# Квантовая теория. Ч.3.3. Итог критики и Анонс конструктива

Ник Прилих

Подведены итоги критического анализа квантовой парадигмы. Представлены анонсы нескольких работ автора, реализующих его концепцию "рациональной" (без избыточных сущностей ad hoc) физики

Следствия критического экскурсу по фундаменту квантовой теории


В предыдущих разделах много и в самых разных аспектах анализировались представления парадигмы - нерелятивистской квантовой теории - теории атома водорода.

Для того, чтобы приступить к ее конструктивному реформированию, подведем черту под осуществленной масштабной конструктивной критикой в виде ее краткого резюме.

Классическая динамика атома водорода (задача о паре массивных точечных заряженных частиц, притягивающихся по закону Кулона) адекватна/верна в такой же степени, в которой, верна квантовая теория квантовой системы "атом водорода" (хоть в виде Шредингера, хоть в виде Гейзенберга-Борна-Йордана-Паули). Именно: спектры и вероятности (интенсивности процессов) - то, что только и в силах дать квантовая парадигма, столь же успешно могут быть получены и в терминах классической динамики, если в ее формализме корректно учесть экспериментально наблюдаемую дискретность явлений микромира.

Из адекватности формализма и логики классической динамики для описания процессов от небесной механики до структуры атома, следует, что те принципы и гипотезы, на фундаменте которых сформулирована классическая теория (структура пространства-времени, закон Кулона, принципы относительности и детерминированности, свойства пространства-времени и т.д.), без купюр могут быть перенесены и на атомные пространственно-временные масштабы.

Возможности формализма классической механики (кроме механики точки, твердого тела, сплошной среды еще и динамический хаос, бифуркации, устойчивость, нелинейные эволюционные уравнения и др.) далеко не исчерпывающе нашли применение в квантовой парадигме - по инерции предпочтение некогда приносившей успех логике полевых уравнений. А потенциал ее возможностей кажется неисчерпаемым.

Сонм внутренних проблем классической электродинамики, невозможность построения единой теории системы "заряженные частицы - электромагнитное поле", не решаемость проблемы излучения/поглощения ЭМП зарядом - вынуждает к констатации: не отрицая частные законы электромагнетизма (Кулона, Ампера, Фарадея, Ома, Кирхгофа и др.) мы - с необходимостью - вынуждены признать несостоятельность классической электродинамики Максвелла (точнее - его системы уравнений) как фундаментальной теории мироздания - теории описания электромагнитных явлений.

Не понимаем, что такое электрон и протон (как они устроены). Ответ - массивные точечные частицы (в логике нерелятивистской теории атома) носители заряда, спина, магнитного момента - не ответ, а уход от него.

Не понимаем: что такое масса (частицы).

Не понимаем: что такое заряд (частицы).

Не понимаем: что такое спин (частицы).

Не понимаем: что такое магнитный момент (частицы).

А с фактом спина - принцип Паули?

Почему заряженные частицы взаимодействуют именно по закону Кулона?

Понимаем, почему спектр энергий (для "связанных состояний", разрешенные значения) атома водорода ~-1/n^2 при кратности вырождения n^2 - потому, что так устроена механическая система (таков ее гамильтониан и ее симметрии - SO(4)), но НЕ понимаем:

Чем отличается состояния атома для "разрешенных значений" энергии от континуума (по энергии) "состояний" атома, не обладающих таким ("разрешенным") значением энергии?

А среди таковых ("разрешенных состояний") - чем замечательно "основное" состояние атома?

Не только совершенно не понимаем процессы квантового перехода в атоме (излучение/поглощение, ионизация/рекомбинация), но даже в ранг особенностей логики "квантовой теории" возводится отказ даже от постановки такого сорта задачи о динамике квантовой системы.

Коль скоро не обсуждаются процессы перехода (динамика) в квантовой системе, то вне поля интереса исследователей (а, значит, и знаний/представлений) являются вопросы о том

Что такое (каков он, каков механизм его формирования, почему он именно таков) фотон?

Эксперимент говорит за то, что в свободном состоянии (в ускорителях, в электронно-лучевых трубках) даже легкие частицы (электроны) детектируются как точечные объекты. Но так ли мы уверены в том, что они (и протоны, и электроны) точечные даже в "свободном" состоянии, не говоря уже о состоянии связанном (в атоме), когда движение "частиц" финитно?


В части критического анализа квантовой теории, наверное, автор сделал не все, что можно, но, совершенно точно, без намеренно/осознанных пропусков. И - грустно... Грустно от того, что наши базовые, самые фундаментальные (те самые "квантовые") представления о микромире столь не полны, фрагментарны, алогичны. И беда даже не в том, что приведение в порядок наших фундаментальных представлений не только не в повестке актуальных задач теории/науки/гносеологии, но даже просто замалчиваются и при обучении, и при исследованиях по небрежности, некомпетентности, из соображений конъюнктуры.

Но грусть светла. И не без оснований. Далее представлен анонс работ, уже готовых быть представленными к обсуждению. Как представляется автору уже только они, несомненно, указывают на то, что декларируемая (и ранее, и сейчас) автором концепция данной работы - конструктивное реформирование квантовой теории - уже состоялась. Многое уже получилось. Многое - в реальных планах.

И еще: для того, чтобы будущая теория стала интуитивно приемлемой и безусловно эффективной, нужно сформулировать для неё множество базовых "процессных" экспериментов, которые бы могли отвечать не только на вопрос "сколько", но и на вопросы "как" и "почему". НЕ только иллюстрировать и подтверждать теорию, но и испытывать на состоятельность и границы применимости. И они, такие эксперименты, будут и "интуитивной базой" формализма теории, и "критерием ее истинности". О них, "процессных" экспериментах - далее, "по мере поступления". И им, этому набору экспериментов - опоре и руководящему персту теории - будет посвящена отдельная часть работы.


Анонс первых результатов модификации квантовой теории

Анонс первых результатов модификации квантовой теории


Как уже ранее упоминалось, идеалом физической теории (возможна ли - вопрос открыт), по мнению автора, является такая теория, в которой все сущее (частицы, поля, процессы, взаимодействия) следствия возбуждений (и взаимодействий этих возбуждений) некоей нелинейной среды - праматерии. Но не питая ложных иллюзий тотчас записать уравнения этой нелинейной среды, действуя в условиях крайней ограниченности основного ресурса своей деятельности - времени - автор вынужден поступать в высшей степени прагматично. Успехом в деле модификации квантовой автор будет считать безукоризненные (с точки зрения логики, формализма, эксперимента) ответы хотя бы на некоторые из поставленных ранее вопросов (но каждый из вопросов - принципиален с точки зрения и логики, гносеологии теории - пропуски, а тем более исключение их из списка актуальнейших - неприемлемо). Последовательность решаемых автором задач, модифицирующих представления теории микромира, определяется "ситуативно" - решается та из них, для которой складывается комплекс благоприятных условий:

есть удовлетворительной точности "решающий" эксперимент;

в сознании автора сформировалась не противоречащая эксперименту и здравому смыслу интуитивная модель системы/явления, процесса;

для описания изучаемой системы удается привлечь адекватный математический формализм.


Принципы работы, которым автор следует неукоснительно - поименованные ранее ПКТ1-ПКТ9. Этот перечень будет не полон, если не отметить то, что автор стремится к максимальной аккуратности в рассуждениях, преобразованиях и доказательствах, сознавая, что это не гарантирует отсутствия непреднамеренных ошибок, за которые он заранее приносит извинения взыскательному читателю.

Еще. Всякий, пытающийся что-то создать в соответствии с личными побудительными мотивами, конечно же старается сделать свою работу как можно лучше. И автор в этом отношении - не исключение: мне бы хотелось не только получать огромное удовольствие от процесса (что я имею в полной мере), но важно, чтобы и моя (данная) работа - реформирование квантовых представлений - тоже была сделана как можно лучше - была бы интересной, убедительной, логически непротиворечивой, формально корректной. Беда в том, что "фронт работы" слишком широк - переосмыслить, переформулировать, формализовать вековой процесс - продукт/результаты работ многих тысяч исследователей. Ресурсы, которыми обладает автор (время, информированность, компетенции и пр.) весьма ограничены, а горизонты, которые открывает работа, представляются автору весьма и весьма заманчивыми. И важно: насколько известно автору по доступным публикациям, эти горизонты пока не получили систематического освещения, а настоящая работа есть попытка предложить такую систему. Поэтому, движимый и естественным для исследователя любопытством (как "оно все" там будет выглядеть "в целом"?), с одной стороны, и желанием расставить как можно дальше вехи по избранному автором пути для возможных последователей, автор вынужден (возможно, иногда "наступая на горло собственной песне"), при прочих равных, отдавать предпочтение обсуждению принципиальных вопросов вместо того, чтобы полировать до блеска детали/фрагменты. Замечание - попытка априорной защиты от кажущихся естественными обвинений в "верхоглядстве".

И, наконец, наука - развивающаяся система, и данная работа, как ее скромный фрагмент, неизбежно несет на себе отпечаток времени. Вполне естественно, что в будущем некоторые из представляющихся сегодня убедительными представлений могут потребовать пересмотра.

Далее - краткий анонс (на момент написания этих строк) того, что автор с удовольствием и удовлетворением готов представить на суд читателя заинтересованного, компетентного, готового следовать за логикой вне парадигмы, способного опереться на собственные интеллект, компетенции и здравый смысл иногда "сильно" вопреки утверждениям текстов и апологетов квантовой парадигмы.

Формат пунктов анонса таков:

Цель модификации - описание (возможно - неформальное) проблемы теории или неудовлетворенность автора некоторым ее фактом/обстоятельством.

Экспериментальное основание для рассуждений.

Пожелание автора для разрешения проблемы.

Разрешающая проблему идея/гипотеза

Требующаяся/желаемая формальная модель для разрешения проблемы.

Формальный результат.

Чего удалось достичь.

Оставшиеся или вновь возникшие "неудовлетворенности" теорией.

Общая оценка решения.

Перспективы фрагмента (направления развития или пересмотра/усовершенствования).


Итак,

1.Заряд


Заряд, actions at a distance, закон Кулона

Комплекс взаимосвязанных кажущихся сами собой разумеющимися, но от этого не становящиеся более понятными понятий/вопросов: что такое "заряд частицы"? что такое actions at a distance? почему именно закон Кулона (столь прост и эффективен до масштабов атома как минимум)?

Эксперимент - весь комплекс экспериментов с зарядами.

Автор: от признания факта существования объектов/представлений к (желательно унифицирующей) формализации, а через нее - углубление представлений о структуре и этих объектов теории, и мира.

Идея - уход от концепции парадигмы "точечный заряд-электрическое поле" к представлению "точечной заряженной частицы" возбуждением некоей среды (той самой "праматерии"?)

Нелинейное интегральное уравнение.

Результат формального решения - структура возбуждения, соответствующая представлению о точечной заряженной частицы в парадигме.

Полученный формальный результат: заряд перестал быть кусочком какой-то материи с распределенным в нем каким-то образом зарядом (электростатическая устойчивость?!); actions at a distance и закон Кулона - естественное следствие полученного пространственного распределения "заряженной" частицы.

Исчерпывающее достижение поставленной цели.

Удивительно простыми средствами получен столь мощный результат.

Перспективы: развитие модели на дальнейшую детализацию свойств и микроструктуры заряженной частицы (форма, размеры, масса, магнитный момент); пересмотр представлений электростатики; необходимо построение теории взаимодействия заряда и поля излучения.


2.Спин

Спин микрочастицы

Цель: в рациональных терминах интерпретировать пресловутый "спин точечной частицы" - параметр, "не имеющий классического аналога".

Экспериментальное основание - тонкая структура атомных спектров.

Логика автора: имеющий место экспериментальный факт должен иметь (автору так хочется!) рациональное объяснение и интуитивно приемлемый образ.

Идея: наблюдаемый в эксперименте магнитный момент частицы в парадигме пропорционален ее спину; тогда - так ли необходима теории (и мироустройству) эта, возникшая в соответствии с логикой ad hoc, сущность - "спин"? Магнитный момент точечной частицы - вполне "классический" параметр. А необходимое (для теории) "удвоение" количества линий в спектре атома достигается гениальной находкой Паули - удвоением ("руками") количества волновых функций-состояний квантовой частицы - формулируется спиновое (двухкомпонентное) уравнение Шредингера - уравнение Паули.

Формальная цель/модель - сформулировать однокомпонентное уравнение (уравнение Шредингера-М - модифицированное), которое бы в точности воспроизводило экспериментальные спектры, успешно предсказываемые уравнением Паули.

Результат - сформулировано однокомпонентное уравнение (обобщение уравнения Шредингера) - получен корректным учетом существования магнитного момента частицы (способной поэтому ориентироваться по и против магнитного поля). Формально корректное введение магнитного момента как свойства "точечной" частицы достигнуто формальной реализацией гипотезы автора о том, что микрочастицы (протон и электрон) является точечными объектами в масштабах атома в силу используемой нами (инерция макроскопической природы наблюдателя и эксперимента) в качестве измерительного масштаба шкалы "вещественных" чисел. В более "мелком масштабе", при "более тонком взгляде на микромир", например, в масштабе гипервещественных бесконечно малых, точечные объекты "вещественного" миросозерцания (протон и электрон) становятся объектами не только "конечных" размеров, но и имеющими форму (например, симметрии цилиндра), что важно для наделения микрочастицы свойством магнитного момента. Итак: электрон (и протон), будучи заряженной материальной точкой с точки зрения масштабов вещественной шкалы, с точки зрения гипервещественной - объект, обладающий не только цилиндрической симметрией, но и магнитным моментом.

Получено:

без введения "спиновой" двузначности, используя экспериментально наблюдаемый магнитный момент, получено однокомпонентное уравнение (Шредингера-М), воспроизводящее правильную тонкую структура спектра;

появились веские основания считать, что рассмотрение/изучение объектов и явлений субатомных масштабов (на расстояниях порядка диаметра протона и менее) должно осуществляться в гипервещественных терминах;

появилась надежда рассматривать/изучать доселе точечные объекты (протоны и электроны) как пространственно протяженные;

исключена из теории избыточная (ad hoc) сущность - спин, что, в свою очередь, исключает один из важнейших фантомов/феноменов из интерпретационных "особенностей" квантового мироустройства и, главное - мировосприятия;

естественным образом (ценой модификации логики теории и формализма) удается снять расходимость величины собственной энергии заряженной "точечной" частицы;

вновь обретает свое место в научном творчестве интуитивное мировосприятие;

основа для размышлений: вполне классические образы - цилиндрически симметричная пространственная структура (электрона) - как и на заре создания квантовой теории - является фундаментом интерпретаций сугубо квантовых явлений (тонкой структуры спектра атома);

как показывают проведенные количественные оценки, принцип Паули - избыточный конструкт (еще одна сущность ad hoc!): он есть элементарное следствие условия минимальности энергии системы при последовательном заполнения тождественными фермионами (электронами) "разрешенных уровней энергии в атоме" (с учетом взаимодействия каждого последующего электрона с ядром атома и всеми с уже ранее оказавшимися в атоме электронами).

Пока (до полного осмысления и всякого рода экспериментальных тестов/проверок) полученный результат - обещающее приглашение к размышлению для недюжинных умов.

В предположении отсутствия ошибки: работа - мощный нетривиальный результат - итог симбиоза достижений парадигмы, прагматизма автора и удачного применения нетривиальной формальной логики.

Перспективы дальнейшей работы:

экспериментальные тесты (планирование, оценка результата, реализация);

необходимость осознать природу "магнитной" двузначности частицы как следствия ее цилиндрической симметрии (в силу смены представления о природе заряда);

предполагаемая структура (пока - свободных!) протона и электрона должна естественным образом определять/задавать величины их масс и магнитных моментов;

необходим пересмотр "магнитного аспекта" взаимодействия частицы с полем.


3.Природа связанных состояний в атоме


Экспериментально-формальная природа связанных состояний атома

Пропорциональность разности двух термов атома частоте излучения при переходе атома меж состояниями, соответствующими этой паре термов - безусловный экспериментальный факт и важный результат квантовой теории. Это "согласие" расчетного и экспериментального (дискретного) спектра, принципиально для возникновения и нынешнего существования квантовой теории; данный факт - основа квантово-теоретических представлений о микромире. Но ни сам этот факт, ни то, что обсуждается в связи с этим знаменательным фактом, не отвечает на вопрос: чем замечательны эти значения энергии ("связанных" состояний) по сравнению с энергиями (состояниями), не совпадающие с "разрешенными" энергиями? Парадигме даже не интересна его постановка: эксперимент согласуется с расчетом - значит успех теории! Но от того, что вопрос не артикулирован, не значит, что ответ на него не важен. Важен принципиально, если теория - инструмент, опора познания, а не расчетный алгоритм частных случаев. В этом контексте - два вопроса. Первый: чем замечательны/отличаются (от) разрешенные (связанные) состояния от запрещенных? И второй: а среды разрешенных - чем замечательно основное состояние атома?

Экспериментальный фундамент - оптические спектры излучения/поглощения атома.

Позиция автора: коль скоро есть достоверный экспериментальный факт - должно быть рациональное объяснение с адекватной формальной моделью обсуждаемого объекта-процесса-явления.

Идея-гипотеза: исчерпывающе удовлетворительным ответом на оба вопроса была бы устойчивость механической системы (атома водорода) при значениях энергии (связанных) состояний, совпадающих с разрешенными.

Формальная модель - поиск (или формулировка) подходящей концепции устойчивости механической системы. Подходящая концепция существует - структурная устойчивость ("грубых" по Андронову-Понтрягину) систем. Работа - поверка удовлетворения интересующей нас классической системы ("атом-водорода") критериям устойчивости. Да, наша механическая система структурно устойчива по отношению к ее возмущениям, сохраняющим ее симметрию so(4). Примеры такого вида малых возмущений (сохраняющих алгебру Ли первых интегралов проблемы Кеплера и, как следствие, топологию - замкнутость - траекторий): флюктуация константы взаимодействия частиц (зарядов - например - из-за диэлектрической проницаемости - флюктуаций праматерии); малое гравитационное или малое магнитное поле). Не исключено, что такого рода возмущения являются определяющими факторами существования материи.

И квантовая теория атома водорода (Шредингера, Гейзенберга-Борна-Йордана-Паули), и правила квантования Бора-Зоммерфельда - тривиальные и строгие следствия выполнения условия структурной устойчивости (классической механической системы "атом водорода") траекторий электрона в атоме, соответствующих "разрешенным" значениям энергии. Главное квантовое число атома, как сумма значений величин адиабатических инвариантов 〖n=n〗_r+n_φ, возникает не как искусственное определение, а как инвариант алгебры симметрий - алгебры Ли so(4) (как значение ее оператора Казимира - центра алгебры).

Достигнуто:

снят флер таинственности с "квантовой" дискретности спектра атома водорода;

строго установлена "природа" успеха теории Бора-Зммерфельда;

тривиальными формальными средствами и минимальными усилиями получено бесспорное и удивительное по мощи подтверждение эффективности классической динамики и на атомном уровне тоже;

сужается круг поиска структуры теории, описывающей квантовые переходы в атоме - нужны переходы между устойчивыми состояниями механической системы при нарушении их устойчивости возмущением.

Остается настороженность - слишком сильный результат получен столь незначительными идейными и формальными средствами. Нужно додумать, сформулировать экспериментальные тесты-критерии.

Принципиально важное наблюдение. Удивительно, что (судя по публикациям) эта, лежащая на поверхности мысль (о связи устойчивости и квантования), безусловно, бывшая предметом размышления очень многих коллег, не доведена до логического завершения. Или автор что-то упускает?

Если и логика, и формализм безупречны, то необходимо:

формулировать динамику квантовой системы в терминах/на языке процессов (квантовых переходов в системе), а не вероятностей их исходов;

фотон - как компонент/продукт квантового перехода в атоме, обретает черты реальности - из феномена-фантома квантовой теории неясного генеза (толи плоская волна, толи частица не понятных формы/размера) превращается в осязаемый объект ясной природы и параметров;

и, конечно, вероятно, удастся продвинутся в построении непротиворечивого описания взаимодействующих зарядов и поля.


4.Нейтрон


Нейтрон как связанное состояние протона и электрона (в работе)

Нейтрон как (безусловно) частица материи - очень странный объект по сравнению с протоном и электроном: будучи электронейтральным - имеет ненулевой магнитный момент; оказываясь в свободном состоянии (вне ядер атомов) распадается; продукты распада - протон, электрон и (предположительно?) антинейтрино (введено сначала Паули, а потом и Ферми как ad hoc сущность/мера для сохранения фундаментальной концепции естествознания - закона сохранения энергии - при "слабых" взаимодействиях). Существующая в парадигме интерпретация того, почему в процессе распада нейтрона дальнодействующая (и "сильная") сила кулоновского притяжения протона и электрона не "в силах" противостоять "слабому" и очень короткодействующему "слабому" (способствующему распаду нейтрона) взаимодействию, и интуитивно, да и формально воспринимается не как ответ, а как уход от ответа.

Экспериментальный базис: масса, заряд магнитный момент n, p, e; нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем через 880 с.; распределение заряда в нейтроне (глубоко неупругое рассеяние электронов на нейтронах - до 0,7 Фм - заряд положительный, далее, до 0,84 Фм - сферическое кольцо отрицательного заряда); нуклоны (n и p) в ядре удерживаются ядерными силами ("сильное взаимодействие").

Автору представляется естественным попытаться представить нейтрон в виде некоей композиции положительного и отрицательного зарядов (природа которых, представляется, не может не быть связанной с протоном и электроном), продуктами распада которой (нейтрона) являются уже стабильные протон и электрон. Важно учесть, что ранняя попытка смотреть на нейтрон как на связанное состояния протон-электрон признана несостоятельной (по несохранению магнитных моментов и энергии в реакции распада нейтрона - А.Б. Мигдал). В случае успеха реализации гипотезы радикально уменьшается количество востребованных теорией сущностей (нейтрино, кварки, глюоны, конфайнмент, само "слабое", да и сильное тоже (см. далее) взаимодействие).

Ключевая гипотеза, снимающая противоречия:

В отличие от ранней модели нейтрона (точечные р, е), мы отказываемся от представления о протоне и электроне как о точечных частицах. Вместо этого принимаются три взаимосвязанных положения:

Заряд и магнитный момент - не атрибуты точки, а геометрические характеристики протяженной структуры в гипервещественном пространстве.

Эти структуры (частицы) могут обладать нетривиальной топологией, что, в частности, может допускать деформацию этих структур и даже взаимное проникновение без аннигиляции.

Взаимодействие между структурами (соответствующим протону и электрону) внутри нейтрона - не "сильное" или "слабое", а чисто электромагнитное (поляризационное), вытекающее из закона Кулона для неточечных объектов (если удастся установить, что закон Кулона "работает и внутри нейтрона" - для протяженных объектов и на расстояниях порядка 1Фм).

Формально: нейтрон в гипервещесивенном пространстве должен быть представлен как (геометрическая) двухкомпонентная структура, параметры которой, посредством подлежащего конструированию функтора, должны быть (в соответствии с экспериментом) сопоставлены "исходному состоянию" свободного нейтрона - его размерам (характерный диаметр - симметрия, вероятно, цилиндра), массе, заряду (нулевому), магнитному моменту. Динамика компонент этой двухкомпонентной структуры такова, что по истечении 880 с. компоненты трансформируются (бифуркация, катастрофа, фазовый переход?) из исходного состояния внутри нейтрона (возможно - топологически сложной "конструкции") в "свободные" протон и электрон каждый со своими "геометрией", определяющей их массы, заряды, магнитные моменты (в гипервещественном пространстве, которые (в вещественном пространстве) взаимодействуют по закону Кулона. Принципиально (надежда, но - не факт... пока?): выполнены (строго) законы сохранения (массы, заряда, магнитного момента, импульса энергии) с учетом "фазового перехода" структуры системы из "гипервещественного пространства нейтрона" в "вещественное пространство" продуктов реакции протона и электрона. Не исключено, что именно в этом "переходе" и скрыта та часть энергии, которая ранее приписывалась гипотетическому нейтрино.

(Ожидаемый/желаемый!) формальный результат - кроме декларированных ранее в анонсе ожиданий -

будет получена/понята формализованная структура нейтрона;

понята/описана динамика его распада и

три основные частицы материи (протон-электрон-нейтрон) становятся элементами точного знания о мироустройстве.

Сделано - пока не много:

формализована гипотеза геометрического представления заряда в вещественном пространстве;

сделаны первые шаги геометризации магнитного момента в гипервещественном пространстве;

сформирована логика сначала постановки, а затем и решения проблемы;

намечены (поименованы, подлежат углубленному освоению и конструктивному осмыслению) адекватные задаче формализмы.

Первоочередные задачи:

геометризовать магнитный момент простых (не составных - протона и электрона) частиц;

найти аргументы (pro and contra) за правомерность/адекватность применения и классической динамики вообще, и закона Кулона, в частности "внутри" (~1 Фм) нейтрона (проще - если "да", интереснее - если "нет").

найти (додумать) интуитивную модель топологии зарядов в нейтроне;

нетривиальна задача определения магнитного момента нейтрона как двухкомпонентной системы;

найти формализм (сначала - его принципы), который бы обеспечил трансформацию структуры зарядов, во-первых, за макроскопическое (огромное - 880 с.) время, во-вторых, в новые структуры со строго определенными экспериментом параметрами...

Задача представляется исключительно сложной концептуально. Возможно, формальный аппарат Стандартной модели или теории струн и сложнее формально математически, но по плотности новых идей и жесткости экспериментальных ограничений эта задача - беспрецедентна.

Но! Дорогу осилит идущий... Предварительные оценки показывают, что поляризационное кулоновское взаимодействие нуклонов конечных пространственных размеров (при (вероятно!) вполне выполнимых условиях к их структуре) может эффективно и исчерпывающе выполнять функции ядерных сил.


5.Эксперимент Майкельсона-Морли

Эксперимент Майкельсона-Морли

Причина обращения - интуитивная неудовлетворенность, переходящая в уверенность, что и формальная конструкция, и стандартная интерпретация СТО содержат внутреннюю несообразность (скорость света - максимальная из возможных (?) скоростей, независимость скорости света от системы отсчета (?), инвариантность интервала; а парадоксы? а 120 лет не прекращающихся дискуссий - не достаточно ли веское основание для того, чтобы задуматься?). И все это при том, что релятивистские обобщения механики беспрецедентно успешны (уравнение Дирака, масса/энергия покоя, расчет ускорителей, ядерная энергетика). Мир, безусловно, устроен по релятивистским законам, но конструирование и интерпретация релятивистских представлений видятся автору абсолютно неудовлетворительными: с какой стати скорость света максимальная из возможных? что значит - она не зависит от системы отсчета? Как понимать отсутствие того, возбуждением чего является распространение электромагнитной волны? а как согласуется тезисы СТО (в частности - об отсутствии выделенных систем отсчета) с анизотропией реликтового излучения, которая недвусмысленно и общепризнанно (нобелевская премия Пензиаса и Вильсона) задает выделенную систему отсчета во Вселенной, относительно которой мы, Млечный Путь, со скоростью 370 (?) км/с стремимся в направлении созвездия Льва?! Вывод: необходимо разбираться с истоками, один из которых - неудачный поиск эфира - эксперимент Майкельсона-Морли - 25 лет поисков, плюс десятки последователей на протяжении десятилетий. У автора была априорная убежденность в том, что в фундаменте этих поисков Майкельсоном допущена оплошность. И с третьей попытки, кажется, причина "отрицательного" результата (при ожидаемом и экспериментально обусловленном "положительном") найдена.

Основания для рассуждений/поиск несоответствия - работа Майкельсона (и Морли): логика, расчет, экспериментальный прибор (два штуки) и интерпретация эксперимента (потом и Лоренц).

Для начала (до конструирования формализма учета релятивистских эффектов) определить причину того, что результаты эксперимента Майкельсона (результат общепризнан и многократно проверен) и результаты эксперимента Пензиаса-Вильсона (общепризнан) расходятся столь непримиримо. Сразу отметим: обсуждались только эксперименты Майкельсона и Майкельсона-Морли, так, как именно эти результаты явились стимулом и экспериментальной предтечей СТО. Более поздние аналоги этих работ автор оставляет на совести их авторов: цель - исчерпывающе понять причины расхождения Майкельсон - Пензиас-Вилсон - достигнута.

Интерферометр Майкельсона регистрирует разность фаз двух световых волн. Вопрос - как ее вычислить. Майкельсон вычислял разность фаз как отношение разности оптических длин путей (в метрах) к длине волны излучения.

Автор полагает это некорректным. Свет - периодический в пространстве и времени процесс. Поэтому разность фаз должна определяться количеством длин волн, реально уложившихся на пути каждого луча. Это количество - разное для разных плеч и для направлений "туда" и "обратно" в одном плече, поскольку из-за эффекта Доплера длина волны в движущейся системе - различна.

Формальная модель - тривиальная кинематика материальной точки (точнее - двух - два луча движутся до зеркал и обратно) и "квантование" каждого четырех отрезков траектории (два луча туда-обратно) своими длинами волн (эффект Доплера).

Если в логике Майкельсона ожидаемый эффект предполагался во втором порядке по отношению v/c - 0,04 длины волны в первом эксперименте и 0,4 длины волны во втором эксперименте, то в предложенной автором логике наблюдаемый эффект - эффект первого порядка - разность фаз лучей сотни раз за один оборот интерферометра принимала все возможные значения. Поэтому периодический съем данных в ходе эксперимента - регистрация случайного значения разности фаз лучей.

Если логика автора верна, то:

Не принижая заслуг Майкельсона как исследователя (постановка задачи, конструирование прибора, расчеты предполагаемого результата, интерпретация эксперимента, его целеустремленность и преданность достижению цели на протяжении десятилетий), автор вынужден констатировать, что эксперимент Майкельсона, имевший благую цель, некорректно спланирован, не верна его формальная модель и ошибочна интерпретация. Автором предложен одноплечевой вариант интерферометра на СВЧ, который, предположительно, позволит очень просто (по сдвигу фаз - пучностей) зарегистрировать суточное вращение Земли.

Из логики расчета кинематики лучей в интерферометре Майкельсон следует фактор Лоренца - это важно будет иметь ввиду при формализации представлений относительности (рационального аналога СТО).

Если предложенная логика автора верна, то эксперимент Майкельсона кроме познавательно-исторической ценности, становится еще и ярчайшей иллюстрацией того, что ошибаться могут даже лучшие умы, даже на протяжении десятилетий и того - каковы последствия ошибок некритичного следования авторитетам.

По завершению ревизии эксперимента Майкельсона, автор морально готов к конструированию формализма учета релятивистских эффектов без парадоксов и спорных (так как непроверяемых) констатаций.


6.Релятивизм

Релятивизм

Причина необходимости конструирования формализма для описания эффектов относительности - непреодолимое для автора препятствие между попыткой понять теорию относительности по самым разным руководствам и его неготовностью принять на веру расчетные релятивистские алгоритмы.

Экспериментальный базис - тонкая структура спектров атомов (уравнение Дирака, СМ), расчет ускорителей, релятивистская кинематика процессов взаимодействия частиц и многое другое.

Никаких инвариантных интервалов, ни постоянства скорости света, никаких (никаких!) парадоксов, ни слова о скорости света; существуют выделенные системы отсчета (задаваемая, например, реликтовым фоном), но при этом корректное описание релятивистского движения - процессов при высоких скоростях (энергиях) объектов.

Разрешающая проблему идея - аксиоматическое введение релятивизма на рациональном, строго оговоренном комплексе определений и явно сформулированных гипотез - преобразования физических величин при переходах меж ИСО должны быть группой. Постулат группы (не формальный изыск автора, и даже не "подгонка под эксперимент") - это формализация факта реальности: пейзаж не зависит от пути, который нас к нему приводит - последовательности преобразований меж инерциальными системами отсчета A → B → C и A → C должны давать один результат (консервативные системы).

Логическая структура рационального релятивистского формализма:

Определение 1: система отсчета (СО) - наблюдатель с линейкой и часами - все три объекта совершенно одинаковые во всех мыслимых (практически реализуемых) СО.

Гипотеза 1: существует выделенный класс СО - инерциальные системы отсчета (ИСО) - фактор множество всех мыслимых СО по отношению эквивалентности - движение любой из них относительно всех прочих (из этого множества) равномерно и прямолинейно. Относительные скорости меж СО - скорости обычной (нерелятивистской) механики. О неинерциальных - отдельно.

Гипотеза 2. Предположение (удобное, упрощающее логику и формализм, представляющееся очень естественным, хотя и непроверяемое): все процессы (а, значит, и эксперименты) во всех ИСО "протекают" одинаково, а, следовательно, описываются в одних и тех же "терминах" и одними и теми же уравнениями. Именно такая запись освобождает логику и формализм теории от ненужных костылей частной СО, превращая уравнения в более адекватные реальности

Гипотеза 3. Формальные выражения физических величин, и представляющие физические величины, и описывающие процессы (уравнения) представляются в "релятивистском" виде - записываться одинаково (с точностью до обозначений) независимо от того, для какой из СО запись величины или уравнения осуществлена. Будем говорить, что и физические величины, и уравнения, записанные релятивистским образом, имеют ковариантный вид, если они записаны/являются в виде тензоров (имеют вид тензора) какого-то ранга по отношению к определенной далее группе преобразований.

Определение 2. Назовем пары физических величин "релятивистски сопряженными", если их размерности отличаются скоростью. Примеры пар: интервал времени - пространственный интервал, масса - импульс; плотность заряда - плотность тока. Такие пары образуют релятивистские коварианты - 4-векторы - составные 4-компонентные величины - из "времени-подобного" скаляра (интервал времени, масса, плотность заряда) и трехмерного пространственно-подобного вектора (перемещение, импульс, плотность тока). Размерности скаляров и векторов в парах делаются одинаковыми умножением скаляра на константу размерности скорости (величина константы - из согласия с экспериментом)

Пояснение 1 - (почему/зачем) удобства/необходимости превращения пар в общем-то разных величин (скаляра и трехмерного вектора) в одну четырехкомпонентную величину - в 4-вектор на тривиальном примере. Пусть в некоторой ИСО покоится кирпич. Для наблюдателя из этой ИСО этот кирпич - носитель качества "масса", но он, из-за покоя (скорость относительно наблюдателя равна нулю), имеет нулевой импульс. Движущийся наблюдатель из другой ИСО видит кирпич в первой ИСО (или просто предполагает его наличие там). Конечно, он понимает, что кирпич в первой ИСО имеет массу. Но второй наблюдатель постарается избежать столкновения с кирпичом, покоящимся в первой ИСО, так как для второго наблюдателя кирпич из первой ИСО обладает не только массой, но и импульсом.

Постулат: при переходе из одной ИСО в другую компоненты сопряженных пар физических величин изменяются как компоненты 4-вектора непрерывной группы преобразований перехода из одной ИСО в другую, параметром (преобразования) которой является относительная скорость.

Представлена непротиворечивая логика построения релятивистского описания систем и предъявлен конкретная реализация такого формализма гиперболическое вращение в 4-пространстве гиперболическими же функциями (такой язык в парадигме ассоциируется с термином "быстрота").

Достижения:

Констатация 0. Пространство и время абсолютны. Относительность - эффект преобразований значений физических величин (и пространственно-временных интервалов, в частности) из одной ИСО в другую.

Констатация 1. Постулат группы преобразований имеет следствием гиперболические вращения (группу поворотов) в псевдоевклидовом пространстве пар релятивистски сопряженных физических величин.

Констатация 2. Параметр группы (относительная скорость ИСО) имеет размерность скорости), а из формальных соображений должен быть величиной безразмерной. Размерная константа ("скорость света") возникает в преобразованиях как эмпирический масштабный множитель, обезразмеривающий относительную скорость ИСО (аналогично тому, как постоянная Планка "превращает" частоту, а постоянная Больцмана температуру в энергию).

Констатация 3. Представление группы псевдоевклидовых вращений может быть осуществлено бесконечным количеством способов, одним из которых является представление в форме Лоренца (с Лоренц-фактором) - "группа Лоренца" в парадигме релятивистских представлений.

Констатация 4. Представление группы псевдоевклидовых вращений гиперболическими функциями имеет два существенных "физических преимущества" перед представлением Лоренца: такие (правильные релятивистские) преобразования физических величин не только не имеют "особенности" на световом конусе (при v = c, т.е. не имеют ограничений для скорости движения объектов), но и сохраняют обычное (галилеево!) сложение скоростей. Разумеется, они дают корректный нерелятивистский предел.

Вопрос о том, какое именно представление группы (Лоренца, гиперболическими функциями или иное) наиболее адекватно физической реальности, требует дальнейшего анализа.

Исходная цель работы - сохранив суть и конструктив релятивистских представлений очистить их от всего лишнего, наносного, некорректного - достигнута вполне.

Две ярких иллюстрации того, каков он рациональный учет эффектов относительности.

Первая иллюстрация. В парадигме укоренилось представление о том, что закон Кулона, если и не непредставим в релятивистской форме, то предполагает сложное конструирование с результатом непредсказуемой эффективности, а чаще говорят об отсутствии его релятивистского представления. Относительно релятивистского представления закона всемирного тяготения и вовсе отсылка к ОТО.

С рационально-конструктивной точки зрения закон обратных квадратов - идеальный вариант примера "релятивизации".

Заряд (масса) покоящегося тела - это временная компонента 4-вектора. Заряд (масса) того же тела в другой ИСО - комбинация временной и пространственных компонент того же 4-вектора. Следовательно, произведение зарядов (масс) двух тел, каждое из которых покоится в своей ИСО, должно записываться как псевдоскалярное произведение их 4-векторов. Это и есть искомая релятивизация взаимодействия без введения полей-посредников.

Принципиально важно: расстояние в знаменателе выражения закона обратных квадратов есть расстояние между двумя точками, находящихся в разных ИСО, связываемых законом взаимодействия! Да, конечно, это расстояние между точками, как функция времени, зависит от относительной скорости ИСО. Но такое (или любое другое) расстояние между точками в некоторый момент времени может быть при ЛЮБОЙ относительной скорости ИСО! Расстояние в законе - это НЕ объект релятивистского преобразования. Оно - расстояние - свойство пары объектов из разных ИСО и инвариантно (одинаково!!!) для наблюдателей из обеих связанных законом ИСО при ЛЮБОЙ их относительной скорости.

Вот если бы нужно было получить ответ на вопрос о том, какой ("релятивистской"!) должна быть длина шага одного наблюдателя в другой для него ИСО - тогда - конечно без релятивистского преобразования длины отрезка, гиперболического поворота - никак! Но не в случае расстояния в законе Кулона! В нем расстояние - релятивистский ИНВАРИАНТ системы двух зарядов (даже в разных ИСО)!

Существующая в парадигме привычка "релятивистски" преобразовывать всякое расстояние и всякий промежуток времени - следствие категориальной ошибки: результат смешения величин, характеризующих одиночную ИСО, с величинами, характеризующими отношение между ИСО.

И - пример "работоспособности" релятивистского представления закона обратных квадратов: вполне стандартными средствами решена задача о смещении перигелия Меркурия.

Вторая иллюстрация. На пару свободно движущихся (релятивистских) частиц можно смотреть двояко: как на две различные частицы, каждая из которых характеризуется своим 4-вектором массы-импульса (каждая со своей массой и скоростью относительно некоторой ИСО), а можно смотреть на ту же пару частиц как на связанное состояние этих частиц - единый объект, характеризующийся одним 4-вектором массы-импульса - с одной массой (обеих) частиц и некоторой скоростью. Элементарные вычисления параметров "комплекса" (по параметрам частиц компонент) в нерелятивистском приближении дают: 3-импульс комплекса - его скорость - скорость центра масс пары, "масса ("энергия покоя") комплекса" - сумма масс частиц компонентов плюс кинетическая энергия их относительного движения, деленная на квадрат скорости "света". Так и "энергия покоя", при рациональном взгляде на мироустройство, обретает черты интуитивно внятной реальности.