English

Фотон, электрон, протон, атом

Фотон или, как его еще принято называть, световой квант в свое время вызвал бурные дебаты в среде физиков. Камнем преткновения стало два представления о фотоне:

1) фотон - это частица (корпускула)

2) фотон - это волна.

В конце концов принято соломоново решение: фотон - частица с волновыми свойствами.

В последнее время физики больше склоняются к представлению фотона в виде компактного пакета (цуга) электромагнитного излучения (ЭМИ). Но причины стабильного существования пакета ЭМИ до сих пор непонятны. И тем более непонятно, каким образом фотону, имеющему размеры по порядку величины равные его длине волны (λ=6*10^-7 м - красный свет), удается излучаться и поглощаться как целому и неделимому, атомами, в тысячу раз меньшими по размеру (d=5*10^-11 - атом водорода).

Однако, все же попробуем получить стабильный пакет ЭМИ. Предположим, что следующая система уравнений Максвелла для электромагнитного поля достаточно верна.

rot(E)=-d(μ * H)/dt	(1.2.1)
rot(H)= d(ε * E)/dt	(1.2.2)

где	Е - напряженность электрического поля, ε - диэлектрическая проницаемость, H - напряженность магнитного поля, μ - магнитная проницаемость, t - время.

При отсутствии зарядов

div(μ * H)=0	(1.2.3)
div(ε * E)=0	(1.2.4)

Из уравнений (1.2.3), (1.2.4) следует, что не расплывающийся пакет ЭМИ получить нельзя, но, если предположить, что, например, диэлектрическая проницаемость вакуума ε и магнитная проницаемость μ не константы, а являются функцией от напряженности электрического и магнитных полей, то ситуация уже меняется (см. Н.Н.Розанов, "Четырехволновое взаимодействие интенсивного излучения в вакууме", ЖЭТФ, т.103, вып.6, 1993г., стр1996-2007).

Если ε нелинейна, то при каких значениях Е эту нелинейность мы можем обнаружить? Для этого определим, какова же напряженность ЭМИ фотона с длиной волны λ=6*10^-7 м. Энергия фотона равна:

		W=h*c/ λ	(1.2.5)
где	h - постоянная Планка, c - скорость света в вакууме.

Предположим, что основная энергия фотона сосредоточена в кубе λ*λ*λ, тогда из:

λ^2*(ε*Е^2+μ*Н^2)/2 =h*c/ λ,

(1.2.6)

предполагая, что

ε*Е^2=μ*Н^2,

(1.2.7)

получим

E=400000 в/м

(1.2.8)

Такие напряженности электрического поля давно уже используются и изменения ε обнаружено не было. Так что представление:

		ε = ε0+А1*Е^2+А2*Е^4+А3*Е^6+…	(1.2.9)
где	ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума при отсутствии полей.

Ни к чему интересному не приведет, так как тогда А₁, А₂, А₃,… должны быть очень маленькими величинами и к тому же с помощью одной фокусирующей линзы из широкого луча света невозможно сделать узкий.

Другое дело, если для сжатия и стабилизации размеров пучка света использовать систему фокусирующих и рассеивающих линз. Тогда эта цель будет достижима, т.е. предположим, что на переднем фронте электромагнитной волны, где:

dЕ^2/dt > 0

(1.2.10)

будет

ε > ε0,

(1.2.11)

на задней стороне фронта волны, где:

dЕ^2/dt < 0

(1.2.12)

будет

0 < ε < ε0

(1.2.13)

Для фотона с λ=6*10^-7 м, учитывая (1.2.8), можем найти:

max|dE/dt|*E*c/λ =2*10^20 в/м*сек

(1.2.14)

Это значительная величина. Для достижения такой величины производной при сравнительно маленькой частоте колебаний электромагнитного поля (ЭМП) в 2Ггц необходимо создать ЭМП напряженностью в 10⁺¹¹ в/м. Увы, такие напряженности ЭМП при таких частотах пока недостижимы и в "лоб" измерить предполагаемую нелинейность ε не удается. Но, тем не менее, предположим, что:

		n = F(dW/dt)	(1.2.15)
где	F - пока неизвестная нам функция W - плотность энергии ЭМП n – показатель преломления вакуума

От ε перешли к n потому как с таким же успехом может меняться не только ε но и μ.

Положим более конкретно (но с большей вероятностью ошибки в дальнейших построениях) что:

n = n0/(1-a* dW/dt)^2

(1.2.16)

Рис.1

Здесь сразу может возникнуть возражение: при таком виде n электромагнитная волна будет не инвариантна относительно разных систем отсчета. Но на это можно ответить так: n в каждой системе своя, а правильнее - n измерительного прибора (материального тела) в каждой системе своя, т.е. сами измерительные приборы не инвариантны и их показания зависят от тех условий, в которых они находятся. Например, часы на поверхности Земли идут, медленнее часов на Луне.

Теперь попробуем, исходя из формулы (1.2.16), представить структуру фотона (см. рис.1, где: 1 - направление электрического (магнитного) поля, 2 - направление распространения энергии электромагнитного поля.). На переднем фронте электромагнитной (ЭМ) волны фотона имеем

dW/dt > 0

и

n > n₀

n тем больше, чем больше скорость нарастания концентрации энергии. При этом скорость движения ЭМ энергии (V) меньше скорости света (c) и имеет некоторую составляющую по направлению к центру (происходит фокусировка).

На обратной стороне фронта ЭМ волны фотона имеем

dW/dt < 0

и

0 < n < n₀

n тем меньше, чем больше была концентрация энергии. При этом скорость движения ЭМ энергии (V) больше скорости света (c) и имеет некоторую составляющую по направлению от центра (происходит расфокусировка).

Взглянем на рис.1. Он напоминает воронку, или искривленные ножницы. Здесь надо вспомнить мысленный эксперимент по определению скорости движения точки пересечения двух лезвий ножниц (см. рис.2).

Рис.2

Эта скорость равна

		U=V/Sin(α/2)	(1.2.17)
где	U - скорость движения точки пересечения лезвий по направлению X (фазовая скорость), V - скорость движения лезвий перпендикулярно режущей кромке, α - угол между лезвиями.

Из формулы (1.2.17) видно, что скорость U может быть сколь угодно большой. Это и понятно: точка пересечения лезвий не является материальным телом. Аналогично можно подойти и к нашей "воронке" (см. рис.1), т.е., мы можем, выбирая различные формы представления зависимости (1.2.15), получить произвольные скорости движения фотона как целого при незначительном отклонении скорости отдельных частей ЭМ волны от установленной скорости света. Но для устойчивости фотона все же необходимо, чтобы скорость фотона, как целого, была меньше скорости ЭМ энергии на заднем фронте его ЭМ волны.

Из нашей "воронкообразной" модели фотона следует, что фронт ЭМ волны фотона на периферии значительно опережает его центральную часть, где сосредоточена основная доля ЭМ энергии. Таким образом, область основной концентрации энергии и даже весь фотон может получить информацию о препятствиях, далеко расположенных от него и изменить направление своего движения в соответствии с характером взаимодействия. Причем, последнее уже проявится во взаимодействии фотона, как целого, с препятствием.

Благодаря нелинейности n, возможно взаимодействие между фотонами. Например, луч света от далекой звезды, состоящий из фотонов с одинаковой длиной волны в результате резонансного взаимодействия станет когерентным, т.е. фотоны выровняют фазы своих ЭМ волн за время путешествия от звезды до Земли (их движение можно будет уподобить движению стройных шеренг солдат).

Рассмотренная "воронкообразная" модель фотона больше подходит для двухмерного случая. В нашем трехмерном мире структура фотона будет несколько сложнее. Как она будет выглядеть - можем попробовать представить, сгибая рис.1 в трубку вдоль оси Х. При этом концы нашей "воронки" пересекутся и мы будем иметь еще одну "воронку". Продлевая концы новой "воронки", мы получим новое пресечение и новую "воронку" и т.д.. В данной модели как таковой "воронки" нет. Есть концентрация энергии вдоль "жгутов", завитых (вокруг трубки) в правую и левую спираль. Энергия ЭМ волны движется вдоль жгутов, последовательно замедляя свой бег и концентрируясь в узлах пересечения (в этот момент фотон подобен корпускуле), а затем расходясь вдоль жгутов ускоряя свой бег (в этом месте фотон подобен волне), так что в среднем скорость движения остается неизменной.

Электрон

Из формулы (1.2.17) мы можем сделать вывод, что n, тем больше отличается от n ₀, чем больше энергия фотона (больше Е, H и больше скорость их изменения - частота f), а значит и тем больше возможное взаимодействие между фотонами.

При взаимодействии двух гамма- квантов (фотонов с большой энергией), имеющих частоту ЭМ колебаний:

		f > m*с^2/h =1.2*10^20 гц,	(1.2.19)
где	m - масса электрона, h - постоянная Планка;

длину волны

λ < c/f= 2.4*10^-12 м

(1.2.20)

и напряженность поля на фронте ЭМ волны

		Е > SQRT( h*c/(ε* λ^3))=2.5*10^16 в/м,	(1.2.21)
где	SQRT( ) - функция извлечения квадратного корня.

Как мы знаем, так может родиться пара частиц: электрон и позитрон.

Попробуем построить модель электрона из ЭМ волн. Объединим два гамма кванта. На плоскости фазовая картинка будет выглядеть приблизительно так как показано на Рис.3.

Если эта картина верна, то, очевидно, что основная ЭМ энергия нашей модели будет сосредоточена в узлах пересечения ЭМ волн и вектор электромагнитных полей в узлах будет в основном направлен к центру модели.

Рис.3

Однако в нашей новой модели, кажется, не все гладко. Основная энергия оказалась сосредоточена по одной оси (ось Y на рис.3). Назовем эту направленность "зарядовым вектором" (ЗВ), создающим, на первый взгляд, колоссальный квадрупольный момент, который давно был бы обнаружен. Но здесь есть одно "но". При построении своей модели электрона мы приняли, что на обратном фронте ЭМ волны скорость распространения ЭМ энергии превышает скорость света, а это означает, что узел пересечения спиральных ЭМ волн может перемещаться вдоль их фронта со скоростью, большей скорости света. Таким образом, наличие у электрона ЗВ будет проявляться совсем иначе, чем квадрупольный момент у обычного диполя.

Как и у фотона концентрация энергии вдоль "жгутов" ЗВ, завитых (вокруг трубки) в правую и левую спираль.

Под действием внешних сил, положим, этот спиральный жгут УСов электрона закручивается также в спираль (спираль второго порядка). Причем, эта спираль второго порядка может быть левой или правой. Движение энергии электрона по спирали второго порядка, по-видимому, можно назвать орбитальным движением с моментом L.

Сочетание направления закрутки спиралей УСов первого и второго уровня будет сочетание возможных ориентацией спина S и орбитального момента L.

Можно ожидать что под действием внешнего МП "ус" электрона будет склонен закручиваться в спираль третьего.

Протон

Модель протона мы можем построить по аналогии с моделью электрона, добавив к уже имеющимся двум ЭМ волнам третью таким образом, чтобы угол между плоскостями направления распространения ЭМ волн был порядка 120 градусов. В результате этого область наибольшей концентрации ЭМ энергии будет состоять из трех УСов.

УСы протона скручиваются вдоль своей оси так же, как у электрона, но, так как у протона их три, то это может привести к скручиванию их между собой в один УС (возможны и другие варианты), имеющий минимальный магнитный момент.

Усы ЗВ это и есть "аксионное поле"?

Атом

Естественно начать рассмотрение строения атома, начиная с атома водорода, состоящего из одного протона и электрона.

При взаимодействии электрона с протоном электрон оказывается внутри конусного УСа протона таким образом, что один УС электрона, взаимодействуя с УСом протона оказывается направлен в сторону протона, а второй УС электрона при этом выталкивается вбок, т.к. направление его ЭП противоположно ЭП УСа протона.

В результате такого взаимодействия за пределы нашей модели атома водорода будут выходить в разных направлениях два УСа. Один УС электрона и УС протона с скомпенсированным наполовину ЭП.

Такой атом будет иметь большой электрический дипольный момент и, вследствие, этого большую реакционную способность.

При взаимодействии двух атомов водорода их свободные УСы взаимно замыкаются так, что вне образовавшейся молекулы водорода мало что остается и в результате получается относительно инертный газ.

Получившаяся молекула сильно напоминает атом гелия. Если мы сблизим протоны и свяжем их в ядро нейтронами то мы и получим атом инертного газа гелия.

***

Приведенные умозрительные построения – только лишь отправная точка для дальнейших размышлений, исследований.

СОДЕРЖАНИЕ

Тематическое содержание