ВВЕДЕНИЕ

Целью, к которой с античных времён до настоящего времени стремится естествознание, является создание единой и неизменной картины мира на основе немногочисленных фундаментальных идей.

Около 2,5 тысяч лет назад древнегреческие философы Анаксимандр, Левкипп, Демокрит и др. создали философскую единую картину мира и сформулировали фундаментальные идеи о строении материи и природе взаимодействий.

Анаксимандр учил, что всё существуюшее в бесконечном прстранстве и бесконечном времени состоит из первовещества (апейрона), находящегося в вечном движении, в процессе которого из него беспрерывно выделяются противоположности, борющиеся друг с другом и в результате этой борьбы обратно возвращающиеся в первовещество, вновь выделяя противоположности и затем поглощая их.

Согласно учению Демокрита, материя состоит из бесконечного числа мельчайших неделимых частиц, благодаря соединению и разъединению которых образуется всё бесконечное разнообразие вещей и их свойств.

Излагая философские взгляды Анаксимандра и Демокрита Левкипп утверждал, что причиной возникновения бесчисленных миров являются вихревые движения составляющих их атомов.

Наряду с материей Демокрит признавал самостоятельное существование пустого пространства, как необходимого условия для возможности движения атомов и образования сложных тел. Он развил теорию истечений, которой объяснял явления магнетизма и другие случаи влияния одних тел на другие на расстоянии.

Даже с высоты достижений современной науки высказанные древними философами- атомистами основные идеи остаются непоколебимыми.

В результате развития естественных наук происходит смена картин мира, и система научных представлений о мире и происходящих в нём явлениях становится всё полнее с каждым естественнонаучным открытием.

В соответствии с философской концепцией преемственности знаний каждая новая картина мира (механическая, электромагнитная, полевая, вакуумная) сохраняет от своих предшественниц всё ценное, оправдавшее себя на опыте и в практике, отвечающее объективному устройству Вселенной.

Наиболее полный ответ на вопрос о любом физическом явлении становится возможным при включении этого явления в физическую картину мира, описывающую изучаемое явление вместе со множеством других, исходя из немногих фундаментальных принципов.

Совокупность физических знаний, накопленных человечеством к порогу XXI века, уже столь велика, что позволяет вплотную приблизиться к созданию единой физической теории, объясняющей и описывающей все явления и закономерности Природы на основе единых первых принципов. Физикам-теоретикам программа, пути и цели работ в этом направлении представляются следующим образом [1]: “Первый этап состоит в построении теории, которая была бы конечной. Другими словами, ценой фантастической логики необычных геометрических представлений нужно получить логически замкнутую теорию, не имеющую, по крайней мере, противоречий…

Следующая, вторая задача новой теории состоит в том, что она должна стать всеобъемлющей, притом не только на качественном, но и на количественном уровне. Это значит, что теория должна:

получить из первых принципов весь набор частиц и полей. Фактически оказывается, что все варианты новой теории предсказывают большее число сортов частиц и полей, чем мы наблюдаем;

получить – также из первых принципов – массы частиц или, точнее, безразмерные отношения масс частиц к планковской массе и безразмерные константы, характеризующие взаимодействия, такие как е2/ħс =1/137.”

Относительно надежд построения внутренне непротиворечивой теории на основе “фантастической логики необычных геометрических представлений” необходимо заметить, что пока физики будут руководствоваться призывами Эйнштейна и Бора к “безумным ” идеям и к отказу от здравого смысла решительного прогресса в физической науке не будет. Что касается ”второй задачи”, сформулированной академиком Зельдовичем, то на наш взгляд, совокупность не вызывающих сомнения теоретических знаний и имеющихся экспериментальных данных уже достаточна для её решения без выдвижения каких-либо новых “безумных” идей. Здравый смысл отражает вековой опыт человечества, поэтому на современном этапе развития науки для решения второй задачи необходимо лишь решительно отказаться от теорий, сводящихся к парадоксам, оскорбляющим здравый смысл, а из богатого наследия прошлого использовать только всё логически ясное и подтверждённое опытом. Нелишне помнить, что согласно одному из величайших мыслителей человечества – Декарту, ясность и отчётливость идеи – высший и решающий критерий истины.

Для того, чтобы объяснить любой физический процесс, любое явление необходимо знать: строение материи, уравнения движений и действующие силы, а высшей формой описания единства Природы будет являться объединение указанных трёх элементов в физической теории.

^ 1.1 О СТРОЕНИИ МАТЕРИИ

В настоящее время можно считать установленным, что все наблюдаемые в природе процессы происходят в конечном итоге в результате взаимодействия элементарных частиц материи, под которой понимается совокупность вещества и поля, а взаимодействие между двумя элементарными частицами осуществляется за счёт обмена третьей частицей, которая является переносчиком взаимодействия – квантом обусловленного им поля сил.

Под элементарной частицей на каждом этапе было принято понимать наименьшую неделимую частицу, структура которой была неизвестна. С переходом на новый уровень познания менялось представление о таких “кирпичиках” мироздания.

Первой ступенью в изучении строения вещества была молекулярная теория и до начала XIX века элементарными частицами считались молекулы.

В 1816г., после открытия атомов, У. Проут выдвинул гипотезу о том, что все атомы сложены из атомов водорода, а в 1911г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома.

В течение XIX века в основном была завершена теория элементарных частиц на атомной ступени элементарности.

В конце XIX начале XX веков было установлено, что атомы имеют внутреннюю структуру и состоят из электронов, протонов и нейтронов. Эти три частицы занимают особое место среди элементарных частиц: поскольку все вещества состоят из атомов, то они являются как бы первичными элементами вещества, и вопрос о наличии у этих частиц внутренней структуры становится центральным вопросом строения вещества.

Эксперименты последних лет показали, что большинство известных сейчас “элементарных” частиц несомненно имеют какую-то внутреннюю структуру. В настоящее время большинство физиков считает установленным, что фундаментальными составляющими частиц вещества являются дробнозаряженные кварки, хотя все многочисленные попытки экспериментального подтверждения существования кварков оказываются безуспешными.

Параллельно с познанием строения вещества развивались гипотезы о материальной среде, заполняющей пустоту между неделимыми частицами вещества. Аристотель отрицал возможность существования абсолютной пустоты и считал, что пространство заполнено особой средой – эфиром; он видел в эфире основу для всех остальных элементов природы, праматерию, сущность всех вещей. Рене Декарт ввёл понятие о сплошной материальной среде, заполняющей всё мировое пространство. Исаак Ньютон высказывал мнение, что всё в мире – пустота между телами, как и сами тела, - пронизано мельчайшими частицами эфира. Д.И. Менделеев предполагал существование ”атома эфира”- ещё не открытой наименьшей частицы материи, химически инертной, вездесущей и всепроникающей. Он предпринимал попытки определения массы ”атома эфира”.

В XX веке стараниями А. Эйнштейна слово ”эфир” было дискредитировано, и в картине мира место эфира занял физический вакуум. В современной науке прослеживается тенденция рассмотрения вакуума как сплошной среды. Теории вакуума объясняют взаимодействия между элементарными частицами вещества обменом т.н. виртуальными частицами, рождающимися из вакуума и являющимися квантами- переносчиками взаимодействий. Во многих современных теориях сами частицы вещества рассматриваются как порождение электронно-позитронного вакуума, как его возбуждения, поэтому центральной проблемой строения материи стала теперь проблема строения вакуума. Некоторые авторы гипотез о строении вакуума считают, что фундаментальным ”кирпичиком мироздания” - ”атомом эфира”, возможно, является нейтрино – частица, ”изобретённая ” в 1930г. Паули для ”спасения” законов сохранения в процессах β- распада свободного нейтрона. Масса нейтрино до сих пор достоверно не определена, но считается, что она на несколько порядков меньше массы наименьшей из частиц вещества – электрона.


^ 1.2 ОБ УРАВНЕНИЯХ ДВИЖЕНИЯ

Результатом взаимодействия материальных частиц является изменение формы их движения.

В изданном в 1687г. труде ”Математические начала натуральной философии” И.Ньютон сформулировал законы механики и закон всемирного тяготения, которые позволяют в принципе ответить на все вопросы о движении материальных частиц и тел, обладающих массой.

Уравнения движения являются дифференциальными уравнениями изменения физических величин во времени и пространстве. Для широкого класса сил удаётся произвести интегрирование уравнений движения в общем виде и представить результат как постоянство численного значения определённой комбинации физических величин. Сохраняющиеся в процессе движения величины являются фундаментальными, а их законы сохранения – фундаментальными законами механики и физики. Вопреки этому даже авторы курсов физики, ссылаясь на соотношения неопределённостей Гейзенберга, утверждают, что в процессах обмена виртуальными частицами законы сохранения могут нарушаться. История с нейтрино, в последствии экспериментально обнаруженного, указывает на то, что ревизии подлежат не фундаментальные законы сохранения, а идеология соотношений неопределённостей [2].

Законы сохранения позволяют рассматривать свойства движения без решения уравнений движения и детальной информации о развитии процессов во времени.

В своём труде И.Ньютон постулировал существование абсолютного времени и абсолютного пространства. Согласно Ньютону, абсолютное время существует само по себе, независимо от материи, протекает непрерывно и равномерно, а абсолютное пространство не связано ни со временем ни с материей и также существует независимо. Геометрические свойства абсолютного пространства рассматривались Ньютоном как абсолютные, подчиняющиеся установленным почти две тысячи лет тому назад законам геометрии Евклида и как независящие от присутствия или отсутствия материальных тел в данной области пространства, а время рассматривалось им как независимый параметр, определяющий скорость движения материи в пространстве. Ньютон связывает проблему пространства с вопросом о системах отсчёта. Согласно ньютоновой механике, существуют инерциальные системы отсчёта, связанные с телами, движущиеся инерциально в абсолютном пространстве и абсолютном времени, в которых только и справедливы ньютоновы законы механики. В системе отсчёта, движущейся ускоренно относительно абсолютного пространства, появляются силы инерции. Силы инерции, по утверждению Ньютона, физически доказывают существование абсолютного пространства.

Трудно представить более простой, наглядный и убедительный опыт по демонстрации действия центробежных сил инерции во вращающейся относительно абсолютного пространства системе отсчёта, чем предложенный Ньютоном – вращение подвешенного на верёвке ведра с водой.

В XVIII веке Л.Эйлер развил идею Декарта о пространстве сплошь заполненном материей и, основываясь на законах механики Ньютона, вывел дифференциальные уравнения равновесия и движения сплошной среды, безупречные с математической точки зрения. Он указал интегралы уравнений движения сплошной среды и сформулировал закон сохранения массы применительно к текучей сплошной среде.

Развивая идеи Эйлера, Ж.Лагранж подробно рассмотрел два разных аналитических метода исследования движения сплошных сред, из которых один получил в дальнейшем наименование метода Лагранжа, а другой – метода Эйлера.

При лагранжевом задании движения среды скорости и ускорения точек среды определяются обычными для кинематики дискретной системы равенствами. В соответствии с методом Лагранжа каждой механической системе, под которой понимается совокупность материальных точек, сопоставляется т.н. функция Лагранжа, определяемая как разность между кинетической и потенциальной энергиями системы. Метод Лагранжа и функция Лагранжа в настоящее время широко используются в квантовых теориях физических полей.

Метод Эйлера нашёл широчайшее применение в механике сплошных сред, в частности, в гидромеханике. Кинематика движения сплошной среды в методе Эйлера определяется заданием поля скоростей в фиксированных точках абсолютного ньютонова пространства, при зтом вводится важное понятие о линиях тока, как линиях, вдоль которых в данный момент времени векторы скорости направлены по касательным к ним в каждой точке. При стационарности поля скоростей линии тока совпадают с траекториями частиц.

В 60-е годы XIX века Д.Максвелл разработал теорию электромагнитного поля, представляющую собой теорию сплошной среды, обладающей электрическими и магнитными свойствами. Система дифференциальных уравнений электромагнитного поля Максвелла математически аналогична системе дифференциальных уравнений равновесия и движения сплошной среды Эйлера в форме, представленной Громекой и Лембом. Уравнения Эйлера выражают взаимосвязь кинематических и динамических характеристик поля единичных масс, уравнения Максвелла – взаимосвязь характеристик поля единичных электрических зарядов. Отмеченная аналогия указывает на независящее от пространственных и временных масштабов математическое единство закономерностей движения сплошных сред, обладающих различными свойствами.

В начале XX века А.Эйнштейном была разработана теория относительности. Теория Эйнштейна отрицает существование абсолютного пространства, абсолютного времени и абсолютного движения. Согласно теории, при переходе в движущуюся систему координат меняются длины и массы движущихся тел, меняется течение времени, исчезает понятие одновременности, а геометрия пространства зависит от распределения в нём материи.

В ряду физических теорий теория относительности стоит особняком. Для любой теории возникновение даже единственного парадокса рассматривается как наличие внутреннего противоречия, ставящего под сомнение справедливость теории. Теория относительности, в которой смешаны в единое пространство и время, гравитация и инерция, энергия и масса, масса и ускорение (в этой теории массу делят на Лоренц-фактор ускорения, а полученное нечто, неподдающееся определению, называют массой движения), неисчерпаема на парадоксы [3], [4]. Многочисленные парадоксы теории относительности её апологетами кокетливо трактуются как доказательство уникальности и особого совершенства теории.

^ 1.3 О СИЛАХ

В физике элементарных частиц рассматриваются 4 вида фундаментальных сил или, точнее, взаимодействий: сильное, электромагнитное, гравитационное и слабое.

Для гравитационного и электромагнитного взаимодействий известны законы, по которым вычисляются действующие силы. Это упомянутый в 1.2 закон всемирного тяготения для силы взаимодействия двух гравитационных масс и аналогичный по форме закон Кулона для силы взаимодействия двух электрических зарядов. Для слабого и сильного взаимодействий законы действующих сил не определены.

Благодаря сильному взаимодействию возникают силы притяжения, удерживающие заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны в ядрах атомов вещества.

Электрические силы взаимодействия между электронами и протонами также являются силами притяжения и обеспечивают образование атомов вещества.

Гравитационному взаимодействию подвластны все без исключения объекты Вселенной. Гравитационные силы – это дальнодействующие силы притяжения, обусловливающие процессы концентрации материальных объектов, в том числе, образование звёзд и звёздных систем из атомов и молекул вещества.

В отличие от трёх вышеперечисленных, слабое взаимодействие ”несёт ответственность” за прямо противоположный процесс – процесс распада атомных ядер и адронов, по существу, за процесс распада вещества. Первым из открытых процессов, идущих за счёт слабого взаимодействия, явился процесс β- распада нейтрона с образованием нейтрино. Образование нейтрино – отличительная черта слабых взаимодействий. Слабые взаимодействия определяют протекание процессов излучения энергии звёзд и конечную судьбу звёзд.

Считается, что совместно 4 вида фундаментальных взаимодействий обеспечивают круговорот материи во Вселенной. С таким мнением трудно согласиться. Для обеспечения круговорота материи в космических масштабах должна существовать ещё одна фундаментальная сила, противодействующая гравитационной силе притяжения. Заметим, что в макромире распад сложных тел и веществ на более простые составляющие из-за разрушения межмолекулярных связей (например, разрушение маховиков, роторов машин, центрифугирование и т.п.) может быть следствием вращения и действия центробежных сил инерции.

Относительная интенсивность видов взаимодействия существенно различна и характеризуется безразмерными константами взаимодействий.

Усилия многих физиков в последние десятилетия были направлены на создание теорий, объединяющих различные взаимодействия и теории т.н. Великого объединения всех 4-х видов взаимодействий. Основные идеи, на которых строятся попытки Великого объединения, состоят в том, что 4 известных вида взаимодействий рассматриваются как различные проявления одного фундаментального взаимодействия, характеризующегося одной безразмерной константой, а переносчиками всех видов взаимодействий считаются кванты т.н. калибровочных суперполей. В разрабатываемых теориях предполагается, что объединение гравитации с остальными взаимодействиями должно произойти в области сверхвысоких энергий и сверхмалых расстояний, где константы всех видов взаимодействий предположительно должны стать одинаковыми.

Уместно заметить, что интенсивность гравитационных взаимодействий в мире элементарных частиц по существующим оценкам меньше интенсивности электромагнитных взаимодействий приблизительно в 1040 раз, а, кроме того, константы потому и называются таковыми, что по определению являются неизменными и устойчивыми величинами. На наш взгляд, попытки объединения взаимодействий на основе идеи изменения отдельно взятых мировых констант обречены на неудачу. Последнее касается всех теорий, строящихся на гипотезах Пуанкаре и Дирака об изменении некоторых мировых констант во времени и пространстве при постоянстве значений других. Мир един, и все константы связаны одна с другой и каждая со всеми.

Рассматривая Великое объединение как самоцель, которой нужно достичь любыми средствами, можно впасть в “ересь” и “доказать” несуществующую эквивалентность явлений принципиально различной природы. Реальность такого заблуждения, крайне опасного для прогресса физической науки, демонстрирует общая теория относительности Эйнштейна, объединяющая на основе ложных посылок гравитацию и инерцию.

Все материальные объекты во Вселенной движутся ускоренно относительно абсолютного пространства. Ускоренными являются движение электронов вокруг ядер атомов, вращение Земли и других планет вокруг Солнца, движение галактик к границам Вселенной. Ускоренные движения относительно абсолютного пространства, согласно механике Ньютона, вызывают возникновение сил инерции. В реальности сил инерции в макромире каждый неоднократно убеждался на личном опыте, иногда печальном. Поэтому вызывает удивление, что физики-теоретики до сих пор не включили в число фундаментальных сил силы инерции. Считая эти силы фиктивными, они в результате вынуждены жить в искривлённом пространстве, периодически схлапывать Вселенную в сингулярную точку, а затем взрывать её. Абсурдные теории, оскорбляющие здравый смысл, вроде теории относительности и т.н. теории Большого взрыва, могут возникать только в искривлённом сознании. Спрашивается, зачем взрывать Вселенную и мучаться над разгадкой природы слабых и сильных взаимодействий, если для объяснения наблюдаемого факта разбегания галактик достаточно предположить, что не только все объекты Вселенной, но и она сама вращаются, а в возникновении полей сил инерции вращательных движений объектов микромира найти искомую загадку природы слабых и сильных взаимодействий. Во вращающейся Вселенной увлекаемые во вращение галактики должны перемещаться к её границам по спиралям. Логично предположить, что имеющая размерность угловой скорости космологическая мировая константа – постоянная Хаббла, определяющая скорость разбегания галактик и является ничем иным как значением угловой скорости вращения Вселенной, а центробежная сила инерции является пятой фундаментальной силой, обеспечивающей противодействие гравитационным и электрическим силам притяжения.

Более трёхсот лет не прекращается полемика о силах инерции, так как до настоящего времени не существует единой концепции приемлемой для сторонников полярных мнений об этих силах. Специальная теория относительности (СТО), утверждающая зависимость инертных свойств от скорости движения и общая теория относительности (ОТО) с лежащим в её основе принципом эквивалентности гравитации и инерции не только не внесли ясность в вопрос спора, но и ещё больше запутали его. Без ясного понимания природы сил инерции полемика о них, а также и о СТО и ОТО могут продолжаться бесконечно долго. Подробнее этот вопрос проанализирован в работе [4].


^ 1.4 МИРОВЫЕ КОНСТАНТЫ И КВАНТОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ

Физические константы вводятся теоретически в рамках различных теорий, они имеют различный физический смысл и разную размерность и определяют количественную связь в математических выражениях физических законов. Значения постоянных в настоящее время определяются экспериментально, причём с существенно различной точностью.

Физические постоянные, содержащиеся в выражениях основных законов Природы и имеющие фундаментальное значение, называют мировыми константами. К ним относятся: скорость света в вакууме, постоянная Планка, единица электрического заряда, массы основных элементов вещества (электрона, протона и нейтрона), постоянная тонкой структуры, постоянная тяготения, электрическая постоянная, постоянная Хаббла и несколько других. Некоторые размерные константы можно представить в безразмерном виде как отношения величин, имеющих одинаковую размерность. Так, например, единица электрического заряда и массы основных элементов вещества для вычислений часто используются в безразмерном виде, как значения отношений к электрическому заряду и массе электрона, соответственно.

Окружающий нас мир состоит из взаимодействующих различным образом объектов. Сущность любого взаимодействия заключается в обмене материей между взаимодействующими объектами посредством физических полей различной природы. В картине мира, адекватно отражающей объективно существующую реальность, все физические законы, определяющие виды взаимодействий, должны быть взаимосвязаны, и все физические константы должны быть связаны одна с другой и каждая со всеми. Результат процессов взаимодействия материальных объектов заключается в происходящем в пространстве и времени изменении движения различных форм материи. Инвариантной характеристикой движения является действие – физическая величина, имеющая размерность произведения энергии на время, силы на длину и время, момента импульса - (кг∙м2/с). Результаты настоящего исследования показывают, что ключ к тайнам строения материи и единства взаимодействий лежит в определении взаимосвязи мировых констант на основе открытия квантования действия, сделанного в 1900г. М.Планком. Из открытия Планка следует, что не существует отдельно квантов энергии, времени и пространства. В обменных процессах взаимодействия энергия, масса и расстояния изменяются непрерывно, без каких-либо квантовых скачков, а квантуется только действие. На первый взгляд очевидный квантовый характер значений масс элементарных частиц в действительности отражает квантование действия в обменных процессах и в процессах движения материи внутри частиц.

Непрерывные процессы, происходящие в глубинах материи, также как и процессы, наблюдаемые в космосе, характеризуются цикличностью. Интегральной циклической характеристикой изменения движения на фундаментальном уровне первичных обменных процессов является квант действия ħ. Пространственные и временные масштабы явлений и процессов определяются количеством происходящих в них единичных актов квантования действия. Квантование действия является фундаментальным первым принципом, объединяющим все виды взаимодействий и согласующим вечное движение во всех атомах и галактиках Вселенной.

^ Так как инвариантная характеристика движения – действие имеет квантовый характер, то, независимо от вида и масштаба взаимодействия, действие S любого периодического или циклического процесса изменения движения равно целому числу квантов действия ħ.

Это утверждение, базирующееся на открытии Планка, может быть записано в виде уравнения:

S = k ħ (k = 1,2,3…) (1.4.1)

Очевидно, что именно уравнение (1.4.1), а не соотношения неопределённостей Гейзенберга (∆S ≥ ħ) ясно и отчётливо выражает экспериментально установленный факт квантования действия.

Использование фундаментального закона Природы (1.4.1), ньютоновых представлений о пространстве, времени и силах инерции, известных законов для сил, законов сохранения, определяемых законами механики Ньютона и ранее известных экспериментальных данных при рассмотрении обменных процессов в атоме водорода и процесса β-распада нейтрона позволило решить задачи, сформулированные авторами работы [1]:

• получить теоретические выражения для констант электромагнитного и гравитационного взаимодействий и вычислить точные значения этих констант;

• уточнить известные и получить впервые значения некоторых фундаментальных постоянных и производных от них физических величин;

• установить неизвестную ранее взаимосвязь между слабым, электромагнитным и гравитационным взаимодействиями, взаимосвязь между постоянной Планка и гравитационной постоянной;

• установить неизвестные ранее ступени элементарности в строении материи , значения относительных масс мюонного и электронного нейтрино, соотношения между массой мюонного нейтрино и массами составляющих атомы элементарных частиц (электрона, протона, нейтрона);

• установить взаимосвязь между элементарным электрическим зарядом, гравитационной постоянной и массами частиц, возникающих из вакуума при парном рождении электрических зарядов.

Адекватность предложенной модели обменных взаимодействий реальности подтверждается совпадением расчётных значений мировых констант со справочными опытными значениями в пределах погрешностей экспериментов.

В связи с тем, что в основе настоящей работы лежат лишь фундаментальные физические законы и справочные материалы, ссылки на оригинальные труды современных авторов отсутствуют. Работа является развитием взглядов автора, изложенных в депонированных рукописях [2], [4], [5].


^ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ (КОНСТАНТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ)

Постоянная тонкой структуры α наряду со скоростью света, постоянной Планка, зарядом и массой электрона входит в число фундаментальных физических величин – мировых констант.

Величина постоянной определяется равенством:

α = е2/2ε0 сh, (2.1)

где е- элементарный электрический заряд;

ε0 – электрическая постоянная;

с – скорость света в вакууме;

h – постоянная Планка.

Так как исходным пунктом возникновения понятия о постоянной тонкой структуры явилась плодотворная идея Зоммерфельда об эллиптических орбитах электрона в атоме водорода, приведшая к открытию расщепления спектральных линий, то для теоретического определения численного значения величины α обратимся к истокам и рассмотрим с учётом идеи Зоммерфельда происходящий с изменением движения злектрона процесс кулоновского взаимодействия электрона атома водорода с его ядром. Примем, что атом водорода возникает в результате распада свободного нейтрона.

Представив действие S процесса как произведение полной энергии Еполн.электрона на некоторое характерное время процесса t, с учётом (1.4.1) можем написать:

S = Еполн.∙ t = k ħ (k = 1,2,3…) (2.2)

Для анализа процесса взаимодействия необходимо выбрать модель электрона в атоме, в наибольшей степени соответствующую физической реальности.

Представим, что масса meи электрический заряд е электрона “размазаны” в пространстве вдоль некоторого эллипса, в одном из фокусов которого размещается протон. Второй фокус эллипса при этом пустой. Примем, что развёрнутая длина эллипса равна длине дебройлевской волны электрона. Непрерывно распределённая масса электрона движется по эллипсу таким образом, что момент импульса массы meравен ħ. Материя электрона, “размазанная ” по эллипсу, растягивается центробежными силами инерции, действующими на массу электрона, а неразрушимость (упругость) , “размазанного ” электрона обеспечивается кулоновскими силами притяжения между электрическими зарядами электрона и протона. Так как существования электрических зарядов меньших единичного (электронного) в экспериментах не обнаружено, то естественно предположить, что кулоновского взаимодействия между элементарными частями размазанного единичного заряда электрона не существует. Однако физически неделимый заряд может быть разделён на элементарные составляющие математически. Ещё древнегреческий философ Левкипп, рассуждая о пределах делимости материи, предположил – то, что ещё делится математически, физически может быть уже неделимым.

Механическим аналогом предлагаемой модели злектрона в атоме водорода служит натянутая замкнутая колеблющаяся струна, гидромеханическим – вращающееся вихревое кольцо. С непрерывным распределением массы и заряда электрона вдоль эллипса естественным образом согласуется существующая торовая модель свободного электрона.

В пользу выше описанной модели электрона в атоме водорода говорят её согласованность с получившей опытное подтверждение идеей Зоммерфельда об эллиптических орбитах электрона, с лежащей в основании квантовой механики идеей волны электрона де Бройля и обоснованность использования именно в такой модели основного уравнения квантовой механики, волнового уравнения Шредингера, которое формально ничем не отличается от уравнения колебаний нагруженной струны.

Кулоновское поле заряда протона ер = е обладает центральной симметрией, и движение электрона в таком поле можно считать плоским, что позволяет использовать для рассмотрения движения электрона полярную (r, φ ) и цилиндрическую (z, r, φ) системы координат с началом в центре ядра атома.

Так как потенциальная энергия заряда е электрона в поле заряда ер протона определяется с точностью до аддитивной постоянной, то при соответствующем выборе уровня нормировки потенциальной энергии [4] уравнение полной (суммы кинетической и потенциальной) электрона может быть записано в виде:


meе

½ ∫(v φ2 + v r2) dm - ер/4πε0 ∫ 1/ r de = 0, (2.3)

0 0

где vφ и vr – соответственно, окружная и радиальная составляющие абсолютной скорости массы dm;

r - радиус расположения заряда de.

Использование правил сложения скоростей и теоремы о среднем интегрального исчисления позволяет получить из (2.3) уравнение для полной энергии электрона в атоме водорода в виде, дающемся в институтских курсах общей физики.

Из закона сохранения энергии следует равенство кинетической и потенциальной энергий Е электрона и их изменений для любых моментов движения.

С учётом (2.3) уравнение (2.2) может быть записано в виде двух эквивалентных уравнений квантования действия S0 для процессов равных изменений ∆Е кинетической и потенциальной энергий Е электрона:

me

S0 = t/2 ∫(v φ2 + v r2) dm = k ħ (k = 1,2,3…); (2.4)

0

е

S0 = ер t/4πε0 ∫ 1/ r de = k ħ (k = 1,2,3…). (2.5)

0

Уравнения движения элементарных масс определяются законами механики Ньютона. Поле центробежных сил инерции и кулоновское поле заряда протона являются потенциальными. Для потенциальных сил известны решения и общие свойства решений уравнений движения. Линии тока поля скоростей элементарных масс и связанных с ними элементарных зарядов, движущихся в потенциальных силовых полях с соблюдением законов сохранения энергии и момента импульса, согласно решениям уравнений механики сплошных сред для таких движений, представляют собой логарифмические спирали.

В полярной системе координат уравнение логарифмической спирали имеет вид:

r = r0exp (φ ctg β), (2.6)

где r – текущий радиус спирали;

r0 - начальный радиус спирали;

β – угол между касательной и радиусом-вектором спирали.

При установившихся движениях линии тока совпадают с траекториями частиц. При потенциальном движении по логарифмической спирали ctg β = const и равен отношению радиальной и окружной скоростей. Круговые и радиальные движения являются частными случаями спиральных движений при ctg β = 0 и ctg β = ∞, соответственно.

Согласно квантовой теории, взаимодействие зарядов электрона и протона осуществляется путём обмена виртуальными фотонами. Так как в принятой модели электрона каждый элементарный заряд de связан с элементарной массой dm, то при действии центробежных и кулоновских сил траектории невозмущённых движений элементарных масс и зарядов искажаются, и общими траекториями движения становятся деформирующиеся эллипсы, представляющие собой суперпозицию траекторий невозмущённых круговых движений и индуцированных обменным взаимодействием движений по логарифмическим спиралям от протона и к нему.

Естественно, что к электрону в атоме, как к целому, понятие о движении по траектории или линии тока неприменимо.

Если учесть, что индуцированные обменным взаимодействием изменения радиальной и окружной скорости связанных элементарных масс и зарядов происходят одновременно и при соблюдении законов сохранения энергии и момента импульса равны между собой, то для индуцированного движения по логарифмической спирали ctg β = const = 1, и (2.6) в этом случае может быть записано в виде:

r = r0exp φ. (2.7)

Движениям элементарных масс и зарядов от центра атома в (2.7) соответствуют положительные значения φ, а к центру – отрицательные. Индуцированное спиральное движение в свою очередь представляет собой суперпозицию радиального и кругового движений.

Используя термины планетарной модели атома, предложенной Э.Резерфордом, можно сказать, что движущиеся по эллиптической орбите элементарные заряды и массы начинают своё движение от центра атома в перигелии, а к центру – в афелии. В связи со сказанным, перигелий следует считать точкой поглощения обменного фотона, а афелий – испускания. Перигелий и афелий эллипса, будучи точками приложения импульсов фотонов, являются точками возбуждения колебаний в электроне – “упругой натянутой струне”, а поглощаемые и испускаемые фотоны – источниками возмущающих сил, вызывающих колебания распределённых вдоль эллипса массы и заряда электрона. Колебания заряда и массы электрона выражаются в изменении окружных и радиальны