CC BY
132
Сибирцев Владимир Афанасьевич,
Новосибирский государственный университет экономики и управления, доктор экономических наук, профессор, г. Новосибирск
Бозон Хиггса и темная материя
УДК 113
Статья относится к физико-математическим наукам, а точнее к разделу физики элементарных частиц. Хотя автор не является специалистом в этих областях, но высказывает свои суждения с надеждой на то, что специалисты в области физики обратят на них внимание и облекут изложенные ниже гипотезы в строгую физико-математическую форму. Начну с выдвинутой нами в книге «Жизнь и разум. Раскрытые тайны Вселенной» [1] гипотезы о том, что в основе мироздания находятся две сущности: абсолютный вакуум и первочастицы. Что это такое?
Первочастицы, по мысли автора, это наиболее мелкие по размеру, далее неделимые и бесструктурные частицы, которые в миллиарды раз меньше кварков и бозонов Хиггса. Раньше в роли неделимых выступали атомы, а потом элементарные частицы. Но те и другие оказались очень даже делимыми. Если, используя метод экстраполяции, мысленно продолжить их деление, то в пределе, несомненно, можно дойти до каких-то наимельчайших и далее неделимых частиц, которые названы первочастицами.
Первочастицы отличаются друг от друга только размером, формой и положением в пространстве. В каждой точке пространства они находятся хотя и бесконечно малое, но не нулевое время. Приближаясь по размеру к бесконечно малой величине, первочастицы - не точки, а материальные объекты конечного размера. Обнаружить их современными приборами нельзя, так как они проходят через них совершенно свободно. Своё существование первочастицы обнаруживают благодаря более высоким и более сложным уровням своей организации.
По Лейбницу, обязательно должны существовать простые субстанции, потому что существуют сложные. С этим согласен и Кант: необходимо должны существовать вещи в себе, потому что существуют явления. Вещь в себе (согласно Декарту, Спинозе и Лейбницу) - это то, что существует само по себе и ни в чем другом для своего существования не нуждается. «Неделимое, - считал Кант, - доступно только мысли».
Все эти положения в полной мере относятся к первочастицам. Они существуют сами по себе, тогда как все более сложные структуры нуждаются в существовании своей основы -первочастиц.
Поскольку первочастицы - это крайний предел деления материи, то далее они неделимы по определению. Они несотворимы, неуничтожимы и существуют вечно, тогда как все образованное из них живет ограниченное время: от долей секунды до миллиардов лет. Бесконечное множество бесконечно малых первочастиц составляют бесконечную Вселенную.
Но Вселенная наполнена не только первочастицами. Если бы во Вселенной существовали только первочастицы, то они вплотную примыкали бы друг к другу, были скованы в монолит, и никакой формы движения во Вселенной не было бы. А значит, не было бы элементарных частиц, атомов, галактик, а, в конечном счете, жизни и разума. Поскольку все это есть, то между лервочастицами имеется незаполненное ими пространство, то есть абсолютный вакуум.
Абсолютный вакуум - это естественная среда обитания первочастиц, одно из существенных свойств которых состоит в том, что внутри них вакуум совершенно отсутствует. Этим они отличаются от всех других частиц и тел, которые фактически состоят из сочетания первочастиц и вакуума.
Первочастицы (кванты материи) и кванты вакуума, по нашему мнению, являются первоосновами материального мира [2]. На самом глубоком уровне каждая первочастица связана с квантом вакуума. Их единство названо нами дуполем.
Дуполь - одно из самых ярких диалектических противоположностей, состоящее из вакуума - полного отсутствия материи, и первочастицы - полного отсутствия вакуума. Первочастицы могут при соударениях дробиться на более мелкие осколки, но превратиться в вакуум они не могут. Точно также квант вакуума не может превратиться в первочастицу.
Первочастицы не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда. Они нейтральны. Иначе при равенстве тех и других зарядов они образовали бы вселенский монолит; либо, если бы все они были одного заряда, то разлетелись бы по всему пространству и не смогли бы образовать никакого тела.
Что же в таком случае может двигать первочастицы и изменять их положение в пространстве? Поскольку на самом глубоком уровне мироздания находятся только первочастицы и вакуум, то ничто другое, кроме вакуума, не может воздействовать на первочастицы. Один из соседних с первочастицей квантов вакуума (какой - это дело случая) втягивает в себя первочастицу; потом - следующий за ним и так далее, придавая первочастице ускорение.
Из сказанного можно сделать два вывода:
Первый вывод - поскольку между первочастицами абсолютный вакуум, нет никаких препятствий и им не надо преодолевать никакого сопротивления, то они, в отличие от фотонов, могут двигаться с бесконечно большой скоростью. В случае столкновения с другой первочастицей обе они разлетаются либо раскалываются на части и осколки разлетаются под разными углами.
Второй вывод - вакуум - источник энергии, которая приводит в движение первочастицы. Но можно высказать еще более радикальную гипотезу: вакуум - это источник всех существующих в природе форм и видов энергии. Все виды энергии в конечном счете обязаны своим происхождением энергии вакуума, ибо других источников или какой-то третьей сущности на самом глубоком уровне мироздания не существует.
Упомянутый выше дуполь является простейшим ансамблем, в котором квант вакуума можно обозначить знаком плюс, а первочастицу - знаком минус. Из дуполей могут образоваться ансамбли в виде цепочек или струн, в которых к положительной части дуполя (вакуум) последовательно присоединяются отрицательные (первочастицы). Дуполи и их цепочки можно рассматривать в качестве первоосновы и первопричины положительных и отрицательных полюсов магнита, положительного и отрицательного заряда и электричества, а также струн гравитации.
Из дуполей сначала возникают простейшие ансамбли, включающие 3-6 первочастиц. Затем происходит усложнение ансамблей, увеличение в них первочастиц до десятков и сотен, сопровождающееся усложнением структуры ансамблей. В конечном счете, количество первочастиц в ансамблях достигает тысяч и миллионов, они группируются в комплексы и образуют бозоны Хиггса, кварки и элементарные частицы. Вот здесь можно произвести стыковку стандартной модели с нашей гипотезой о первочастицах и ансамблях.
В стандартной модели, как известно, ключевыми объектами выступают не частицы и не частицы-волны, а квантовые поля - электронное, мюонное, кварковое и другие - по одному полю для каждой элементарной частицы. Такое представление, по нашему мнению, является наиболее правильным, поскольку элементарные частицы это вовсе не частицы, не монолитные образования, подобные первочастицам, а их ансамбли.
Энергия вакуума в ансамблях преобразуется в энергию соответствующих полей, а материальное содержание полей-ансамблей представлено первочастицами. Заряд элементарных частиц определяется тем, какие из двух частей дуполей расположены на их поверхностях. У положительно заряженных элементарных частиц на поверхности находятся кванты вакуума, у отрицательно заряженных - первочастицы, а у нейтральных кванты вакуума, и первочастицы равномерно чередуются по поверности. Характер поля всех элементарных частиц определяется внутренним строением составляющих ансамблей и их расположением относительно друг друга.
Хотя стандартная модель тоже во многом описательная теория, но она позволяет выполнять вычисления и предсказывать результаты столкновений элементарных частиц, что пока находится за пределами возможностей автора данной статьи в отношении первочастиц и их ансамблей. Задача статьи, как уже сказано в начале, состоит в том, чтобы привлечь внимание к этой проблеме специалистов, которые смогли бы осуществить
интеграцию стандартной модели с гипотезой о существовании первочастиц, вакуума и дуполей с помощью математического аппарата.
Стандартная модель, как известно, не дает ответы на многие вопросы. Изложенная выше гипотеза позволяет нащупать ответы на некоторые из них. В частности это вопросы о том, что такое «темная» энергия и «темная» материя?
Начнем с темной энергии, которая является главной загадкой фундаментальной физики XXI века. В.А.Рубаков [З] считает, что одним из кандидатов на роль темной энергии выступает вакуум. Стоит ли говорить, что мы полностью разделяем это утверждение.
Выше вакуум был назван источником всех видов энергии. Это энергия в чистом виде. Физики отмечают, что темная энергия не собирается в сгустки и очень равномерно распределена во Вселенной. В самом деле: как абсолютный вакуум может собираться в какие-то сгустки!? Действительно, что может быть равномернее вакуума!?
Темная энергия - это вакуум, наполненный в основном первочастицами, из которых еще не сформировались ансамбли. В некотором смысле темная энергия и вакуум - это синонимы. Они обладают специальным свойством: отрицательным давлением, то есть они втягивают в себя первочастицы и другие объекты. В.А.Рубаков подчеркнул, что отрицательное давление вакуума состоит в одинаковой плотности энергии вакуума, в том, что энергия вакуума не изменяется при расширении вселенной [З].
Энергия вакуума наиболее наглядно проявляется именно в ускорении расширения вселенной, то есть нашей области разбегающихся после Большого Взрыва галактик. В уже упомянутой книге «Жизнь и разум. Раскрытые тайны Вселенной» нами обоснована гипотеза о том, что в бесконечной Вселенной происходит множество Больших Взрывов. Перед каждым из них в точку будущего Взрыва слетаются из всех окружающих областей галактики и все материальное вплоть до ансамблей. В результате в громадной области вокруг будущего Взрыва (диаметром 30-60 миллиардов световых лет) остаются только вакуум и первочастицы.
После Взрыва эта область начинает заполняться материей (от ансамблей до галактик). Разбегание, в конце концов, образовавшихся галактик происходит не только в результате толчка от Взрыва, но и за счет окружающего вакуума. Можно сделать предположение, что внешний по отношению к нашей вселенной (фактически крошечной области бесконечной Вселенной) вакуум, заполненный только первочастицами, втягивает в себя галактики и прочее, сильнее внутреннего вакуума. В результате галактики разбегаются с ускорением. Или по другому: внешняя темная энергия и антигравитация сильнее внутренней темной энергии и гравитации. В целом же и внутренняя, действующая внутри области разлетающихся галактик, и внешняя темная энергия - это абсолютный вакуум, содержащий лишь первочастицы.
На вторую часть вопроса кратко можно ответить так: темная материя - это ансамбли первочастиц различной сложности, из которых еще не сформировались в определенных областях Вселенной элементарные частицы. По мнению В.А. Рубакова [3], темная материя состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц. В качестве таковых, на наш взгляд, выступают ансамбли, часть которых предсказана теорией суперсимметрии и названа частицами-хамелеонами и нейтралино. Основная трудность их открытия состоит в том, что они почти свободно проникают через элементарные частицы, между ними, между атомами, молекулами, и через состоящие из них приборы. Как преодолеть эту трудность, автор статьи пока не знает.
По данным космического аппарата НАСА WMAP, доля темной энергии во Вселенной составляет 74% (по данным ЕКА «Планк» - 70%); доля темной материи 22% (по данным ЕКА «Планк» - 25,4%); доля обычного барионного вещества по данным WMAP - 4%, а на звезды и другие галактические объекты Вселенной приходится лишь 0,4%. Прокомментируем эти цифры с позиции нашей гипотезы.
Прежде всего, отметим, что эти данные очень логичны. Темная энергия, то есть абсолютный вакуум с находящимися в нем первочастицами, из которых не успели сформироваться даже простейшие ансамбли, составляет подавляющий объем Вселенной. Вакуум, в котором сформировались ансамбли различной сложности (темная материя), составляет гораздо меньшую долю: лишь третью часть темной энергии. Этого и следовало ожидать, поскольку образование ансамблей задача более сложная и вакуум далеко не все
зі
первочастицы может стянуть в ассоциации. В целом темная энергия и темная материя составляют подавляющую часть Вселенной - 96%.
Доля барионного вещества, которое возникает непосредственно из ансамблей, составляет во Вселенной лишь 4%. Оно может стать видимой материей, из которой образуются элементарные частицы и атомы. Их формирование задача еще более сложная, чем структурирование ансамблей, поэтому только 0,4% материи Вселенной представлена звездами, планетами, пылевыми облаками, астероидами и прочими телами, которые можно наблюдать. Таким образом, скрытая масса вещества во Вселенной в 250 раз превышает наблюдаемую. Но по объему темная энергия и темная материя превосходят наблюдаемую материю в гораздо (и существенно!) большее число раз.
По моим расчетам лишь одна сто миллиардная доля объема атома заполнена ядром и электронами, а 99 999 999 999 долей - это вакуум с первочастицами и ансамблями. Значит, только одна из ста миллиардов первочастиц имеет шанс войти в состав электрона, протона, нейтрона или какой-то другой элементарной частицы.
Темная материя состоит из гигантских нитей: дуполей или других ансамблей. Именно о них можно сказать словами автора заметки в Российской газете: «Ученые взялись за «темное» дело» [4], что они гуще и волокнистей именно там, где концентрируется видимая материя - галактики и звезды.
Перейдем к вопросу о массе и бозоне Хиггса.
Что такое масса и от чего она зависит? Физики XVII - XIX века характеризовали массу как «количество вещества» в физическом объекте. Хотя современные физики отказались от такого якобы примитивного толкования массы, я предложил бы вернуться к нему, но на другом уровне. По нашему мнению масса - это количество первочастиц в кубической единице объема. Чем их больше в элементарной частице, тем больше ее масса.
Масса элементарной частицы, как известно, постоянна и одинакова у всех частиц данного типа и их античастиц. Это вполне логично, поскольку каждый тип частиц состоит из строго определенных сложных ансамблей, в которых содержится строго определенное количество первочастиц.
Приступая к выяснению сущности бозона Хиггса, отметим, что шесть видов (ароматов) кварков, сочетаясь в различных комбинациях, с помощью глюонов образуют адроны, в частности, протон, нейтрон и другие элементарные частицы. Хотя некоторые полагают, что кварки не имеют своей внутренней структуры, однако уже существует предположение, что каждый вид кварка состоит из предкварков, на роль которых, можно бы выдвинуть бозоны Хиггса.
Чтобы исследовать более глубокий уровень строения вещества, надо сломать предыдущий. Чтобы исследовать предкварки, надо разрушить кварки. До недавнего времени у физиков-экспериментаторов это не получалось. Но если сейчас делаются заявления о том, что бозон Хиггса открыт, то это значит, что удалось разрушить кварки и получить составляющие их бозоны Хиггса.
Бозон Хиггса, по нашему мнению, представляет собой довольно сложный ансамбль, который удалось обнаружить и массу которого удалось определить (115 - 130 ГэВ). Если бы бозоны Хиггса действительно отвечали за массу всех элементарных частиц, то была бы уместна следующая логика. Поскольку они входят в состав кварков, а кварки образуют все элементарные частицы, то все материальное в нашем мире получает массу. Лишь в этом случае одна частица - бозон Хиггса - могла бы отвечать за массу всех остальных.
Но бозон Хиггса очень быстро распадается на два гамма-кванта, а гамма-квант в поле ядра превращается в электрон и позитрон. За счет чего из одного бозона Хиггса образуются, в конечном счете, два электрона и два позитрона?
Механизм здесь может быть таким же, как при дефекте масс, когда изначальная масса ядра меньше суммы масс его составляющих. С позиции нашей гипотезы при распаде, например, ядра гелия его масса меньше двух протонов и двух нейтронов. Откуда берется излишняя масса? По нашему мнению, осколки, образовавшиеся после распада ядра гелия, для формирования полноценных протонов и нейтронов захватывают из окружающего пространства сложные ансамбли. Именно за их счет прирастает масса образовавшихся после распада ядра гелия (и ядер других элементов) частиц.
Аналогичным образом можно проанализировать еще одну загадку.
Один из ведущих специалистов ЦЕРНа Роджер Бейли доложил о странностях, сопровождающих эксперименты с высокими энергиями. Оказывается, протоны куда-то пропадают. Думаю ошибочным считать, что они проваливаются в черные дыры, исчезают в другом времени или в другом измерении или телепортируются. На самом деле протоны разваливаются на сложные ансамбли первочастиц и вакуума, которые современными методами исследования пока еще невозможно обнаружить.
Рождение ансамблей и элементарных частиц сменяется их распадом. Это два параллельно идущих процесса. В процессе распада вновь образовавшиеся частицы могут присоединить к себе некоторое количество ансамблей из окружающего пространства и тогда получится, что сумма частей окажется больше целого. Может случиться и обратное, когда сумма меньше слагаемых. Это может произойти, если в процессе слияния каждая часть потеряет некоторую долю ансамблей, которые, отколовшись от частицы, превращаются как бы в безмассовую, ненаблюдаемую субстанцию.
Итак, когда что-то теряется или возникает как бы из ничего, на самом деле или превращается в пока еще ненаблюдаемые ансамбли, или присоединяется к частицам из моря окружающих ансамблей.
Массу можно наблюдать и измерять лишь у плотных скоплений ансамблей с тесными и прочными, благодаря вакууму, связями между первочастицами и простыми ансамблями. Рыхлые, расплывчатые, не тесно связанные ансамбли не позволяют измерить их массу.
Исходя из данного выше нашего определения массы, масса имеется и у ансамблей более низких уровней вплоть до дуполей. Поэтому считать бозон Хиггса прародителем или источником массы вряд ли обосновано. Бозоны Хиггса - это, во-первых, целое семейство бозонов; во-вторых, это очень сложная ансамблевая структура; в-третьих, это возможно первые ансамбли, у которых удалось обнаружить массу. У ансамблей предыдущего уровня и более низких уровней обнаружить массу удастся очень не скоро.
Вряд ли логично также будет предположить, что при распаде на два гамма-кванта масса бозона Хиггса исчезает. Из уже сказанного ясно, что масса бозона Хиггса переходит в массу гамма-квантов, затем в массу электронов и позитронов и так далее, а также в массу отколовшихся от них ансамблей.
Литература
1. Сибирцев В.А. Жизнь и разум. Раскрытые тайны Вселенной. - 2-е изд. М.: Амрита, 2012. 320с.
2. Сибирцев В.А. Первоосновы материального мира // Проблемы современной науки и образования. 2012. № 3. с.5-10.
3. Рубаков В.А. Темная материя и темная энергия: // Элементы.
URL: http://elementy.ru/lib/25560. (Дата обращения: 08.07.2013).
4. Меркулов А. Ученые взялись за «темное» дело // Российская газета. 16 января 2007.
