Новый взгляд на теоретические и прикладные аспекты квантовой физики: дискретность Времени и Пространства, атом водорода, вакуум, аннигиляция Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621318 В. К. ФЕДОРОВ

Омский государственный технический университет

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ: ДИСКРЕТНОСТЬ ВРЕМЕНИ И ПРОСТРАНСТВА, АТОМ ВОДОРОДА, ВАКУУМ, АННИГИЛЯЦИЯ___________________________________

В статье рассмотрены следствия, вытекающие из теоретической гипотезы о дискретности Времени и физического Пространства Вселенной и внесены дополнения в квантовую физику, связанные с модификацией планетарной модели атома водорода, реликтовым излучением, диэлектрической прочностью вакуума и процессом аннигиляции.

В создании и эволюции физической теории существенную роль играют основополагающие идеи. Началом физической теории является идея, а не математическое обоснование создаваемой теории. Идея, как показывает развитие науки, позднее принимает математическую форму количественной теории и затем проходит экспериментальную проверку.

В предлагаемой работе автор вводит в рассмотрение теоретическую гипотезу о дискретности Времени и физического Пространства Вселенной. Основополагающая идея гипотезы состоит в том, что частота излучения энергии имеет предельную величину V тах для всей Вселенной и эту величину V тах никогда не удастся превзойти.

Рассмотрим рассуждения, лежащие в основе доказательства высказанной гипотезы в логической последовательности [1]. В качестве важного аргумента, который убеждает в состоятельности предъявляемого доказательства, укажем на ограничение скорости V материальных объектов Вселенной. Почему скорость материальных объектов Вселенной ограничена некоторой предельной величиной Утах? Это происходит по следующей причине. Выражение для кинетической энергии материальных объектов имеет вид

E=

mV 2 2

где m — масса материального объекта, V — скорость материального объекта.

Кинетическая энергия ограничена и не может быть бесконечно большой, в противном случае имеется противоречие с фундаментальным законом сохранения и превращения энергии. Отсюда следует, что скорость V материального объекта также должна быть ограничена некоторой величиной V ,

1 1 max

V < V .

max

Заметим, что аналогичное рассуждение относится и к массе m материального объекта.

Конкретная численная величина Vmax для Вселенной в существующей физической теории определена как

где £0, |10 — характеристики физического Пространства (вакуума), и идентифицирована как скорость света

в вакууме (с = 3-108 — ).

с

Как видим, этот ранее известный важный научный факт в данном случае установлен вышеприведенным теоретическим рассуждением и не содержит логического противоречия.

В квантовой физике определена энергия 8 светового кванта в виде

£ = к -V ,

где Ь — постоянная Планка, V — частота колебаний.

Поскольку 8 ограничена по величине некоторым предельным значением £тах и £тах не может быть бесконечно большой величиной, а иначе будет нарушен фундаментальный закон сохранения и превращения энергии, то отсюда следует, что частота колебаний V ограничена величиной V тах . Величина V тах есть предельная величина для Вселенной. О конкретном числовом значении V тах говорить преждевременно, но важно осознать, что величина V тах объективно существует, также как объективно существует величина Утах.

Отсюда следует, что

тах к

Время Тт1п между гребнями двух соседних колебаний, характеризуемых величинами £тах и Vтах , определяется как

1 к

Є 0 ' Цо

Ттш =-

V max Е max

Следовательно, любой временной интервал во Вселенной не может быть меньше, чем T .

' min

T > T . .

min

Отсюда, Tmin идентифицируется как квант Времени, иначе говоря, как временной интервал, уменьшить который принципиально невозможно.

Далее, в физическом Пространстве существует минимальная длина Lmln между гребнями двух соседних колебаний, характеризуемых величинами еmax и v max , которую можно определить как путь, пройденный за время T со скоростью V

1 min 1 max

Є

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

1S

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)

Апт = ^тах ' Тт.т •

Следовательно, любой пространственный интервал L во Вселенной не может быть меньше, чем L .

шт

L > L . .

шт

Отсюда, Ьш)п идентифицируется как квант длины, иначе говоря, как пространственный интервал, который уменьшить принципиально невозможно.

Кванты Времени и кванты физического Пространства характеризуют зернистую структуру Вселенной в целом.

В Генезисе Вселенной не могло быть заложено совмещение дискретного и непрерывного начал. Тот сценарий возникновения и развития Вселенной, который реализовался и реализуется, требует дискретного состояния материальных объектов (элементарные частицы), дискретного состояния зарядов (электрон, протон), дискретного состояния энергии (фотоны, кванты излучения и поглощения).

Вполне возможно, что изначальная дискретность Времени и физического Пространства обусловила дискретность вещества, заряда, энергии. Другими словами, кванты вещества, заряда, энергии не могут сосуществовать в непрерывном Времени и в непрерывном физическом Пространстве.

Время позволяет упорядочить череду событий, установить, что одно событие предшествует другому. Но связать каждый момент времени с числом, рассматривать Время как континиум — это математическое изобретение.

Аналогично, физическое Пространство позволяет упорядочить череду материальных объектов, установить местоположение одного материального объекта относительно другого материального объекта. Но связать каждую точку физического Пространства с набором чисел, рассматривать физическое Пространство как континиум — это также математическое изобретение.

Однако физическая реальность указывает на то, что математические изобретения — временной континиум и пространственный континиум — ошибочны. В научном знании создан прецедент, когда физика своим законом сохранения и превращения энергии указала на ошибочность фундаментальных математических изобретений применительно к физической реальности, другими словами, к Вселенной в целом.

Закон сохранения и превращения энергии не может выполняться во временном и пространственном континиумах. Этот закон выполняется только в дискретном по структуре Времени и в дискретном по структуре физическом Пространстве. Континиум Времени и континиум физического Пространства не имеет места, имеет место их дискретность. Прерывность стала на место непрерывности.

Необратимость во времени эволюции Вселенной напрямую следует из-за наличия квантов Времени Тш1п и отсутствия непрерывности временного континиума. Наличие кванта длины Ьш.п указывает на то, что физическое Пространство не может обладать кривизной, ибо оно перестало быть непрерывным.

Основная идея, изложенная в работе, достаточно глубока и имеет далеко идущие следствия. Изучение физического Пространства в масштабах меньших, чем Ь . , объективно невозможно, измерение временного

ш.п

интервала в масштабах меньших, чем Т объектив-

ш.п

но невозможно, поэтому имеется принципиальная неопределенность временных и пространственных координат материальных объектов.

Разрешающая способность научных экспериментов не может быть меньше Ь . , Т . и, следовательно,

ш.п ш.п

разрешающая способность научного знания принципиально ограничена этими двумя величинами. Здесь уместна аналогия с разрешающей способностью оптических приборов. Объективная реальность, изучаемая квантовой физикой, лежит вне временного интервала Т . и вне пространственного интервала Ь . .

ш.п ш.п

Теоретическая гипотеза о существовании квантов Времени и квантов физического Пространства и введение их в физическую реальность является шагом вперед в развитии квантовой физики.

Тщательное аналитическое исследование следствий, вытекающих из предсказания квантовой природы Времени и физического Пространства, предстоит в дальнейшем. В работе предпринята попытка анализа лишь основных из них, влияющих на эволюцию Вселенной. Численные значения Т . и Ь . будут опреде-

ш.п ш.п

лены на основе теоретических и экспериментальных исследований космогонии, космологии, физики элементарных частиц, ядерной физики и физики высоких энергий, включая аннигиляцию частиц и античастиц.

Приводится оценка возможных значений Тш.п и Ьш.п на основе существующей теории возникновения Вселенной, а именно теории (модели) Большого Взрыва. Согласно сценарию Большого Взрыва, на начальной стадии имелось равновесие между процессом образования элементарных частиц (протонов, антипротонов) из энергичных квантов и процессом аннигиляции частиц и античастиц и образования энергичных квантов.

Тогда

£ = т ■ с2 ~ 1836т • с2 ,

тах р е >

где тр , те — соответственно массы протона и электрона,

1836 • 9.1 • 10-31 (3-108 )2

Тек =-

М- = с • Т.

6.62 -101

' 2.5 -1023

^ 2.5 -1023 Гц,

; 0.4 -10-

*3 -108 • 0.4 -10-

*1.2-10-

Согласно гипотезе де Бройля о том, что каждой частице соответствует волна с некоторой длиной волны X, а именно

х=-^.

т • V

где ш, V — соответственно, масса и скорость частицы, для протона и электрона эти длины волн выражаются как

и И

хр =

тр •v

т.

При одной и той же скорости V длина волны Хр протона в 1836 раз меньше, чем длина волны Хе элек-

т„

трона, поскольку —— = 1836 . Длина волны X протона

те Р

соизмерима с кванто м длины Ь . Это следует из того факта, что дифракция электронов на кристаллической решетке указывает на принадлежность Хе рентгеновскому спектру ~2,4-10-9 м, следовательно Хр ~1,3-10-12 м. Нетрудно сделать вывод, что линейный размер гр протона в1836 раз меньше линейного размера ге электрона, т.е. ге=1836тр. Отсюда, объем Уе электрона в 18363~6,2-109 раз больше объема Ур протона. Далее, чтобы выполнялось соотношение по массам ти т ,

р е'

V

необходимо, чтобы плотность протонного вещества была больше плотности электронного вещества в 18364~11,36-1012 раз. Отсюда следует вывод, что масса атома водорода сосредоточена в ядре (известный факт), но объем атома водорода в основном представлен объемом Уе электрона. В сущности, электрон — это рыхлое облако электронного вещества, окружающее ядро (протон). В квантовой физике, определяя вероятность местонахождения электрона в объеме атома, полагают электрон не частицей, а некоторым размазанным по пространству объектом. Теперь этот образ электрона получает подтверждение. Не представляет труда оценить реальные объемы Ур и Уе протона и электрона, а с учетом известных величин тр и те также не представляет труда оценить реальные плотности рр и ре протона и электрона.

Указанные соображения позволяют создать геометрический образ атома водорода в виде двух концентрических сфер — внешняя сфера радиуса «а» -это электронное облако, внутренняя сфера радиуса «Ь» - это протон. Геометрический аналог атома водорода — в центре очень плотный шар малого радиуса, который окружен очень рыхлой сферической оболочкой большого радиуса. Заряды у ядра и электронного облака одинаковы по величине и противоположны по знаку ~1,6-10-19 Кл.

Но тогда атомную систему водорода можно представить конденсатором, с двумя сферическими обкладками с радиусами «а», «Ь», зарядами +q, ^. Емкость С такой системы заряженных тел равна

С =

Оценка величины

С:

3.86-10"

: 1.05 -10"23 Ф.

1.3 -10"2 2.4 -10“9

С •и2

2 • С

1.05-10"23 -(1.55-104)2

= 1.21-10"15 Дж

Ь =

2 -Ш„

2 -1.21-10

(3.6 -10"6)2

■ = 1.92-10"4 Гн .

Ток і находится из выражения

1.6-10"19 -0.33-106

= 3.6• 10-6 А .

2• п • г 2• 3.14• 2.4• 10“

где г, V — соответственно радиус первой орбиты и скорость электрона на этой орбите.

Известны выражения для г и V, а именно 2

V =-

4 • п • є 0 • к

(1.6 -10"19)2

4-3.14-8.86-10" -6.62-10"

- = 0.33-106 м/с

к

6.62 -10"

те-V 9.1-10 -0.33-106

Не представляет труда оценить величины магнитного потока, индукции, напряженности магнитного поля атома водорода.

Электромагнитное состояние атома водорода можно характеризовать как резонансное состояние с резонансной частотой V и длиной волны X излу-

1 рез “ рез •'

чения и поглощения электромагнитной энергии.

1 1 V “ 2П Ж-с ~

1

1

2-3.14 л/1.92-10 4-1.05-10 "

,= 3.7 -1012 Гц,

Хрез ~

С

3 -108 3,7 -1012

- = 0,81-10"

Оценка величины электрического напряжения и между протоном и электроном как обкладками конденсатора

и = Ч = 1.6-10~11 = 1.55-104 в С 1.05 -10"23

Оценка величины энергии Шэ запасенной электрическим полем атома водорода

Эта оценка величины энергии Шэ характеризует энергию вакуума как диэлектрика, размещенного между обкладками конденсатора.

Помимо электрического поля, созданного зарядами протона и электрона, в атоме водорода имеется магнитное поле, созданное движением (током) отрицательного заряда электрона. Оценка величины энергии Шм, запасенной магнитным полем атома водорода

Ш Ш = 1.21-10"15 Дж .

м э

Такая оценка Шм объясняется равносильностью электрического и магнитного полей атома водорода.

Индуктивность Ь электрической системы атома водорода с вакуумным магнитопроводом определяется через Ш и ток

1 м

Резонансная частота V лежит в СВЧ-диапазоне.

рез ^

Итак, атом водорода находится в резонансном состоянии без потерь активной мощности. Это резонансное состояние характеризуется переходом энергии Шэ электрического поля в энергию магнитного поля, а затем — переходом энергии в энергию Шэ. Этот процесс циклический. В целом атом водорода — резонансный контур, излучающий и поглощающий энергию, и это, очевидно, можно экспериментально доказать.

Только в резонансе циклическое (периодическое) излучение и поглощение электромагнитной энергии точно равны друг другу и не нарушают энергетического баланса атома водорода за цикл (период) излучения и поглощения электромагнитной энергии. Поэтому и предполагается, что имеет место резонансный режим для атома водорода.

При возбуждении, когда атом водорода из вне получает энергию электронное облако разбухает и отделяется от ядра, при излучении энергии электронное облако съеживается и приближается к ядру.

Как видно, планетарная модель атома (модель Резерфорда-Бора) модифицирована с учетом вновь открывшихся граней физической реальности.

Когда речь идет об излучении и поглощении энергии в резонансном контуре, то надо иметь ввиду, что излучает и поглощает энергию не электрон (в нашем случае электронное облако представляет отрицательно заряженную обкладку атомного конденсатора), излучает и поглощает энергию электромагнитное поле, заключенное между обкладками конденсатора в вакууме. К устойчивости атома, то есть к торможению электрона, это излучение или поглощение энергии отношение не имеет. Эта энергия характеризует состояние диэлект-

34

є

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)

рика атомного конденсатора (вакуума). Атом водорода отбирает энергию на резонансной частоте, затем либо излучает энергию, либо поглощает энергию на резонансной частоте. Атом настроен на излучение и поглощение энергии только лишь на резонансной частоте.

Атом водорода как система — это резонансный контур без активных потерь с незатухающими электромагнитными колебаниями.

Можно сказать, что в Природе практически реализован вечный двигатель — это атом водорода. Движение электронного облака безостановочно, колебания электрического и магнитного полей незатухающие, энтропия не увеличивается, хаотическое (тепловое) превращение энергии отсутствует. Естественно, все сказанное справедливо и для других устойчивых атомных систем. Но здесь все рассуждения и численные оценки относятся к атому водорода, как основному материалу Вселенной.

Существующие резонансные колебания напряжения и тока в резонансном контуре порождает изменяющиеся во времени колебания напряженностей электрического и магнитного полей. Следовательно, порождаются электромагнитные волны излучения и поглощения на резонансной частоте V ез с длинной волны Хрез. Теоретически открыт новый вид излучения и поглощения атома водорода. Этот новый вид излучения и поглощения можно экспериментально обнаружить.

Образование атомов водорода происходило позднее, чем излучение и вещество отделилось друг от друга. Это со временем остывающее излучение было названо реликтовым излучением. В настоящее время температура реликтового излучения составляет Трел т 3,6° К . Температура излучения атома водорода (СВЧ-излучения), получаемая с помощью закона Вина,

ромагнитных волн излучения и поглощения атома водорода. Но факт открытия нового типа излучения и поглощения электромагнитных волн атома водорода, не связанного с переходом электрона атома водорода с одной стационарной орбиты на другую стационарную орбиту, имеет место и не вызывает сомнений.

Полученная оценка напряжения и между ядром (протоном) и электронным облаком дает возможность оценить диэлектрическую прочность вакуума как диэлектрика.

Если и = 1.55 104 В, а г1 = 2,4 10-9 м, то напряженность Е электрического поля равна

„ и 1.55 -10 Ь = — = -----------------

2.4-10

0.65 ■ 10 13

ТСВЧ в десять раз больше, чем Трел и на карте Уилкинсона излучение с такой температурой нетрудно обнаружить. Аналитически можно определить насколько позднее образовались атомы водорода, нежели произошло разделение (отделение) вещества от излучения.

Итак, в Природе (Вселенной) может существовать два типа реликтовых излучений. Один тип связан с отделением вещества от излучения и связан с остывающим излучением, второй тип связан с образованием атомов водорода и связан с веществом. Возникает определенная симметрия: есть первый тип реликтового излучения, связанный с отделившимся остывающим излучением и есть второй тип реликтового излучения, связанный с отделившимся веществом и возникновением атомов водорода.

Изложенные в работе соображения позволяют заключить, что, образно говоря, внесены поправки в конституцию атома водорода, связанные с модификацией планетарной модели Резерфорда-Бора и гипотезы о реликтовом излучении.

Теоретическое представление о том, что атомная система водорода есть резонансный контур с циклическим (периодическим) излучением и поглощением электромагнитных волн достаточно убедительно. Приведенные оценки величин емкости С и индуктивности L резонансного контура могли оказаться неточными, но не вызывает сомнения, что эти величины со временем могут быть определены с высокой точностью. Это, в свою очередь, приведет к переоценке и уточнению резонансных частоты V и длины волны X элект-

1 рез “ рез

Вполне возможно, что реально вакуум может выдерживать и большую напряженность без электрического пробоя, но новизна полученной оценки диэлектрической прочности вакуума не вызывает сомнений. Эта оценка снизу диэлектрической прочности вакуума. Ясно, что вакуум выдерживает напряженность Е~1013 В/м фактически неограниченное время, ибо атомы водорода существуют практически неограниченное время во Вселенной.

Не вызывает сомнения, что существует критическое значение Екр, при котором возможен электрический пробой вакуума. На эту мысль наталкивает процесс аннигиляции частиц и античастиц (частица и античастица должны обладать зарядами противоположных знаков, в отличии от частиц и античастиц не обладающих зарядами).

Геометрический размер (радиус первой стационарной орбиты электрона) атома водорода может быть связан, и не в последнюю очередь, с диэлектрической прочностью вакуума между протоном и электронным облаком. Электронное облако (электрон) не может опуститься ниже величины радиуса первой стационарной орбиты, в противном случае возможен электрический пробой вакуума как диэлектрика. Отсюда следует, что оценка снизу и оценка сверху диэлектрической прочности не должны сильно отличаться друг от друга. Электронное облако, если бы оно могло опуститься ниже, чем радиус первой стационарной орбиты, имело бы меньшую потенциальную энергию, нежели, когда электронное облако находится на первой стационарной орбите. Но этого не происходит, следовательно критическое расстояние для электрического пробоя вакуума несильно отличается от радиуса первой стационарной орбиты.

Вернемся к проблеме аннигиляции частиц и античастиц, обладающих одинаковыми по величине, но противоположных по знаку, зарядами.

По мнению автора, процесс аннигиляции необходимо связать с электрическим пробоем вакуума, когда частица и античастица при сближении сходятся на расстояние, меньше критической величины. При этом происходит разряд «конденсатора», обкладки которого образованы частицей и античастицей, заряды нейтрализуются и энергия выделяется в виде двух квантов излучения определенной энергии и частоты. Итак, аннигиляция начинается на расстоянии, характерном для электрического пробоя вакуума, а не при непосредственном контакте частицы и античастицы, например их соударении.

Если аннигиляция происходит по изложенному сценарию, то тогда энергия квантов излучения, определяемая формулой

£ = к -V = т ■ с2 , где т-масса частицы (античастицы), в то же время

должна быть равной энергии сосредоточенной в образовавшемся конденсаторе, то есть

. 2 2 •и2

£ = к V = т • с = —— =-----------.

2-С 2

где С — емкость конденсатора, и-электрическое напряжение между частицей и античастицей, при котором происходит диэлектрический пробой вакуума, q-заряд частицы.

Отсюда находится емкость С, так как заряд q частицы и античастицы известен, затем находится напряжение и между частицей и античастицей в момент электрического пробоя вакуума, а также может быть дана оценка расстоянию ^ на котором возникает аннигиляция, поскольку необходимая для этого оценка величины напряженности электрического поля Е-0.65-1013 В/м была получена ранее.

Диэлектрическая прочность вакуума оказывается существенной характеристикой, влияющей не только на конституцию атома водорода, но и на процесс аннигиляции частиц и античастиц.

Теперь нетрудно получить оценки, характеризующие аннигиляцию электрон-позитронной и протон-антипротонной пар частиц и античастиц. В результате имеем для электрон-позитронной пары

протон-антипротонной пары

Все упомянутые оценки и их численные значения для некоторых физических величин, важны и в теоретическом и, особенно в прикладном аспектах. В дальнейшем, несомненно, они будут востребованы теоретической, экспериментальной и технической физикой.

Итак, полученные результаты проливают новый свет на важнейшие теоретические и прикладные проблемы конституции атома водорода, аннигиляции частиц и античастиц и конституции вакуума как диэлектрика.

Библиографический список

1. Федоров, В.К. Эволюция квантовой физики: дискретная структура Времени и физического Пространства Вселенной /В.К. Федоров // Омский научный вестник. — 2008. - № 2 (56). - С. 12-16.

ФЕДОРОВ Владимир Кузьмич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения промышленных предприятий.

Дата поступления статьи в редакцию: 23.04.2008 г.

© Федоров В.К.

Книжная полка

Веснин, А. Ю. Элементы топологии и теории узлов [Текст] : учеб. пособие / А. Ю. Веснин . - Омск : ОмГТУ, 2007. - 76 с. : рис. - Библиогр.: с. 75-76.

Излагаются базовые понятия топологии и некоторые современные достижения трехмерной топологии, относящиеся к теории узлов и теории заузленных графов.

Целью данного пособия является краткое изложение основных понятий топологии наряду с демонстрацией некоторых современных результатов трехмерной топологии и их приложений. Оно будет весьма полезно как при изучении основных понятий топологии, обычно лишь слегка затрагиваемых в стандартных математических курсах, читаемых студентам технических специальностей, так и для расширения общенаучного и математического кругозора студентов и начинающих исследователей, их знакомства с современными достижениями математики.

По вопросам приобретения - (3812) 65-23-69 E mail: libdirector@ omgtu.ru.

Сечкина, И. В. Математическая логика [Текст] : курс лекций по специальности 090104 / И. В. Сечкина. -Омск : ОмГТУ, 2007. - 45 с. : рис., табл. - Библиогр.: с. 45.

В лекциях содержится необходимый минимум теоретического материала, формул и теорем (с доказательством и без доказательства) для успешного усвоения законов математической логики, понятий булевой алгебры и ее основных моделей: алгебры множеств, высказываний, событий и релейно-контактных схем.

Разработанный курс лекций по основам математической логики призван повысить культуру мышления обучающихся и помочь им заложить логическую базу к глубокому и осознанному усвоению математики и технических дисциплин.

В каждой лекции разобраны стандартные примеры, иллюстрирующие применение формул и теорем. Задания на самостоятельную работу имеют ссылки на различные источники или указания к решению.

По вопросам приобретения - (3812) 65-23-69 E mail: libdirector@ omgtu.ru.

«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ