загрузка...
Перескочить к меню

Мир вокруг нас (fb2)

файл не оценён - Мир вокруг нас 16778K, 292с. (скачать fb2) - Этэрнус

Использовать online-читалку "Книгочей 0.2" (Не работает в Internet Explorer)


Настройки текста:



Этэрнус Мир вокруг нас

ВВЕДЕНИЕ

Конечная часть бесконечной Вселенной, доступная наблюдению через современные телескопы и микроскопы (и т. п. приборы) — называется окружающим Миром (Мирозданием). Это — огромный, но всё же безгранично малый участок бесконечной Вселенной.

Окружающий Мир, или Мироздание — имеет особую ценность для человека, т. к. непосредственно соприкасается с нами, и мы живём, сперва — в окружающем Мире, а потом уже во Вселенной.

Мироздание (Мир) — значительно отличается от Вселенной: в бесконечной Вселенной — реализовано всё, что вообще может быть, и там есть любые варианты устройства миров. А в Мироздании — реализован лишь один из бесконечности вариантов устройства объектов, и путей их развития. Мироздание т. о. очень специфический объект, в т. ч. имеющий свою историю, в то время как об истории бесконечной и вечной Вселенной — говорить не приходится.

То, как выглядит Мироздание — зависит от положения наблюдателя (в данном случае, нас) во Вселенной: если бы мы находились в другом, далёком участке бесконечной Вселенной, окружающий Мир, вероятно, выглядел бы совсем иначе.

Мироздание — это всегда конечная область пространства и времени, вокруг наблюдателя, границы которой, по мере развития науки и технологий — всё более раздвигаются, но никогда не исчезнут (в отличие от бесконечной Вселенной, не имеющей границ).

Граница окружающего Мира вширь — определяется пределом разрешающей способности современных телескопов (и т. п. приборов), а вглубь — разрешающей способностью микроскопов (электронных, рентгеновских и т. д.), а также ускорителей элементарных частиц и др. приборов, используемых для изучения микромира.

Изучением объектов, находящихся в Мироздании — занимаются науки, и учёные. Обобщая научные знания, а также соединяя их со знаниями о Вселенной в целом, мы получаем соответствующую область философских знаний — Теорию окружающего Мира, или общую картину Мира.

Речь в данной книге — и пойдёт об этой области знаний, в т. ч. об её истории (классическом и неклассическом этапах развития представлений об окружающем Мире), и новейших достижениях (постнеклассическая картина Мира).

Итак, данная книга посвящена рассмотрению именно окружающего Мира (Мироздания), а не бесконечной Вселенной.

Говоря об окружающем Мире (= Мироздании), мы рассмотрим устройство всех, известных на сегодняшний день, уровней вещества, от самых глубоких (уровень элементарных частиц и вакуума), до самых высоких. Самые глубокие уровни вещества, при этом — нуждаются в особо тщательном рассмотрении, как содержащие больше всего вопросов, и определяющие многие свойства вышележащих уровней вещества. Тут мы разберём в т. ч. и новые, постнеклассические представления, позволяющие увидеть, помимо всего прочего, внутреннюю структуру элементарных частиц, что ещё недавно считалось невозможным, как и мн. др.

Итак, начнём наше путешествие к познанию Мира вокруг нас:

Границы Мироздания

Размер окружающего Мира — напрямую связан с уровнем развития науки и техники. Т. к. Мироздание (Мир) — это видимая часть Вселенной (вглубь вещества и вширь), то по мере научно-технического прогресса, границы этой области — раздвигаются всё шире.

Когда-то в далёкие времена, Мироздание, для людей — было ограничено планетой Земля, и даже менее — отдельными континентами, островами, а ещё ранее — просто областью (непосредственного) обитания.

После изобретения кораблей и технологии мореплавания, возникает представление об островах (как отдельных мирах), и об океане, как пространстве, отделяющем их друг от друга. Тут же, вскоре, начало формироваться и представление о чём-то объединяющем эти миры, что получило название: Земля (суша). Представлялось, что все острова (и континенты) — объединены посредством дна океана, и являют собой разные участки единой Земли. Последняя, сперва предполагалась плоской (и опирающейся на трёх китов, и т. п.). Затем, в античные времена, после изобретения геометрии, было доказано, что Земля — имеет сферическую форму. Возникло понятие: планета, как шарообразное тело.

Также, в древней Греции, в результате наблюдений за небесными телами — зародилось представление о Мире как о системе объектов, вращающихся вокруг центрального тела. В центре такой системы полагалась либо Земля (Анаксимандр Милетский), либо Солнце (Аристарх Самосский). Границы известного Мира т. о. раздвинулись за пределы Земли, и возникла астрономия, как наука и философия, изучающая объекты космоса.

В Новое Время, изобретение телескопов — привело к невероятному, быстрому и скачкообразному расширению границ Мироздания: Сперва — были открыты звёзды (из-за своей многочисленности, ставшие представляться уже не «отверстиями в небесной сфере», а как объекты, подобные Солнцу, но расположенные очень далеко), и получило распространение, возникшее чуть ранее, представление о множественности миров в виде планетных систем (Джордано Бруно). Потом были открыты т. н. «звёздные острова», позже — определённые как галактики (в каждой галактике содержатся миллиарды звёзд). А после изобретения фотопластин, радиотелескопов, спутников и т. п. — число открытых галактик стало исчисляться миллионами, и оценивается, в последнее время, уже как более ста миллиардов [1]. Было обнаружено, что галактики — объединены в скопления галактик. Скопления (и сверхскопления) галактик, располагаясь более-менее упорядоченно — образуют структуры, сравниваемые с гигантскими сотами или паутиной, и в целом, все вместе — образуют самый большой, известный современной науке, объект — т. н. Метагалактику, или крупномасштабную структуру окружающего Мира.

Современное Мироздание вширь, т. о. — простирается на невероятные, головокружительные расстояния: Наша галактика, называемая Млечный Путь, содержащая сотни миллиардов звёзд [2] — всего лишь одна из многих, более ста миллиардов, ныне доступных человеческому взгляду, галактик.

Диаметр каждой отдельной галактики (на примере нашей) — составляет около 1018 километров [2]. Если ехать на автомобиле со скоростью 100 км/ч, то из одного конца галактики в другой — можно добраться лишь за тысячу миллиардов лет. Т. о. можно представить, насколько колоссален размер галактики. И таких галактик, в современном Мироздании — миллиарды. И ещё более велики — расстояния между ними. Масштабы современного Мироздания, поэтому, осознать очень сложно, столь оно стало огромно, по человеческим меркам. Хотя несмотря на это, оно остаётся всегда лишь одной бесконечной частью Вселенной, «пылинкой» в бесконечности.

Земля, в современном Мироздании — занимает место «исчезающе малой точки», расположенной около одной из многих миллиардов звёзд в галактике, в одной из миллиардов галактик… Мироздание т. о. невероятно расширилось со времён древности, когда оно ограничивалось только планетой Земля, или и того меньше.

Как бы грандиозно ни было Мироздание (вширь и вглубь), край Мироздания — это та грань, за которой научная реальность заканчивается, и где царит, пока что, научная неизвестность и чистая философия (а именно — Теория Вселенной (= онтология, = философия о бытии в целом), которая способна рассказать о том, что находится за краем, но только в целом, а не в частных деталях).

Вглубь вещества

Проникновение человека вглубь вещества — постепенно привело к открытию молекул, атомов и элементарных частиц. Это — раздвигание границ Мироздания вглубь.

Было когда-то такое время, когда люди ещё не знали о существовании молекул, как не знали, соответственно, и о более глубоких уровнях вещества. Все эти уровни — находились тогда ещё за границей Мироздания вглубь (т. е. за пределами научной реальности).

Молекулы — очень малы, столь малы, что недоступны обычному зрению. Чтобы познать существование молекул (и ещё более мелких объектов) — нужен «третий глаз» (глаз ума), нужна развитая наука и техника. Однажды (в 19-м веке) существование молекулярного и атомного уровней вещества — было доказано. Произошло это, конечно, не с помощью микроскопа, т. е. не напрямую, а косвенно (в ходе изучения химических реакций, и т. п. наблюдений (открытий), и их интерпретаций). Этого — было достаточно, чтобы существование молекул и атомов стало считаться доказанным уже в 19-м веке (при этом, молекулярная химия полностью заменила алхимию, а также была создана (открыта) таблица Менделеева, упорядочившая атомы, тоже ещё до их непосредственного наблюдения).

А с конца 19-го века — перед человеком стали открываться и элементарные частицы, начиная с электрона, в 1897-м году. Т. о. граница Мироздания — сильно продвинулась вглубь.

Воочию увидеть (получить непосредственные изображения) молекул и атомов стало возможным лишь в 20-м веке, — когда были изобретены особые микроскопы: просвечивающие электронные [3] и сканирующие зондовые [4], дававшие поистине гигантские увеличения: не менее чем в миллион раз [5].

Представить и осознать, сколь громадно мал масштаб объектов, изучаемых при таких увеличениях — весьма сложно: это увеличение больше увеличения обыкновенного увеличительного стекла — в сотни тысяч раз. В том же 20-м веке, стало возможным получать изображения с увеличением уже и в миллиарды раз! Например, используя электроны, разогнанные в ускорителе до скоростей, близких к скорости света, можно «просветить» центральные области протона насквозь, и т. о. получать информацию о кварках — элементах внутренней структуры протона [6].

В общем, граница Мироздания вглубь — ныне простирается до грандиозно малых масштабов пространства и времени, с трудом вообразимых, и выразимых невероятно ничтожными долями метров или секунд (имеющих десятки нулей после запятой). Тем не менее, объекты и процессы, расположенные на таких масштабах — вполне успешно изучаются и познаются.

Уровни вещества

Итак, у Мироздания имеется две границы: одна — продвинулась в неимоверно далёкие глубины космоса (граница Мироздания вширь), другая же — проникла вглубь вещества, ко всё более мелким частицам (граница Мироздания вглубь).

По мере раздвигания этих границ — открывались всё новые уровни вещества. Мироздание в целом (окружающий Мир), с обилием всех открытых уровней вещества — выглядит т. о. как состоящее из множества слоёв, начиная от уровня вещества сверхмалых масштабов (уровень элементарных частиц и вакуума), до, как минимум, уровня скоплений галактик. Между этими, крайними уровнями, в Мироздании — заключено множество промежуточных уровней (слоёв) вещества: так, из элементарных частиц — строятся атомы, из атомов — слагается безбрежное разнообразие молекул, из молекул — состоят камни, океаны, живые существа и т. п. (простые и сложные молекулярные тела), ещё выше — располагается уровень планет (бесчисленных миров) и звёзд, звёзды, в дальнейшем (многие) — входят в состав звёздных скоплений, а из этих скоплений и множества независимых звёзд — образуется галактика. Галактики (многие из которых имеют ещё и карликовые галактики-спутники), благодаря силам взаимного тяготения — связаны в скопления галактик. А из совокупности всех скоплений (и сверхскоплений) галактик (и отдельных независимых галактик), образуется сотообразная (или аморфная) структура — которая называется Метагалактикой.

Итак, мы перечислили некоторые уровни Мироздания, идя из глубины — вширь.

Наиболее проблематичным, и наиболее важным для понимания окружающего Мира, уровнем вещества — в настоящее время, как уже говорилось, является уровень элементарных частиц и вакуума, т. к. свойства частиц и процессов, происходящих на этом, глубочайшем из известных, уровне — определяют, так или иначе, свойства объектов всех вышележащих уровней вещества Мироздания. Т. е. свойства объектов всех других уровней — в общем, выводятся (вытекают) из свойств элементарных частиц (которые, в свою очередь (неразрывно) взаимосвязаны с физическим вакуумом). Уже поэтому, данная книга — более всего будет рассказывать именно об уровне элементарных частиц и вакуума (а также о ближайших к нему, соседних уровнях вещества — атомных ядрах, и атомах).

Уровень элементарных частиц и вакуума — это уровень, который, на неклассическом этапе, находился на стадии острых научно-философских исследований, т. е. не был до конца понятен (поэтому он и глубочайший из известных).

Неклассические дисциплины (научно-философские), его изучающие (теория поля, теория элементарных частиц, квантовая механика, теория относительности) — преимущественно описывают (констатируют) явления, не объясняя, в полной мере, их причины. В данной книге, мы рассмотрим, по порядку, все эти теории, и пойдём уже дальше их, чтобы действительно объяснить устройство элементарных частиц (и вакуума), в т. ч. причины различных свойств у каждого вида элементарных частиц. Но об этом — чуть позже.

А пока — продолжим рассмотрение истории развития представлений человечества о Мироздании (Мире):

КЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Классическая картина Мира — прошла ряд ступеней своего развития, которых можно выделить всего три. Рассмотрим их, по порядку:

Первая классическая картина Мира

Древнейшим (из материалистических) представлений человека о Мироздании — было представление о том, что окружающий Мир — построен из разнообразных веществ, в виде непрерывных субстанций, ни из чего не состоящих.

Эти субстанции (= вещества), облекаясь в разные геометрические формы и смешиваясь друг с другом, считались образующими всё разнообразие вещей и явлений окружающего Мира.

Эти, самые общие представления о Мире — распространяли в те времена и на устройство Вселенной (т. к. последняя считалась конечной, т. о. понятия Вселенной и Мира — не разделялись).

Во времена ранней античности, картина вещественного строения окружающего Мира (и Вселенной) — была усовершенствована путём сведения всего разнообразия веществ — к смешениям всего пяти истинных, или первичных веществ (т. н. первоэлементов, также называемых стихиями или первоначалами).

Древнегреческие философы считали, что существуют следующие пять первоэлементов: вода, огонь, земля, воздух и эфир. Три из этих элементов-субстанций — полагались слагающими Земные объекты: земля, вода и воздух. Огонь же — легче воздуха (т. к. при горении костра стремится вверх), в т. ч. поэтому полагали, что из него состоят звёзды и Солнце на небе (а на Землю он был принесён героем древнегреческих мифов — Прометеем). Эфир же, как ещё один космический элемент, по представлениям древних греков — заполнял промежутки между Землёй и звёздами. Эфир представлялся подобным воздуху, но как и огонь, легче воздуха, поэтому и располагающийся выше воздуха. При помощи эфира объясняли в т. ч., почему человеку, подымающемуся в горы, становится трудно дышать: считали, что с подъёмом к вершинам гор — воздух постепенно сменяется эфиром. Чистым эфиром, человек вообще дышать не может, но эфир — воздух, пригодный для дыхания древнегреческих богов (живущих на горе Олимп). (Кстати, если бы в древней Греции не было гор — эфир, возможно, не измыслили бы: например, на древнем Востоке, пять первоэлементов мыслились другими — земля, дерево, огонь, вода и металл).

На древнем Востоке, представления о пяти первоэлементах — возникли независимо от древней Греции (т. к. они достаточно просты и самоочевидны).

В дальнейшем, разнообразие первоэлементов, философы древнего Востока — свели к двум: инь и ян. (В древней Греции тоже возникли похожие представления, однако они не успели столь распространиться, как на Востоке). Мир как состоящий из двух противоположностей (двух субстанций — инь и ян), смешение которых, в различных пропорциях, образует всё вокруг — очень простое представление. Любое вещество т. о., и любой первоэлемент и объект — это смешение, в определённом соотношении, субстанций инь и ян. Для образования конкретной (любой) вещи или явления в окружающем Мире, нужно добавить ещё определённую геометрическую форму. Эти представления распространяли и на все объекты во Вселенной (продолжая отождествлять последнюю с окружающим Миром, считая конечной).

В общем, все вещи представлялись т. о. бесструктурными (= состоящими из непрерывных субстанций — инь и ян, ни из чего не состоящих = ни из каких частиц).

Общая субстанциональная суть инь и ян (а в древней Греции — представление о возможности взаимопревращений первоэлементов) — привели вскоре к возникновению понятия материи, — как единой субстанции, лежащей в основе инь и ян, и в основе всех пяти первоэлементов. Изначальное представление о материи — было тоже как о непрерывной субстанции (ни из чего не состоящей).

В целом, эта «непрерывная картина Мира», как древнейшее представление — была популярна с незапамятных времён и до примерно V века до н. э.

Многое объясняя, непрерывная картина Мира, со временем — стала недостаточной для описания объектов, т. к. не позволяла говорить о внутренней структуре объектов, и затрудняла мышление о более глубоких механизмах явлений, т. е. начала вызывать к себе вопросы и критику. Поэтому, в конечном итоге — потребовалось изменение представлений.

Кроме того, такая, непрерывная картина окружающего Мира — не предполагает иерархического устройства Мира, т. е. наличие уровней вещества.

В целом, это — самое простое и естественное представление, существовавшее с незапамятных времён, когда Мироздание для человека представлялось даже меньшим, чем Земля. Это — первая классическая картина Мира (и Вселенной).

Вторая классическая картина Мира

Представление о Мире, состоящем из непрерывной субстанции — постепенно потеряло популярность, и было отброшено с появлением более продвинутого представления — о прерывном (атомарном) устройстве объектов.

Возникло представление о мельчайших, неделимых частицах материи, которые в древней Греции были названы атомами (от древнегреч. ατομος — неделимый).

Эти, гипотетические в то время, частицы — представлялись мельчайшими возможными порциями материи (неделимыми, подобно точкам), и рисовались твёрдыми шариками. Существование атомов — было востребовано развитием науки.

Атомистический взгляд — круто изменил представления о Мироздании (все объекты, в т. ч. миры, отныне — представлялись разделёнными пустотой, и состоящими из соединений атомов), что позволило глубже вникнуть в суть многих явлений, происходящих в окружающем Мире. Пример: испарение лужи, с точки зрения предшествовавшей, непрерывной картины — представлялось как превращение первоэлемента воды в первоэлемент воздух, а с т. зр. новой, прерывной (атомистической) картины — это был вылет движущихся частиц воды с поверхности лужи.

Из частиц воды стали представляться состоящими и облака (т. о. была объяснена суть облаков); движениями и ударениями частиц воды — объяснили выталкивающую силу воды (силу Архимеда), и т. д.

В целом, атомистическая картина Мира — обладала гораздо большим потенциалом в объяснении явлений окружающей действительности, и была полезнее для развития наук, нежели предшествующая, непрерывная картина.

Атомы — позволили объяснить и разнообразие веществ (сперва — как первоэлементов (не химических элементов)): Хотя для этого, пришлось представить, что атомы, как твёрдые неделимые шарики — почему-то отличаются друг от друга: по весу (размеру), и имеют неровные, шероховатые поверхности (благодаря которым обеспечивается сцепление атомов друг с другом, с образованием вещей).

Например, воздух представлялся состоящим из относительно лёгких (мелких) и гладких твёрдых шариков, движущихся, в различных направлениях, в пустоте, заполняющей пространство между ними. Объяснение сути воздуха т. о. (с т. зр. атомистической картины) — умещается в одном предложении.

Первоэлемент вода — представлялась состоящей из чуть более тяжёлых, и более шероховатых атомов. Это легко объясняло все свойства воды, известные в те времена, в т. ч. её отличия от воздуха: например, больший вес (размер) атомов воды — объяснял, почему вода — ощутимее и тяжелее воздуха, и почему она отделена от него и собрана в океаны. Большая шероховатость атомов воды — объясняла, почему вода, в отличие от воздуха, способна превращаться в лёд (атомы воды начинают сцепливаться друг с другом, когда их движения замедляются).

Аналогично объяснялась сущность и других первоэлементов, составляющих части окружающего Мира: Устройство элемента земли (в т. ч. строение почвы, песчинок, камней, металлов и т. п.) — виделось в виде ещё более тяжёлых (= более крупных), и более шероховатых атомов. Этим объяснялась и большая тяжесть металлов, камней и т. п., и их наиболее высокая прочность и тугоплавкость, как и всех вещей, в образовании которых участвует первоэлемент земля (металлические изделия, глиняные сосуды и т. п.).

Атомы элементов огня и эфира — представлялись легче и глаже атомов воздуха, поэтому из них состоят космические объекты (звёзды, Солнце, кометы и т. п.), и они заполняют космическое пространство.

В общем, все области окружающего Мира — поддавались т. о. очень простым и кратким объяснениям.

В рамках атомистической картины Мира — неизбежно возникает представление о бесконечности Вселенной, т. к. пустота, заполняющая промежутки между атомами — не может быть воображена конечной. (В то время как в предшествующей, непрерывной картине, Вселенная — неизбежно конечна, т. к. любой непрерывный объект, из опыта (и в воображении) — представляется конечным).

Итак, в рамках атомистической картины Мира, собственно и возникает понятие Мира и Вселенной, т. е. возникает их различение. Вселенная оказывается бесконечно шире окружающего Мира, а общая картина Мира включает теперь уже не только картину Вселенной, но и то частное, что реализовано именно в нашем окружающем Мире (например, наличие звёзд, планет, камней, океанов и т. д.).

В картину Вселенной — эти частные моменты не входят. Но т. к. универсальное, у картины Мира и Вселенной — общее, они частично совпадают (говоря о картине Мира, мы используем соответствующую картину Вселенной, расширяя её, рассматривая основные частные моменты, реализованные именно в нашем Мире).

Картина окружающего Мира, основанная на атомизме — крайне проста. Основные моменты атомистической картины Мира — можно уместить всего в нескольких предложениях:

1) Мироздание (всё, в нём существующее (звёзды, планеты и т. д.)) — состоят из ничтожно малых, далее неделимых частиц (атомов), движущихся в пустоте;

2) атомы, имея различный вес (размер) и шероховатости, соединяясь друг с другом различными геометрическими способами — образуют все вещи окружающего Мира;

3) все явления — есть следствия движений атомов.

Так вот, всё лаконично и просто…

Классическая картина окружающего Мира, основанная на атомизме — состояла т. о., минимально, всего из нескольких простых основных понятий: неделимые, невидимые простому глазу, простейшие частицы (атомы), с ограниченным рядом свойств (шероховатости, вес и т. п.), их движение, и пустота (заполняющая промежутки между частицами (атомами)).

Такая классическая картина Мироздания (основные понятия которой распространяли и на Вселенную, т. о. считая универсальными) — возникла в древней Греции и (независимо) в древней Индии, примерно два с половиной тысячелетия назад. На протяжении многих веков, атомистическая картина Мира — вполне исчерпывающе удовлетворяла потребности наук. На основе движущихся атомов — объяснялись и термодинамические явления в газах, и прочность твёрдых предметов, и т. д., т. е. практически всё, вплоть до 19-го века.

Даже дальнодействующая сила всемирного тяготения (выглядевшая не связанной с непосредственными контактами атомов), открытая Ньютоном, и связывающая все тела в Солнечной системе — получила простое классическое атомистическое объяснение при помощи движений атомов эфира. Рассмотрим это подробнее:

Ньютон и представление о силе

Ньютон — известен как первооткрыватель т. н. силы всемирного тяготения. Ньютон, однако, лишь описал эту дальнодействующую силу, при помощи формул, но не объяснил её механизма (сославшись на недостаточность фактов, чтобы показать конкретные причины данной силы (что впоследствии, привело в т. ч. к представлению, что объекты воздействуют друг на друга через пустоту)). Другие учёные, однако, не могли смириться с этим, и нашли атомистический механизм возникновения силы всемирного тяготения. Как и любые классические объяснения, оно оказалось очень простым. Рассмотрим его:

1) вообразим два объекта в космосе, расположенных на некотором расстоянии друг от друга: представлялось, что они окружены эфиром, неделимые частицы которого (атомы) — пребывают в беспорядочных, вечных (т. е. неуничтожимых) движениях;

2) двигаясь во всех направлениях (хаотично), частицы эфира — ударяются, с некоторой силой, в частицы (атомы), составляющие эти объекты;

3) объекты, в некоторой мере — заслоняют друг друга от ударов эфирных частиц, и получается, что давление эфира на внешние стороны объектов — будет несколько выше, чем давление на внутренние стороны, а значит, возникает сила, толкающая объекты друг к другу.

Т. о. был найден (вернее, изобретён) механизм силы всемирного тяготения (дальнодействующей силы). Дополнив этим объяснением механику Ньютона, получили теорию, рассматривавшую всемирное тяготение исчерпывающе, на то время.

Эфирное объяснение гравитации — показало, что эта дальнодействующая сила (т. е. действующая без непосредственного соприкосновения объектов) — тоже имеет в своей основе близкодействие (т. е. соприкосновение), как и все другие силы (т. е. объекты гравитационно взаимодействуют — не через пустоту, а через соприкосновения с частицами (атомами) эфира).

Эфирное объяснение, будучи наглядным и, в принципе, единственно возможным объяснением гравитации в классическое время, порождало ряд проблем (вопросов): например, оно — не объясняет, почему вращение планет вокруг Солнца и вокруг своей оси — всё ещё существует, а не затормозилось трением об эфир (т. н. эфирным ветром, который должен существовать при движении сквозь эфир). Часть учёных, поэтому — остались верны объяснению гравитации, как силы действующей через пустоту, т. е. стали на сторону т. н. теории дальнодействия.

Другие — стали на сторону эфирного объяснения, т. е. теории близкодействия.

Обе эти теории — имели слабые места, и т. о. уже содержали зёрна зреющей скорой революции в представлениях (т. е. возникновения неклассических представлений).

В связи с близкодействием и дальнодействием, возникло также двоякое суждение о скорости распространения гравитации (в эфирном объяснении, она распространяется не мгновенно). Также, эти две теории — привели к различным способам объяснения сути солнечного света: одни представляли его состоящим из неких частиц (очень лёгких атомов, корпускул), а другие — считали свет волнами, распространяющимися в эфире как среде.

(Забегая вперёд, мы знаем, что удивительным решением этого противоречия оказался корпускулярно-волновой дуализм света, открытый уже в неклассическое время).

В целом, классические объяснения гравитации, солнечного света, и чего бы то ни было ещё — намного, «в миллион раз», проще, чем объяснение этих же вещей и явлений на последующем, неклассическом этапе, где, например, частицы — это никоим образом не твёрдые шарики, т. к. оказываются вовсе лишены геометрической формы и поверхностей, размеров, наглядно невообразимы, обладают корпускулярно-волновым дуализмом и т. д. (но не будем забегать вперёд).

Развитие науки, со временем, показало ограниченность атомизма, вскрыло заключённые в нём противоречия.

Третья классическая картина Мира

Постепенно выяснялись несовершенства в описании окружающего Мира посредством атомистических представлений. Атомизм — вызывает массу вопросов: например, если атомы — это неделимые точечные объекты, то как они могут различаться по весу (объёму), а тем более иметь шероховатые поверхности? Кроме того, чтобы объяснить прочность объектов на разрыв, (простых) шероховатостей — мало, и пришлось добавить крючочки на поверхности атомов, благодаря которым, атомы могли бы сцепливаться (а иначе, прочность — не объяснить). Но крючочки и неровности — очень сильно намекают уже на делимость атомов.

В общем, все эти парадоксы и противоречия — постепенно привели к возникновению и распространению третьей классической картины Мира, основанной на идее бесконечной делимости материи (атомов). Действительно, ведь представляя себе неделимый объект — мы можем мысленно разделить его на две половины. Объект, обладающий объёмом (атом), и не являющийся точкой — логика делает, с необходимостью, делимым.

Возникло (в Новое Время) представление о бесконечной делимости материи, которое не отменило крючочков на атомах, но показало, что атомы — должны быть делимы. Это сняло также и вопрос о сущности пустоты: пустота (небытие) — оказалась несуществующей, а материя — стала заполняющей всё вокруг, из-за своей бесконечной делимости.

Просуществовала эта картина Мира, основанная на бесконечной делимости — до 19-го века (до неклассических представлений).

В рамках такой картины Мира — возникли новые вопросы, новые парадоксы, показавшие, что она не может дать окончательного понимания явлений, происходящих в окружающем Мире: Так, если в Мире нет пустоты (из-за бесконечной делимости материи), то как же возможно движение? (Этот парадокс — был решён уже в рамках радикально новых, неклассических представлений).

В том же, 19-м веке, неожиданно случилась «катастрофа», способствовавшая краху всех классических представлений в целом: идея эфира, долгое время блестяще объяснявшая механизм гравитации и волновые свойства света, достигла в 19-м веке своего полного краха, т. к. были открыты, не объяснимые эфиром, явления (электромагнитные), а потом, многочисленными экспериментами — было доказано, что никакого эфира (как всепроникающей газообразной среды) в реальном Мире — не существует (т. к. было обнаружено отсутствие эфирного ветра).

Классические теории — перестали соответствовать новым (научным) фактам: раз никакого эфира в реальности — не оказалось, то и эфирные объяснения механизма гравитации и сущности света (волны в эфире) — стали неприемлемыми. В то же время, оставшееся пока нетронутым, действие сил через пустоту — уже не могло удовлетворить учёных, равно как и полное противоречий, представление о корпускулярном устройстве света (в то время как свет проявлял волновые свойства, и требовал среды, которой (т. е. эфира) — не оказалось). Это было шоком для учёных и философов, и потерей понимания Мира для всего человечества. Классическая картина Мира — рушилась.

Потребовались совершенно новые представления, новые подходы. И оказались они — радикально необычными, что позволило назвать формирующуюся новую картину Мира — неклассической. Уже на первом этапе её развития, в возникшей первой из неклассических научно-философских дисциплин — теории поля, крючочки на поверхности атомов — стали не нужны, и было найдено, почему отсутствие пустоты не препятствует движению объектов…

НЕКЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Причина, позволившая человечеству завершить классический, и перейти на новый, неклассический этап развития представлений о Мире — во многом была связана с открытием нового уровня вещества, в корне не похожего ни на один известный: это — уровень элементарных частиц и (физического) вакуума, не подчинявшийся классическим законам, и недоступный для классического понимания. Изучение этого уровня — принесло множество научных фактов (наблюдений), не поддававшихся объяснению в рамках старых, классических представлений.

Пришлось создать вместо них (вернее, в дополнение к ним) — совершенно новые, неклассические теории, способные более глубоко описывать окружающий Мир.

В новых представлениях (неклассических), вакуум — оказался не пустотой (или эфиром), а стал совокупностью полей (а в дальнейшем — искривлённым пространством-временем), и оказался обладающим энергией, что было ранее немыслимо.

В рамках новых представлений, начиная с первой неклассической дисциплины — теории поля, выяснилось, что элементарные частицы и вакуум, в своём существовании — неразрывно связаны (о чём, подробнее — позже). Поэтому вакуум и элементарные частицы — всегда рассматриваются вместе, во всех научно-философских дисциплинах (теориях), слагающих неклассическую картину Мира.

Имеются следующие неклассические научно-философские теории (дисциплины):

1) теория поля,

2) квантовая механика,

3) теория относительности,

4) теория элементарных частиц.

Итак, всего четыре научно-философские дисциплины (теории), в рамках которых изучается глубочайший и невероятнейший, из ныне известных, уровень вещества Мироздания — уровень элементарных частиц и вакуума (а через него — меняются представления и о всех вышележащих уровнях вещества, и об устройстве Мироздания в целом).

Представления об окружающем Мире (Мироздании), став неклассическими, оказались лишёнными наглядности, и как следствие — крайне сложны для понимания.

Рождение неклассической эпохи — началось примерно в середине 19-го века, с открытия поля, вернее создания представления о поле (сперва — электромагнитном и гравитационном), и появления, соответственно, теории поля.

Теория поля — это первый, начальный этап развития неклассической картины Мира. Эта теория — как уже было сказано, впервые показала, что вакуум — не является ни пустотой, ни эфиром, а представляет собой особую, непрерывную субстанцию, в виде совокупности различных, безграничных в пространстве, полей, окружающих все частицы. Зародилось понятие физического вакуума, и частиц как объектов, неразрывно связанных с полями.

На рубеже 19-го — 20-го веков, плюс к теории поля — возникли ещё три подобные, неклассические теории (дисциплины): теория элементарных частиц (с открытия электрона, в 1897 году), квантовая механика (с 1900 года — с открытия квантовой природы света), и теория относительности Эйнштейна (с 1905 года, когда Эйнштейн опубликовал свою работу, известную как специальная теория относительности).

Каждая из четырёх вышеназванных научно-философских дисциплин, изучающих элементарные частицы и вакуум — состоит из научной (частные факты) и философской (их обобщения) части. Научная часть — включает результаты бесчисленных исследований, научных открытий, соответствующие математические формулы и т. п., т. е. описание всевозможных процессов и свойств уровня элементарных частиц и вакуума (а также их связи с объектами и явлениями макромира (включая строение звёзд, теорию Большого Взрыва и мн. др.)). Содержимое этого громадного количества работ (научных данных) — более-менее известно, естественно, лишь учёным в соответствующих областях (и то — ограниченно). Нас же — интересуют обобщения (т. е. философская часть), понимание общей картины каждой из четырёх неклассических дисциплин, и наиболее важные и общие идеи (выводы) в них, чтобы увидеть удивительную неклассическую картину Мироздания, рисуемую этими дисциплинами, перевернувшими людские представления.

В современности, неклассическая эпоха, впрочем, уже подошла к своему естественному завершению, т. к. появились более продвинутые, т. н. постнеклассические представления о Мире; последние — позволяют объяснять Мир вокруг на более глубоком уровне, чем на неклассическом этапе, причём делают это вновь наглядно и (относительно) просто, в отличие от неклассических теорий (рассмотрим это — несколько позже).

Сперва же — необходимо разобраться в неклассических (= ненаглядных, сложных) теориях, и понять неклассическую (= странную) картину Мироздания, безраздельно господствовавшую на протяжении примерно целого века.

Итак, разберём, по порядку, содержание четырёх неклассических дисциплин, в их применении к окружающему Миру, начиная с появившейся первой из них:

Теория поля

Теория поля — начала зарождаться примерно с середины 19-го века, и изначально была создана для объяснения электромагнитных явлений, механизм которых никак не удавалось объяснить с помощью эфира, как ни старались учёные. В то время (на протяжении 19-го века), существование эфира ещё не было окончательно опровергнуто экспериментально, но классически мыслящие учёные — испытывали большие сложности, ища эфирное объяснение электромагнетизму: они выдумывали и новые сорта эфирных частиц, и эфирные ветры и вихри, но результаты были неудовлетворительными. Как ни крутили эфир (наделяя его различными необычными свойствами), найти непротиворечивое и простое объяснение электрическим и магнитным явлениям, с помощью него — не удавалось.

В результате, постепенно нарастало недоверие к эфиру, и подготавливалась благоприятная почва для последующих радикальных изменений в представлениях о Мире. Переворотом — стало появление во второй половине 19-го века, и быстрое распространение теории, отбросившей эфир, и объяснившей электромагнетизм, используя совершенно новое понятие — поле. В разработке этой теории (теории поля), ведущую роль сыграли Фарадей и Максвелл.

Итак, рассмотрим сущность теории поля, в применении к окружающему Миру:

Возьмём обычный магнит: согласно теории поля, магнит притягивает к себе железные предметы не посредством силы, действующей через пустоту, и не за счёт ударений эфирных частиц, а за счёт того, что он окружён неким т. н. полем (магнитным), или создаёт поле. Сила, с которой магнит притягивает железные предметы — есть результат воздействия поля на эти предметы. Однако поле — это нечто иное, нежели сила. Поле — это особая, невидимая и наглядно невообразимая, субстанция (материеподобная).

Поле, в теории поля — отличается от обычной материи (атомов) своей непрерывностью, т. е. тем, что ни из чего не состоит (ни из каких частиц). Кроме того, поле лишено плотности (подобно пустоте), т. е. не является полноценной субстанцией, и больше похоже на пустоту, нежели на материю (как полноценную субстанцию). Но при этом, поле имеет энергию, напряжённость, и проявляется воздействием на объекты (т. е. значительно отличается от пустоты). А ещё, любое поле — обладает безграничной протяжённостью в пространстве.

Свойства поля, в общем — невероятно странные, и немыслимые с т. зр. классических представлений.

Почему поле завоевало популярность и общепризнанность? Лишь оно смогло объяснить, или скорее, описать научные факты, необъяснимые в классических представлениях. Однако будучи столь непривычным, странным и «нелогичным» понятием, поле, и теория поля — сталкивались с сопротивлением со стороны многих учёных. Неклассические представления (начиная с теории поля), вытесняли классические медленно, в атмосфере дискуссий сторонников нового и старого.

От классических представлений — отказаться было очень непросто, несмотря на разрывавшие их противоречия. Человечеству пришлось отказываться от простоты и наглядности, в т. ч. от простой и целостной, классической картины Мира, причём отказаться в пользу странных, сложных, и ненаглядных представлений.

Любой объект в окружающем Мире, в т. ч. любая частица вещества, согласно теории поля — связана с определёнными полями, которые окружают её и простираются вокруг на безграничные расстояния. С расстоянием — падает лишь напряжённость полей, т. е. сила их воздействия на предметы, но сами поля — безграничны.

Безграничная протяжённость полей — приводит к тому, что в каждой точке пространства Мироздания, одновременно присутствуют поля от всех объектов (в т. ч. всех частиц), имеющихся в окружающем Мире. Вакуум т. о. — «до отказа» заполнен бессчётным множеством всевозможных полей, и не может быть пустотой. Теперь ясно, почему он обладает энергией: её можно представить, для начала, как сумму энергий всех полей. Т. о. вакуум — не пуст, а представляет собой т. н. физический вакуум.

Основные свойства известных видов полей — одинаковы: любое поле — безгранично в пространстве, обладает энергией, характеризуется напряжённостью, непрерывностью, прозрачностью (бесплотностью), и неразрывной связью с каким-либо, соответствующим, материальным объектом (например, с элементарной частицей, планетой, магнитом и т. д.).

Любая вещь (как кусок обычной материи) и поле (как материеподобная субстанция) — неразрывно связаны друг с другом. У каждого объекта, существующего в Мироздании — имеется, как минимум, хотя бы одно поле (гравитационное), непрерывное и безграничное в пространстве.

Итак, мы рассмотрели, в целом, общие свойства полей, = базовые представления теории поля. Рассмотрим теперь отличительные свойства каждого из видов полей, имеющихся в окружающем Мире (Мироздании), и определяющих его свойства (в отличие от других мирозданий, где могут быть совсем другие виды полей):

Поля 19-го века

Гравитационные, электрические и магнитные поля — это виды полей, ставшие известными ещё в 19-м веке.

В 20-м веке — были открыты ещё три новых вида полей: ядерные поля, слабые поля и глюонные поля.

В окружающем Мире, т. о. достоверно известно, как минимум, 3 + 3 = 6 видов полей.

К 21-му веку, стало общепринятым говорить ещё о двух новых видах полей, требующихся для описания окружающего Мира, — поле Хиггса и поле инфлатона. Их — будем рассматривать позже, в т. ч. в рамках постнеклассических представлений.

Пока же, рассмотрим неклассические представления (в рамках теории поля), о полях 19-го и 20-го века. Разберём их по порядку, начиная с полей 19-го века:

Магнитные поля

Магнитные явления (до того как назваться полями) — были известны ещё с древности, со времени, когда люди научились обрабатывать железо, и в результате стали известны магниты.

В Новое время, явление магнетизма — получило объяснение как некая дальнодействующая сила, действующая через пустоту (подобно ньютоновской гравитации).

В дальнейшем, были предприняты попытки найти механизм магнитных явлений. Для этого, естественно, пытались привлечь движения атомов эфира (как и при объяснении гравитации), однако без существенного успеха. Явление магнетизма, в связи с этим, в классической науке и философии, в целом, игнорировалось, как некое досадное исключение из правил, не находящее объяснений.

Объяснения нашлись в 19-м веке, с помощью введения понятия магнитного поля.

Общие свойства полей мы уже рассматривали, поэтому рассмотрим теперь частные свойства, присущие именно магнитному полю:

Магниты — могут притягиваться друг к другу или отталкиваться, в зависимости от того, какими полюсами их располагать друг к другу. Значит, существует положительный магнетизм (притяжение) и отрицательный (отталкивание), и в связи с этим, есть два условных заряда (полюса). Эти полюса — неразрывно связаны друг с другом, и не могут существовать отдельно: у магнита — всегда есть т. н. северный и южный полюса.

На уровне элементарных частиц, магнитное поле связано с положительным и отрицательным спинами элементарных частиц (что тоже не предполагает разделённости полюсов, т. к. поле обыкновенного магнита — оказывается состоящим из сонаправленных спинов частиц (электронов), как элементарных магнитов).

Спин — это т. н. квантовое число (свойство), или собственный момент движения элементарной частицы, не имеющий классических аналогов (хотя часто изображаемый, для удобства, как вращение частицы вокруг своей оси).

Каждая элементарная частица в нашем Мироздании (за редким исключением) — является элементарным магнитом, т. е. обладает своим магнитным полем. Поэтому число магнитов в Мироздании — сопоставимо с числом элементарных частиц, причём каждое существующее магнитное поле — безгранично в пространстве и считается (в теории поля) самостоятельным. Вакуум т. о. «до отказа» заполнен магнитными полями. А ведь существуют ещё и другие поля…

Электрические поля

С электрическими явлениями, люди знакомы издревле, хотя бы из наблюдения молний. Однако, проникновение в суть этих явлений — началось, в основном, лишь с 19-го века.

Известно, что в нашем Мире существует два типа электрических зарядов: положительные (+) и отрицательные (-). Положительным зарядом электрического поля — обладают, например, протоны, а отрицательным — электроны.

Положительные и отрицательные заряды — это лишь условные обозначения, придуманные для того, чтобы описать действие электрического поля, т. е. электрическое притяжение и отталкивание объектов: говорят, что противоположные заряды — притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются.

Электрическое поле — свойственно практически всем видам элементарных частиц. (Электрического поля, однако, лишены, например, такие частицы как нейтрино, а в других частицах, даже если они имеют нулевой заряд, например, как нейтрон, заряды электрических полей (у кварков) — скомпенсированы, но не отсутствуют).

Гравитационные поля

Гравитация, как и электричество — известна человеку, можно сказать, с незапамятных времён. Классически (по Аристотелю), она объяснялась весом предметов, как стремлением их к своему естественному месту в Мире: для предметов из элемента земли — это центр Земли, а для воды — земная поверхность, для воздуха же — место над поверхностью (атмосфера), и т. д. В связи с этим, долгое время существовало также заблуждение, что тяжёлые тела (в которых элемента земли — больше) — падают быстрее, что было, в последующем, опровергнуто.

В Новое время, как уже говорилось, гравитация могла пониматься двояко: либо как истинно дальнодействующая сила, т. е. сила, действующая через пустоту (в отличие от всех других сил в природе, известных на то время (кроме электричества и магнетизма)), либо предполагающая механизм — эфирное объяснение (умозрительное).

И лишь в 19-м — начале 20-го веков, с окончательным устранением эфира из окружающего Мира, гравитация — стала общепризнанно рассматриваться как поле.

Гравитационные поля, в отличие от электрических и магнитных — имеют всего один тип заряда — притягивающий (положительный), т. е. гравитация — всегда приводит к взаимному притяжению объектов. Антигравитация же (т. е. отрицательный гравитационный заряд) — науке неизвестна.

Своё гравитационное поле — имеется у всех объектов, в т. ч. у каждой элементарной частицы.

Элементарное гравитационное поле (= свойственное любой отдельной элементарной частице) — всегда на много порядков слабее элементарного электрического и магнитного полей. Поэтому в процессах, происходящих в микромире, влиянием гравитационных полей, как правило — можно полностью пренебречь.

Однако на уровне планет, и на более высоких уровнях вещества Мироздания, гравитационное поле — становится играющим главную роль. Это как раз следствие того, что гравитационные поля, хоть и являются самыми слабыми полями, известными в природе, но складываясь, их всегда положительные (притягивающие) заряды — не компенсируются, а суммируются, что приводит, в макромасштабе — к возникновению весьма значимых, по напряжённости, полей (например, гравитационное поле Солнца, обладающее, как целое — огромной силой).

Поля 20-го века

Поле — странное и удивительное явление. А поля 20-го века (ядерные, слабые и глюонные) — ещё более странные. Эти поля, как увидим — сильно отличаются, по своим частным свойствам, от полей 19-го века. Во многом, поэтому — они стали известны лишь в 20-м веке.

Итак, рассмотрим их, по порядку:

Ядерные поля

Благодаря ядерным, или сильным полям — существуют ядра атомов. Сильное (= ядерное) поле — способно притягивать протоны и нейтроны друг к другу, потому что они обладают т. н. сильными зарядами (т. е. сильными полями).

Известно, что протоны — отталкиваются друг от друга своими электрическими зарядами, а в ядре атома, из-за ничтожных расстояний между протонами, напряжённость электрических полей огромна. Сила электрического отталкивания протонов, соответственно — оказывается очень велика. Считается, что сильные поля — примерно в сто раз сильнее притягивают протоны друг к другу в ядре, нежели те электрически отталкиваются друг от друга. Протоны в ядре — т. о. оказываются накрепко связанными сильными (= ядерными) полями. Получается, что не зря эти поля названы сильными: ядерное поле, по сравнению с другими видами полей — действительно обладает выдающейся силой.

Однако это поле — имеет и некоторую ущербность: сила действия (напряжённость) ядерного поля — падает с расстоянием во много раз быстрее, чем у полей 19-го века: Если напряжённость гравитационных, электрических и магнитных полей — снижается с расстоянием одинаково медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния), то сильное (ядерное) поле — ослабевает по иному закону (быстрее), и уже на расстоянии, большем, примерно, ничтожных 10–13 см, сила (напряжённость) сильного поля — оказывается меньшей, чем у электрического и магнитного полей, где они — становятся т. о. преобладающими, а ядерное поле перестаёт играть значимую роль.

Поэтому, например, ядра соседних атомов, сильными полями — не взаимодействуют (или по крайней мере, такое взаимодействие — пренебрежимо мало).

Чтобы ядра провзаимодействовали (т. е. вступили в ядерную реакцию), их нужно сблизить примерно до 10–13 см, чему препятствуют значительные силы электрического отталкивания между ядрами. Поэтому ядерные реакции могут идти, в естественных условиях, лишь в недрах звёзд (и т. п. условиях) — т. е. при огромных давлениях и температурах (= при больших скоростях сталкивающихся ядер).

Итак, в общем, сильное (ядерное) поле — является по-настоящему сильным лишь при условии крайне малых расстояний между взаимодействующими элементарными частицами / ядрами, обладающими этими полями. Сильные поля значимо действуют лишь в масштабах внутренней структуры ядра (т. е. масштабах 10–13 см). Эти масштабы — на много порядков меньше размера атома (атомное ядро, как правило, в десятки тысяч раз меньше атома).

Среди элементарных частиц, сильным видом полей — обладают, помимо протонов и нейтронов, все элементарные частицы, состоящие из кварков, т. е. т. н. составные, или сложные элементарные частицы (гипероны, резонансы и т. п.), которые рассмотрим несколько позже. (Поэтому возможны, например, т. н. гиперядра (= содержащие гипероны, вместо протонов или нейтронов, и быстро распадающиеся)).

Сильных полей — лишены т. н. фундаментальные, или простые элементарные частицы (т. е. не состоящие из кварков) — электроны, нейтрино и т. п. На эти частицы, сильные поля — не действуют (эти частицы не несут соответствующего заряда, т. е. сильных полей).

Ещё одно свойство сильного поля — в том, что оно, подобно гравитационному полю, никогда не бывает отталкивающим, т. е. сильный заряд — всегда только притягивающий. Антисильного поля — науке неизвестно (даже у частиц т. н. антивещества).

Сильное поле обладает также удивительным свойством насыщаемости (отдалённо напоминающей насыщаемость химических связей): например, один протон / нейтрон — может притянуть лишь ограниченное число соседних частиц в ядре.

Это, в принципе, всё основное, что известно в рамках теории поля, о сильном (ядерном) виде полей. (Более продвинутые представления о полях — имеются в рамках квантовой механики и теории относительности, которые рассмотрим чуть позже).

Слабые поля

Следующий вид полей, из числа открытых в 20-м веке, который сейчас рассмотрим — носит название слабого. Этим видом полей, и соответственно, слабым зарядом — обладают практически все виды элементарных частиц (в т. ч. электроны, протоны, нейтрино и т. п.).

Слабое поле — оправдывает своё название, т. к. по силе (= константе взаимодействия) — оно является почти самым слабым (лишь гравитационное поле слабее его).

Вдобавок к этому, слабое поле — имеет невероятное, сверхбыстрое убывание напряжённости (силы) с расстоянием, — ещё более быстрое, чем у сильных (ядерных) полей:

Действие слабого поля является заметным лишь на расстояниях в 1 000 раз меньших, чем расстояния, на которых эффективно действуют сильные (ядерные) поля. Поэтому слабое поле — стало известно лишь при изучении совершенно мизерных масштабов пространства (а именно, расстояний порядка 10–16 см).

Слабое поле традиционно рассматривается как не связанное с притягивающими или отталкивающими зарядами, но приводящее лишь к превращениям частиц (например, распаду (свободного) нейтрона, и т. п.). Но с другой стороны, отталкивающее действие, обусловленное слабым полем — можно видеть, например, в известном явлении упругого столкновения нейтрино с частицами или ядрами, приводящем к обмену импульсами (т. н. упругое рассеяние нейтрино).

Далее: Подробнее и более глубоко, слабые поля, как и другие, как уже говорилось, рассматриваются в квантовой механике и теории относительности, о чём — чуть позже.

Глюонные поля

Последний вид полей, из числа открытых в 20-м веке — получил название глюонного поля. Оно определённым образом связано с ядерным (сильным) полем, о чём подробнее — чуть позже. Глюонные поля — связывают кварки друг с другом в сложных элементарных частицах (протонах, гиперонах, мезонах и т. п.). Силы глюонного притяжения между кварками, как считается — настолько сильны, что до сих пор, учёным не удалось вырвать ни одного кварка ни из одной сложной элементарной частицы. Т. е. ни один кварк не получен в свободном состоянии! Теоретическое объяснение этому — нашлось очень удивительное: предполагается, что напряжённость глюонных полей, в отличие от всех других видов полей, с расстоянием — не падает, а наоборот, возрастает. Оказывается, возможно и такое…

Получается, что если пытаться разорвать сложную элементарную частицу (например, протон), то энергия, которую мы будем прилагать, будет тратиться на увеличение напряжённости глюонного поля, и т. о. чем дальше кварки будут отдаляться друг от друга — тем сильнее они будут притягиваться друг к другу (и противодействовать разрыву сложной элементарной частицы (также энергия будет тратиться на рождение пар частица-античастица, и т. п.)). Поэтому разорвать сложную частицу на отдельные кварки — оказывается невозможно даже теоретически. Сложные элементарные частицы, в результате, несмотря на то, что являются, как известно, состоящими из кварков, могут считаться такими же элементарными, как и простые элементарные частицы (т. е. электроны, нейтрино и т. п.).

В целом, глюонные поля — самые сильные поля, имеющиеся в природе. Почему же эти поля столь малозаметны в окружающем Мире, на макроуровне? Дело в том, что глюонные поля — обладают удивительным свойством насыщаемости: они способны связывать лишь кварки в отдельной сложной элементарной частице, а на кварки соседних сложных элементарных частиц, несмотря на значительно большие расстояния до них и возрастание (или как минимум, неуменьшение) силы с расстоянием, глюонные поля, в целом — не действуют.

Объединение полей

Итак, мы рассмотрели, в общих чертах, шесть известных (доказанных) видов полей. Но почему существует именно шесть видов, а не одно, единое поле? Какова причина такого разнообразия, и всегда ли оно существовало? Поиск ответов на эти вопросы — ведётся уже давно. Попытки свести различные виды полей к разным сторонам (проявлениям) единого поля — уже имеют определённый успех.

Так, считается, что единое поле могло существовать как единое целое — на заре нашего Мироздания, т. е. во времена Большого Взрыва. По мере физического расширения окружающего Мира, последовавшего за ним, и падения плотности энергии в пространстве, единое поле постепенно разделилось на шесть полей, известных в современности. В качестве частичной аналогии этому, обычно приводится, например, раствор, в котором происходит кристаллизация растворённых веществ, т. е. их отделение и выпадение в осадок, при остывании раствора. По этой и т. п. аналогиям, можно (условно) представить и разделение единого поля. Из этого также следует, что его можно вновь получить, повысив концентрацию энергии, что осуществимо, например, при столкновениях частиц в ускорителе.

Возможность объединения полей т. о. — впервые подтвердилась при открытии, при помощи ускорителя заряженных частиц, новых элементарных частиц — W- и Z-бозонов (в 1983 году), существование которых ранее было предсказано в рамках теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое поле (теория Вайнберга-Глэшоу-Салама), с привлечением, дополнительно, поля Хиггса. Подробнее мы на этом остановимся позже.

Также, ещё ранее (в 19-м веке) были объединены магнитные и электрические поля — в электромагнитное поле (согласно наблюдениям, и в теории Фарадея-Максвелла). При этом, магнитное поле — было представлено как вторичное, производное по отношению к электрическому: например, магнитное поле, окружающее проводник с током — было объяснено как результат направленного движения электрических зарядов (электронов); также и магнитные моменты частиц — удалось представить (условно) как результат вращения элементарной частицы, и следовательно, тоже выводимыми из электрического поля.

(Ещё до этого (и до теории поля), = более ранним примером объединения сил — явилась сила всемирного тяготения (впоследствии — гравитационное поле): Ньютон обнаружил связь между разными, на первый взгляд, силами (ускорением свободного падения, и силой, связывающей планеты), которые оказались разными проявлениями единой силы, названной силой всемирного тяготения (гравитацией)).

Также, впоследствии, были объединены ядерное (сильное) и глюонное поля: в рамках квантовой хромодинамики (теории, описывающей глюонное поле при помощи квантовой механики), ядерное поле оказалось остаточным взаимодействием, выводимым из глюонного поля (в некоторой аналогии с тем, как силы притяжения, действующие между молекулами (силы Ван-дер-Ваальса) — остаточны по отношению к электромагнитным взаимодействиям внутри молекул). Глюонное поле, оказавшись т. о. первичным, фундаментальным, по отношению к ядерному, переняло у последнего название сильного поля (глюонное и ядерное поля — стали т. о. разными его проявлениями).

В современности, в целом, т. о. имеются следующие объединённые взаимодействия (поля): гравитационное (объединённое Ньютоном), электрослабое поле (магнитное, электрическое и слабое) и сильное поле (ядерное и глюонное).

Ныне, теоретики работают над дальнейшим объединением электрослабого поля с сильным полем, и далее — с полем гравитационным, что пока остаётся в рамках теории (или гипотез, т. е. пока не доказано экспериментально), и будет рассматриваться — несколько позже.

Далее: В целом, теория поля — преимущественно описывает (констатирует) свойства полей, но не объясняет их. Более продвинутые и глубокие представления о полях (и о физическом вакууме) — были созданы уже в рамках других неклассических дисциплин: в квантовой механике и теории относительности. Там возникли более сложные (квантовые и пространственно-временные) представления о полях.

Сама же теория поля, после этого, впрочем — не сошла в историю, а осталась действующей дисциплиной. Занимается она теперь изучением, как и раньше, более поверхностной сути (и свойств) полей, не касаясь более продвинутых (квантовых и пространственно-временных) представлений о них. Т. е. теория поля рассказывает о полях то, что нужно узнать прежде, чем приступать к изучению более сложных представлений.

Так и мы — рассмотрели представления об известных полях сперва в рамках теории поля, а теперь — переходим к рамкам квантовой механики, в которой, помимо более глубокого рассмотрения полей, изучается также поведение элементарных частиц, и т. п. вопросы, касающиеся фундамента окружающего Мира.

Квантовая механика

Как и теория поля, квантовая механика — это неклассическая научно-философская дисциплина, занимающаяся изучением т. н. микромира. Прежде всего, в микромире, квантовая механика — изучает механику (поведение) элементарных частиц, которое радикально отличается от поведения макрообъектов (= предметов повседневного, видимого Мира, вполне удовлетворительно описывавшегося в рамках классической механики).

На уровне элементарных частиц и вакуума — законы макромира перестают действовать, уступая место законам микромира = законам квантовой механики. В микромире имеют место квантовые эффекты, в т. ч. различные странности в поведении объектов, невообразимые с т. зр. классической механики, но описываемые квантовой механикой.

Например, классическая механика — не способна объяснить движение электрона в атоме, но для этого — применимы законы квантовой механики, согласно которым, электрон, из-за (квантовой) неопределённости координат и импульса, а также благодаря корпускулярно-волновому дуализму — размазывается, и находится во многих местах одновременно, образуя электронную орбиталь, или электронное «облако». Оно может иметь сферическую, гантелеобразную, бубликовидную и другие причудливые формы (которые вычисляются согласно уравнению Шрёдингера, о чём подробнее — позже). Электрон не падает на протон (несмотря на электромагнитное притяжение между ними), и не излучает электромагнитных волн, хотя согласно классическим представлениям — при движении он должен их излучать, и т. о. теряя энергию, упасть на протон. Движение электрона, образующее орбиталь, в общем — совершенно несравнимо с движением планет в Солнечной системе, т. е. не может быть описано с помощью законов классической механики, но было одной из первых задач, решённых при помощи квантовой механики, показав её эффективность.

Что такое квант?

В классической науке считалось, что процессы в природе — происходят плавно, непрерывно. В т. ч. нагретые тела, поэтому — должны излучать энергию непрерывным потоком. Но это — оказалось противоречащим экспериментальным фактам: анализ спектров излучения нагретых тел — приводил, в рамках классических представлений, к необъяснимым результатам (т. н. «ультрафиолетовая катастрофа»).

Развитие науки — потребовало пересмотра фундаментальных представлений. Одним из первых, в поиске новых представлений — оказался Планк, который предложил считать, что любые изменения энергии в процессах, связанных с излучением — происходят скачкообразно (что было радикальной идеей, на то время). Всякое изменение энергии — должно было быть т. о. кратно какой-то минимальной величине (что совершенно немыслимо с т. зр. классических представлений).

Эта идея — оказалась верной и крайне плодотворной, и положила начало квантовой механике (1900-й год). Потеря энергии нагретыми телами, согласно квантовым представлениям — происходит порциями, т. н. квантами. Вскоре, эти гипотетические порции энергии (электромагнитные кванты) — были обнаружены, и в дальнейшем, стали пониматься как элементарные частицы, фотоны. Это открытие было сделано в 1905-м году (Эйнштейном, при объяснении явления фотоэффекта). Далее, квантами, точнее, квантами полей, по веским причинам — стали называться и другие (в конечном итоге, все) элементарные частицы. Это было связано с новыми представлениями о полях, и их связи с элементарными частицами:

Квантовые представления о полях

Обнаружение кванта электромагнитного поля, или элементарной частицы, фотона — привело к значительному усложнению представлений о полях. Оказалось, что поле — каким-то фундаментальным образом связано с соответствующими квантами (элементарными частицами): например, электромагнитное поле — связано с электромагнитными квантами (фотонами). Вскоре, подобным стало представляться устройство и всех остальных видов полей, в т. ч. новооткрываемых (полей 20-го века). Квантами в них — оказались, соответственно: мезоны — для ядерного поля, W- и Z-бозоны — для слабого поля, глюоны — для глюонного поля, и гравитоны — для поля гравитационного.

Из них, только глюоны и гравитоны — пока экспериментально не обнаружены (вернее, глюоны — обнаружены косвенно, в результате интерпретации процессов столкновения частиц в ускорителе, т. е. не получены в свободном состоянии, в котором они, как считается, не существуют). А мезоны и W- и Z-бозоны — найдены и изучены достаточно хорошо (примечательно, что все эти частицы-кванты полей, сперва были предсказаны теоретически, и лишь затем обнаружены экспериментально).

Что же такое квант, по отношению к полю? Возможно два варианта: либо поле — состоит из квантов, либо поле — не состоит из квантов, но является причиной наличия квантов. В последнем случае, который будем рассматривать далее как предпочтительный, любой квант — можно представить как изменение (возбуждение) соответствующего поля, распространяющееся в виде волны по данному полю (и переносящее энергию). Например, электромагнитные кванты (фотоны) — это волны, бегущие по электромагнитным полям, окружающим частицы.

Согласно квантовым представлениям, взаимодействия элементарных частиц — осуществляются путём обмена квантами, между соответствующими полями, входящими в состав элементарных частиц, или окружающими частицы. Возможность же непосредственных взаимодействий элементарных частиц, или их материальных сердцевин — обсуждалась лишь на начальных этапах развития теории (слабое взаимодействие первоначально рассматривалось как контактное (Ферми)).

Будучи волнами, кванты в то же время являются и частицами (благодаря корпускулярно-волновому дуализму). Т. о. кванты (фотоны, мезоны, W- и Z-бозоны, и т. п.), как возбуждения полей, не имеющие никакой твёрдой (материальной) сердцевины — тем не менее являются частицами, причём в этих частицах — нет материи, а есть одно лишь поле (как материеподобная субстанция). Этот момент, а также наличие у любого поля — энергии, а следовательно, и массы — привели вскоре к закономерному вопросу: не являются ли электрон, протон, нейтрон и т. п. элементарные частицы — устроенными так же, т. е. состоящими чисто из полей? Возможность такого представления частиц действительно имеет место:

Пример: масса протона — т. о. оказывается суммой масс (= энергий) полей, в него входящих (т. е. образующих протон). Поэтому отняв у протона сильное (ядерное (мезонное) и глюонное) поле, получим позитрон — частицу в 1836 раз более лёгкую, чем протон. А отняв у позитрона электрический заряд (и соответствующее поле), получим нейтрино — частицу с (как считалось) нулевой массой.

В общем, в 20-м веке стало ясно, что вся масса и энергия элементарных частиц — содержится в полях. Все элементарные частицы — состоят из полей, и в то же время, сами поля действуют посредством обмена квантами, которые тоже являются элементарными частицами. Даже такие частицы как электрон, протон и т. п., представляемые как не переносящие взаимодействий — представляются в рамках квантовой механики, как кванты особых, т. н. фермионных полей, в отличие от квантов обычных, или бозонных полей (электромагнитного, сильного и т. п.). В целом, по этим причинам, кванты — это все, любые элементарные частицы.

Окончательно потеряв возможность материальной сердцевины, частицы оказались лишёнными поверхностей, геометрической формы, размера и т. п. характеристик, и т. о. лишёнными способности к непосредственным взаимодействиям. Все взаимодействия элементарных частиц, поэтому, в рамках квантовой механики — стали представляться лишь как обмен квантами между полями, входящими в состав элементарных частиц (непосредственные же взаимодействия — оказались невозможны, и были полностью устранены из теории).

Было показано экспериментально, что даже в масштабах 10–18 м нет непосредственных взаимодействий между частицами: Как уже говорилось ранее, известно, что частица или ядро, и пролетающее мимо, на скорости света, нейтрино, при достаточном сближении — могут обмениваться импульсами (энергией), т. е. взаимодействовать. Если непосредственное взаимодействие (прямое столкновение) с нейтрино — отсутствует, это предполагает необходимость наличия промежуточных частиц-переносчиков взаимодействия — W- и Z-бозонов, т. е. квантов соответствующего поля, передающих энергию от (слабого) поля одной частицы — к слабому полю другой. Уверенность в наличии таких квантов-переносчиков взаимодействия — и привела к попыткам увидеть их, в экспериментах — высокоэнергетичных столкновениях частиц в ускорителе, — которые увенчались успехом (открытие W- и Z-бозонов), что показало отсутствие непосредственных взаимодействий даже на масштабах 10–18 м. Это и далее подтвердило уверенность в том, что элементарные частицы не могут просто прямо столкнуться друг с другом, т. е. не способны к непосредственному взаимодействию (из-за своей бесплотности, отсутствия поверхностей / размеров, и т. п.).

«Виртуальные» частицы

В квантовых представлениях о полях, ключевым является ещё следующий момент: кванты любого поля — считаются могущими существовать в двух различных состояниях: т. н. «виртуальном», и реальном. «Виртуальное» состояние кванта — не имеет ничего общего с виртуальной реальностью (это просто неудачное название). «Виртуальный» квант, в отличие от реального — обладает т. н. «виртуальной» энергией, т. е. энергией, которую он «одалживает» (согласно соотношению неопределённостей) у вакуума, на время своего кратковременного существования.

Если к «виртуальному» кванту добавить энергию извне (реальную), то квант перейдёт из «виртуального», в реальное состояние, в котором его можно обнаружить приборами, т. е. наблюдать. Такой квант — обладает энергией, которую не нужно возвращать вакууму, а поэтому существование кванта в реальном состоянии — не ограничено временем (хотя почти все реальные кванты — всё равно вскоре распадаются, превращаясь в другие элементарные частицы (все мезоны, W- и Z-бозоны, и вообще, большинство элементарных частиц — нестабильны)).

Кванты полей в реальном состоянии — получают при столкновениях элементарных частиц в ускорителе: при этом, кинетическая энергия (энергия столкновения), будучи реальной — побуждает «виртуальные» частицы перейти в реальное состояние. Т. о. были обнаружены кванты всех полей (за исключением гравитонов).

Кванты в реальном состоянии — играют малую роль во взаимодействиях объектов. Зато кванты в «виртуальном» состоянии (невидимые, и необнаружимые (напрямую) приборами, постоянно рождающиеся и исчезающие в полях, и обладающие «виртуальной» энергией) — составляют основу действия полей, согласно квантовым представлениям о полях (т. н. квантовой теории поля). Обмен «виртуальными» квантами — как раз и приводит к притяжению или отталкиванию частиц.

Наличие «виртуальных» квантов — следствие того, что физический вакуум неотъемлемо обладает энергией, которая, вследствие квантовой неопределённости собственной величины, в каждой точке пространства, и приводит к ряби («виртуальным» квантам = волнам) «на поверхности» любого поля.

В вакууме — постоянно идут процессы возникновения, кратковременного существования, и исчезновения всевозможных «виртуальных» частиц — «виртуальных» квантов различных полей, а также «виртуальных» электронов (вернее, электрон-позитронных пар, т. к. любые частицы, даже «виртуальные» — рождаются парами (если не являются античастицами = частицами антивещества, по отношению к самим себе)), «виртуальных» протон-антипротонных пар, и даже «виртуальных» атомов и молекул (теоретически). Все эти образования — возникают на очень короткие промежутки времени («подобно пузырям в кипящей жидкости»).

Чем больше «виртуальной» энергии берёт у вакуума «виртуальная» частица (квант), для своего существования — тем более кратковременна её жизнь. Поэтому самые массивные кванты, W- и Z-бозоны («виртуальные») — должны существовать самое ничтожное время, что объясняет, почему слабое поле, квантами которого они являются — самое короткодействующее из всех видов полей (как уже отмечалось, оно эффективно действует лишь в масштабах 10–16 см).

Кванты сильного (ядерного) поля («виртуальные» мезоны) — на порядки менее массивны, поэтому радиус (значительного) действия этого поля — на порядки (примерно в тысячу раз) больше, хотя всё равно — практически не выходит за масштабы атомного ядра.

Другие «виртуальные» кванты — гравитоны (гипотетические), и «виртуальные» фотоны (кванты электромагнитного поля) — лишены массы покоя. Поэтому в отличие от всех других «виртуальных» частиц — они могут существовать неограниченно, по времени. Поэтому гравитационное и электромагнитное поля убывают в пространстве очень медленно, а именно — лишь из-за увеличения покрываемого пространства, а не из-за исчезновения своих «виртуальных» квантов, возвращающих энергию вакууму.

Итак, кванты полей, и различия в их массах (= энергиях) — позволяют объяснить различия в масштабах, на которых действуют разные виды полей, а также увидеть в действии полей — определённый механизм (как обмен «виртуальными» квантами).

Это — основы квантовой механики, относящиеся к объяснению полей. (Других вопросов квантовой механики — будем касаться позже).

Переходим теперь к теории относительности, в которой также можно видеть более продвинутые представления о полях, чем то было в теории поля.

Теория относительности

Основы теории относительности, как фундаментальной научно-философской дисциплины — были заложены Эйнштейном в начале 20-го века, т. е. уже более ста лет назад. Первая часть этой теории — была опубликована в 1905-м году, и известна как специальная теория относительности (СТО), а вторая часть, обобщающая — появилась в 1916-м году — т. н. общая теория относительности (ОТО).

Итак, рассмотрим ключевые идеи этой теории:

Пространство-время

Одной из революционных идей, выдвинутых Эйнштейном, и положенных в основу теории относительности — было новое представление о пространстве и времени: благодаря Эйнштейну — они предстали в качестве реальных субстанций, а не просто абстрактных понятий, как раньше. Пространство и время — как бы вдруг «материализовались», при этом, они оказались неразрывно связанными друг с другом — в единое четырёхмерное пространство-время, заполняющее всё вокруг.

Будучи субстанцией, пространство-время — оказалось способно искривляться, растягиваться, сворачиваться и т. п. Это были совершенно новые, революционные представления, показавшие, в дальнейшем — свою пригодность, и ставшие основой для более глубокого описания окружающего Мира, и процессов в нём.

В теории Эйнштейна, как она понималась в начале 20-го века, присутствие вкраплений материи (т. е. любых объектов) в «ткани» четырёхмерного пространства-времени — вызывает его искривления. Например, элементарные частицы оказываются т. о. состоящими из материальных сердцевин (отсутствие последних, в начале 20-го века ещё не было показано), которые своим присутствием — неизбежно вызывают искривления пространства-времени вокруг себя.

Искривления пространства-времени, как нетрудно догадаться — и есть суть полей. Т. о. зарождается новое представление о полях, более глубокое (чем в теории поля), способное, в определённой степени, раскрыть природу полей:

Гравитационное поле, при этом — оказывается искривлением в пределах всех четырёх измерений пространства-времени (три измерения в котором — пространственные, а четвёртое — время). Однако рамки четырёх измерений — оказались слишком тесными для объяснения других видов полей. Поэтому в дальнейшем (Калуца, 1921 год), была введена дополнительная, пятая координата (принадлежащая пространству), и т. о. математическим путём получено пятимерное пространство-время, исходя из которого, естественным образом, непротиворечиво, следовало электромагнитное поле, как искривление пятимерного пространства-времени (пятое измерение которого, согласно теории Калуцы-Клейна, 1926 год, непосредственно не наблюдается, в масштабах макромира, из-за своей компактификации (= свёрнутости) на очень малых масштабах).

В дальнейшем, после открытия новых видов полей (полей 20-го века), для их объяснения, потребовалось ввести ещё большее число измерений. В итоге, к современности, пространство-время — считается, как минимум, одиннадцатимерным (7 из этих измерений — представляются свёрнутыми, как и в теории Калуцы-Клейна, чем объясняется отсутствие их проявлений в масштабах макромира).

В общем, согласно теории относительности (Эйнштейна, и её дальнейшим модификациям, или продолжениям (которые рассмотрим далее)), пространство-время окружающего нас Мира — является многомерным, а его искривления могут захватывать разное число измерений, что объясняет образование разных видов полей.

Геометродинамика

Геометродинамика (Уилер, и др.) — это расширение (усовершенствование, или продолжение) теории относительности, устраняющее вкрапления материи из первоначальной теории. В рамках геометродинамики (и её дальнейших модификаций), утверждается, что пространство-время — искривлено само по себе, извечно, а элементарные частицы — состоят т. о. лишь из искривлений пространства-времени (или их наборов (с совпадающими центрами)), и не содержат никаких материальных сердцевин, вызывающих эти искривления. Это — как раз соответствует тому, что примерно к середине 20-го века было показано, что вся энергия (и = масса) частиц — принадлежит чисто полям (которые в теории относительности и геометродинамике понимаются как искривления пространства-времени).

Итак, окружающий Мир, согласно представлениям геометродинамики — состоит т. о. лишь из искривлённого многомерного (к современности — 11-мерного) пространства-времени, и ничего больше не требует, для своего описания.

Струнные теории

Теория относительности (и её продолжения — теория Калуцы-Клейна и геометродинамика), а также квантовая механика — получили дальнейшее развитие в т. н. теориях струн (в т. ч. теориях суперструн, и М-теории). В струнных теориях, элементарные частицы — представляются подобными вибрирующим струнам, которые могут быть замкнутыми или открытыми, и существуют в рамках одиннадцати измерений пространства-времени. Различные способы колебания струн, теоретически, должны соответствовать (объяснять) спектр свойств элементарных частиц, включая массы (разные у разных частиц), заряды полей и т. п.

Итак, различные колебания одного и того же объекта, струны — представляют разные элементарные частицы, что показывает единую природу всех элементарных частиц (в т. ч. как квантов полей, т. е. ведёт к объединению полей).

В целом, частицы, в теориях струн, перестают представляться как точечные объекты (совпадающие центры напряжённости полей в теории поля, или центры искривлений пространства-времени в геометродинамике, и т. д.). Струны же, как протяжённые объекты, подверженные волновым процессам (колебаниям) — являются более глубоким представлением о частицах, т. к. позволяет говорить об их внутренней структуре, лежащей в основе наблюдаемых свойств.

Одиннадцатимерное пространство-время и существующие в нём, вибрирующие струны, конечно — «верх» отсутствия наглядности. Но ничего страшного в том нет, т. к. вся неклассическая картина Мира — лишена наглядности (а следовательно, и простоты). Зато рамки одиннадцати измерений — вмещают и непротиворечиво объясняют (или по крайней мере, описывают) все виды полей, а струнное представление об элементарных частицах — позволяет по-новому взглянуть на устройство элементарных частиц (как уже говорилось, струна предполагает определённую внутреннюю структуру элементарных частиц, и даёт возможность вывести (хоть как-то) спектр их свойств (которые, например, в квантовой механике (многие), не имеют объяснений, а только констатируются)). Т. о. вибрирующие струны, как суть элементарных частиц — имеют больший потенциал в объяснении окружающего Мира, в т. ч. элементарных частиц и (всех) полей.

В то же время, эффекты струнной структуры элементарных частиц — могут напрямую проявляться лишь на чрезвычайно малых расстояниях (порядка длины этих струн, которая близка к планковской длине (10–33 см)), а также при очень высоких энергиях (недостижимых в имеющихся (современных) ускорителях). Поэтому точечное (для удобства) представление частиц — всё ещё является очень хорошим приближением, а струнные теории — оказывается крайне сложно проверить экспериментально, что представляется одним из основных недостатков последних.

В целом, представления о частицах и полях, в рамках струнных теорий, хотя и могут считаться наиболее продвинутыми, на неклассическом этапе — они ещё далеко недостаточно вскрывают суть вещей, и весьма далеки от реальности (что можно увидеть уже только на новом, постнеклассическом этапе, о чём — позже).

Искривления пространства и времени

Пространство, в теории относительности (и её продолжениях), как уже говорилось, имеет способность искривляться, что изображают, для удобства, на примере двухмерного пространства (искривлениями которого являются, например, холм, яма и т. п., в отличие от неискривлённого пространства — плоской поверхности). Аналогичным — считают и случай трёхмерного пространства (плюс одномерного времени, составляющего, вместе, четырёхмерное пространство-время), но только его искривление уже невозможно представить наглядно. Искривление четырёхмерного пространства-времени, а также пространства-времени больших размерностей (пяти- и даже одиннадцатимерного), можно, однако описать при помощи математических формул.

Поля, при этом, как видно — это искривления не только пространства (в рамках того или иного числа измерений), но также и искривление времени. Однако как можно представить искривление времени? Искривление времени — звучит весьма загадочно и странно, но на самом деле — это просто замедление или ускорение течения времени (тем не менее, немыслимое в рамках классических представлений).

Т. о. время, на неклассическом этапе, — перестало быть константой, и предстало относительным. Для двухмерного пространства, изменение течения времени — можно представить, например, так: чтобы попасть из точки, расположенной у одного подножия холма (= искривления двухмерного пространства), в точку, расположенную с противоположной стороны — приходится затратить больше времени, чем если бы на пути — не стоял холм. Путь в искривлённом пространстве т. о. — занимает больше времени, т. е. время растягивается (= искривляется). В этом примере уже видно, что искривление пространства (в виде увеличения расстояния между точками, из-за наличия холма) — неизбежно влечёт за собой искривление (растяжение) и времени (т. о. пространство и время — неотделимы друг от друга, составляя единое целое, пространство-время). Аналогичным представляется и четырёхмерное пространство-время, хотя оно, как уже говорилось, лишено наглядного представления.

Итак, поле, по крайней мере, гравитационное, являясь искривлением пространства, согласно теории относительности — должно содержать в своём составе, с неизбежностью — и искривление времени. Действительно, экспериментально проверено (доказано), что течение времени на поверхности Земли — является несколько (немного) более медленным, чем например, в космическом пространстве на орбите вокруг Земли. Причиной искривления (= замедления) времени на Земле — является гравитационное поле, как искривление пространства (но не двухмерного, а трёхмерного).

Время замедляется (растягивается) и в других полях, хотя механизм этого — косвенный, т. к. дополнительные измерения пространства (подвергающиеся в них искривлениям) — ненаблюдаемы, а значит, не должны влиять на наблюдаемое время. Но любое поле, обладая энергией, а значит, массой, согласно теории относительности, создаёт своё гравитационное поле (= искривление четырёхмерного пространства-времени, которое включает соответствующую величину замедления времени). Иными словами, любое поле, в связи с этим — может рассматриваться как искривление не только в ненаблюдаемых (дополнительных) измерениях пространства, но одновременно и в наблюдаемых четырёх измерениях пространства и времени (проявляясь как гравитационное поле).

Крайним случаем искривлённого пространства и времени — является чёрная дыра, — объект, в котором искривление приводит к формированию т. н. горизонта событий, пространство-время под которым — как бы выпадает из нашего Мироздания (события, происходящие за горизонтом — уже не могут влиять на окружающий Мир, т. к. ничто, даже свет, не может покинуть эту область). (Подробнее, эти объекты (чёрные дыры) — будут рассматриваться позже).

Скорость света

Одной из краеугольных идей, в теории относительности, является также представление о существовании предельной скорости движения — скорости света. Это, естественно, резко противоречит классическим представлениям (в которых скорость ничем не ограничивалась, т. е. могла стремиться к бесконечности, т. к. объекты двигались в пустоте (или же скорость могла ограничиваться эфиром, подобно скорости звука в воздухе, однако не исключала сверхсветовые скорости)). Пустоты, как и эфира, на неклассическом этапе — нет, однако представить, почему скорость всё-таки ограничивается, наглядно — невозможно, и это просто констатируется (в т. ч. наблюдается), как одно из свойств окружающего Мира.

Никакой объект в Мироздании — не может двигаться быстрее скорости света (равной примерно 300 000 км/с). Согласно теории Эйнштейна, всякий объект, обладающий т. н. массой покоя — не может быть даже разогнан до скорости света, т. к. масса — относительна, и при ускорении — растёт, причём при приближении к скорости света, масса растёт неограниченно, и может стремиться к бесконечности. Поэтому никакой объект не может даже достигнуть скорости света, не то что её преодолеть (за исключением частиц с нулевой массой покоя — фотонов, и т. п., которые всегда движутся со скоростью света, но всё же не выше её).

Принцип относительности

В теории относительности, скорость света, измеряемая в любой системе отсчёта (хоть покоящейся, хоть движущейся, в т. ч. ускоренно) — всегда постоянна. С т. зр. классических представлений — это понять невозможно, т. к. противоречит простому правилу сложения скоростей: классически, скорость света, как и любого другого движения — должна отниматься или прибавляться к скорости движения наблюдателя. Двигаясь навстречу лучу света, можно было бы ожидать, что скорость света окажется больше 300 000 км/с (т. е. скорость движения наблюдателя прибавится к ней), но в теории относительности (и согласно экспериментальным данным) — это не так: скорость света всегда постоянна (как константа).

Постоянная скорость света, независящая от движения или покоя наблюдателя (т. е. системы отсчёта) — неизбежно ведёт к эйнштейновскому принципу относительности, согласно которому (и что подтверждается наблюдениями), все законы природы, в т. ч. значение скорости света как константы — оказываются одинаковы для всех наблюдателей, что означает равноправие всех систем отсчёта. Иными словами, нельзя выделить одну-единственную правильную (= абсолютную) систему отсчёта, а значит, все они относительны.

При этом, в разных системах отсчёта, измерения длины, течения времени, и массы одного и того же объекта — оказываются различными: так, если наблюдаемый объект движется относительно системы отсчёта, его измеряемая масса — возрастает, течение времени в нём — замедляется, а длина — сокращается. В системе отсчёта, в которой этот же объект покоится, и системе, которая движется с иной скоростью относительно объекта, масса, течение времени, и длина этого объекта — имеют иные численные значения, что немыслимо с т. зр. классической логики. Однако т. к. все системы отсчёта, согласно принципу относительности — равноправны (= относительны), значит, все измерения — в равной степени верны, и т. о. масса — относительна, и скорость течения времени, и длина.

Всё это, как и сама относительность (= равноправие) систем отсчёта — вытекает из требования (и наблюдения) постоянства скорости света: Действительно, легко показать, например, что если бы не происходило замедления времени — внутренние движения, оставаясь неизменными, в ускоряющемся объекте (например, ракете), складываясь с возрастающим внешним движением — превысили бы скорость света. Поэтому при возрастании скорости объекта, тем больше, чем ближе его скорость к скорости света, для внутренних движений «не остаётся места», и они — вынуждены всё более замедляться, т. е. замедляться течение времени. Аналогично — и для других свойств.

Все эти изменения — происходят и при движении наблюдателя, с самим наблюдателем, но видны лишь извне (наблюдатель — не может почувствовать замедления собственного времени, роста массы, и сокращения длины, т. к. все частицы обретают их в равной степени (благодаря этому, законы природы, включая константу скорости света, для наблюдателя — не меняются: например, хотя луч света, движущийся вдоль пути ракеты — относительно ракеты имеет меньшую скорость, наблюдатель в ракете, благодаря замедленному течению собственного времени, измерит всё те же 300 000 км/с, как и любой другой наблюдатель)).

Из принципа относительности, также вытекает эквивалентность массы и энергии (масса — есть мера инертности объекта, т. е. его сопротивляемости изменению скорости; эта сопротивляемость должна возрастать, при ускорении объекта, чтобы обеспечить недостижимость скорости света для объекта, имеющего массу покоя; рост (инертной) массы при росте кинетической (и полной) энергии объекта, указывает на эквивалентность массы и энергии (E = mc2)).

Принцип эквивалентности

Помимо эквивалентности (инертной) массы и энергии, в теории относительности существует ещё один ключевой принцип эквивалентности, предполагающий неразличимость (тождественность) явлений, обусловленных инерцией тел и действием гравитации. Примером явления, обязанного инерции, служит, например, падение предметов вниз, в ускоряющейся ракете, а также вес предметов в ней (= давление, оказываемое ими на дно ракеты). Этот вес и ускоренное падение предметов в ракете — аналогичны таковым в гравитационном поле. Также и в центрифуге, инерция — прижимает тела к стенке (создаёт вес), и тоже действует аналогично гравитационному полю. Согласно принципу эквивалентности, наблюдатель не может различить, вызвано ли ускоренное падение и вес тел — инерцией в центрифуге / ускоряющейся ракете или наличием гравитационного поля, т. е. утверждается тождественность (эквивалентность) этих явлений.

Известно, что наблюдатель также не способен отличить (почувствовать или измерить), находится ли он в свободном падении в гравитационном поле или находится вне гравитационного поля, в состоянии движения по инерции (= движения без изменения скорости). Согласно теории относительности, это объясняется тем, что свободное падение — тоже является движением по инерции, в искривлённом пространстве-времени. Лишь для наблюдателя, не связанного с падающим телом — это движение является ускоренным (ускорение свободного падения). Учитывая, что наблюдатель в свободном падении не чувствует ускорения, а значит, действия сил, никакие силы на падающий предмет не действуют. Иными словами, один из ключевых выводов теории относительности: гравитация — не производит силового воздействия на предметы, т. е. не является силой (ни дальнодействующей, ни близкодействующей). Гравитация — это всего лишь то, как происходит движение в четырёхмерном искривлённом пространстве-времени.

Действие инерции, как известно — также не является силой: например, вес предметов в центрифуге — это не сила, придавливающая их к стенке, а всего лишь следствие сопротивляемости предметов изменению направления движения (или изменению скорости движения, в зависимости от системы отсчёта). Чтобы поднять предмет, прижатый к стенке центрифуги, необходимо затратить усилие (энергию), как и в гравитационном поле, но эти затраты — на самом деле идут на изменение скорости предмета, а не на преодоление действующей на него силы (поднятие предмета — это перемещение его ближе к оси вращения центрифуги, где скорость всех предметов — ниже). Если поднятый предмет отпустить, он будет ускоренно падать, но не под действием силы, а лишь продолжая двигаться по инерции (равномерно и прямолинейно в своей системе отсчёта, а также с т. зр. внешнего наблюдателя), но наблюдатель в центрифуге — увидит это ускоренным падением.

Итак, и инерция, и гравитация — не являются силами. Эта одинаковая суть гравитации и инерции, находится в соответствии принципу эквивалентности, утверждающему, что эти явления — неразличимы (эквивалентны), и представляют разные стороны единого целого. Из принципа эквивалентности, естественным образом, вытекает равенство инертной и гравитационной масс (наблюдательный факт, использовавшийся ещё в механике Ньютона, но не имевший объяснения), а также требуется, чтобы любой процесс, имеющий место благодаря инерции, имелся и в гравитационном поле (что означало бы их полную неразличимость (тождественность)), и что позволяет проверить принцип эквивалентности экспериментально:

Например, луч света, в ускоряющейся ракете, посланный вдоль дна ракеты — искривляется вниз (т. к. дно ракеты — приближается к нему). Если принцип эквивалентности верен, то искривление направления движения света должно наблюдаться и в гравитационном поле (данное следствие теории относительности — было проверено экспериментально, начиная с наблюдения отклонения света звёзд гравитацией Солнца, во время солнечного затмения в 1919 году (Эддингтон и др.)).

Это и многие другие последующие наблюдения, в отношении различных других эффектов — показали одинаковость эффектов в ускоренной системе отсчёта, где они обусловлены инерцией (= инертной массой тел) и в гравитационном поле (где они обусловлены гравитационной массой тел, т. е. производимым телами, искривлением пространства-времени), что говорит о справедливости принципа эквивалентности, и приводит к чисто геометрическому представлению о поле (как об искривлении пространства-времени, не имеющем силового воздействия на предметы). Геометрия, тут, естественно — лишена наглядности.

Итак, в целом, мы рассмотрели основные положения теории относительности (и развивающих её, теории Калуцы-Клейна, геометродинамики и теории струн). Далее — переходим к рассмотрению следующей (последней) неклассической научно-философской дисциплины:

Теория элементарных частиц

Все неклассические дисциплины — взаимосвязаны и в некоторой мере, взаимопроникающи. Но в наибольшей степени — это может относиться к теории элементарных частиц, т. к. для описания сути и общих свойств элементарных частиц, теория элементарных частиц использует достижения как теории поля, так и квантовой механики, и теории относительности.

В теории элементарных частиц также изучаются все разнообразные частные свойства элементарных частиц, известные из наблюдений, т. е. рассматриваются различные виды элементарных частиц (которых известны уже сотни), и ведётся поиск причин их разнообразия, закономерностей взаимопревращений частиц, и т. п.

Теория элементарных частиц, как область знаний, зародилась, можно сказать, в 1897 году, когда была открыта первая элементарная частица, электрон («элементарная частица электричества»), о чём уже говорилось ранее. В дальнейшем, лавинообразно нарастало открытие новых элементарных частиц, достигнув современных сотен. Основной источник знаний о частных свойствах (и вытекающих из них, видах) элементарных частиц, существующих в природе — это изучение реакций столкновения заряженных частиц в ускорителе, где из кинетической энергии сталкивающихся частиц — рождаются (или переходят из «виртуального» состояния в реальное) различные виды элементарных частиц, а также проявляются их специфические свойства. Теория элементарных частиц обобщает эти данные, и пытается вскрыть причины наблюдаемых свойств и видов частиц.

Представления об элементарных частицах в целом, в теории элементарных частиц, благодаря привлечению теории поля, квантовой механики, и теории относительности (включая геометродинамику и теории струн) — оказываются лишены наглядности и простоты, как и полагается быть в любой неклассической дисциплине.

Итак, рассмотрим основные имеющиеся достижения теории элементарных частиц:

Виды элементарных частиц

Элементарные частицы — это мельчайшие, известные в современности, частицы (и волны, т. к. частицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом). Их не называют частицами материи, т. к. состоят они (как уже говорилось) — чисто из полей, или из совпадающих искривлений пространства-времени, и не имеют т. о. ни плотности, ни поверхностей, ни геометрической формы. Поэтому их называют просто элементарными частицами, а не элементарными частицами материи.

В самых последних представлениях об элементарных частицах, т. е. струнных теориях, как уже отмечалось, элементарные частицы — это открытые или замкнутые (в т. н. петли), вибрирующие квантовые струны в одиннадцатимерном пространстве-времени, из спектра возможных способов вибраций которых — выводятся различные свойства (в т. ч. виды) элементарных частиц.

В природе — широко распространены всего несколько видов элементарных частиц (т. е. стабильных, и не «виртуальных»). Часть из них, как например, электрон, протон и нейтрон — ложатся в основу атомов (а значит, молекул, и макрообъектов), а другие — всегда находятся в свободном состоянии — фотоны и нейтрино.

В современности, известно также несколько сотен видов нестабильных элементарных частиц (все они распадаются за малые доли секунды, и образуются лишь в т. н. экстремальных условиях, например, в ускорителях, где их можно т. о. получать и изучать).

Простые и сложные элементарные частицы

Протон — является сложной (или составной) элементарной частицей, т. к. представляется (и это показано экспериментально), что он состоит из трёх кварков — простых элементарных частиц. Так же устроен и нейтрон. Подавляющее большинство всех известных элементарных частиц — тоже являются сложными, т. е. состоят из различных комбинаций кварков.

Кварки, формирующие структуру сложных элементарных частиц — считаются простыми, или истинно элементарными частицами, но они никогда, ни доли секунды — не существуют в свободном состоянии, а могут находиться лишь в составе тех или иных, сложных элементарных частиц (протонов, мезонов, гиперонов, резонансов и т. д.).

Свойства различных видов элементарных частиц, мы будем далее рассматривать уже в рамках постнеклассических представлений, где оказывается возможным сразу же объяснять их.

Но об этом — чуть позже, пока же продолжаем речь о (неклассической) теории элементарных частиц:

Элементарность элементарных частиц

До сих пор, ни одну элементарную частицу (ни простую, ни сложную), никакими силами и методами — не удалось раздробить на более мелкие, более фундаментальные частицы.

Реакции распада нестабильных частиц — это вовсе не раздробление, а всего лишь примеры взаимопревращений элементарных частиц.

Сложные элементарные частицы (протоны, мезоны и т. п., состоящие из кварков) нельзя раздробить уже потому, что напряжённость глюонного поля, скрепляющего кварки — растёт с увеличением расстояний между кварками (это — единственное достаточно непротиворечивое объяснение, на неклассическом этапе, нераздробимости сложных элементарных частиц). Поэтому последние, хоть и состоят из кварков, всё равно являются элементарными (неделимыми) частицами, хотя их также интерпретируют как составные частицы, а истинно элементарными частицами — как уже говорилось, считают кварки, хотя последние и не существуют в свободном состоянии.

Нераздробимость — свойственна, естественно, и всем простым элементарным частицам: электронам, нейтрино, мюонам, кваркам и т. п.

В общем, все элементарные частицы, пока — оказываются неделимы, и выглядят по-настоящему элементарными, подобно неделимым древнегреческим атомам (при этом, радикально отличаясь от последних разнообразными странными общими свойствами — отсутствием формы, размеров, бесплотностью, наличием внутренней структуры из кварков, и т. п.).

Удастся ли учёным когда-нибудь раздробить элементарные частицы на ещё более мелкие частицы? Ответ на этот вопрос — уже существует, но уже в рамках постнеклассических представлений. На неклассическом же этапе, мнения — разделяются. Но факт остаётся: до настоящего момента, не удалось раздробить элементарные частицы на более мелкие составляющие.

Реакции элементарных частиц

Реакции с участием элементарных частиц — это реакции взаимопревращений частиц, когда элементарные частицы одного вида переходят в частицы другого вида, а также реакции с испусканием (рождением) или поглощением элементарных частиц.

При рождении элементарных частиц, например, из энергии столкновения в ускорителе — существует закономерность: элементарные частицы рождаются всегда парами — частица и античастица (исключение составляют некоторые нейтральные мезоны, фотон, и т. п. частицы, являющиеся античастицами по отношению к самим себе). Например, электрон — рождается всегда в паре с позитроном, а протон — в паре с антипротоном. Т. о. должно сохраняться равное соотношение частиц вещества и антивещества, что описывается (но в целом, не объясняется) сохранением различных квантовых чисел (электрического заряда (заряд частицы и античастицы — в сумме равен нулю), барионного и лептонного чисел, «странности» и т. п.). В общем, в этих реакциях — сохраняются различные симметрии квантовых чисел (хотя известны и нарушения симметрий, например, несохранение некоторых квантовых чисел в реакциях, обусловленных слабым взаимодействием).

Несмотря на неизменное рождение пар частица-античастица, из наблюдений известно, что окружающий Мир — построен из вещества, а не из антивещества или равного соотношения вещества и антивещества. На неклассическом этапе, на вопрос о причине этого — нет удовлетворительного (окончательного) ответа (хотя нарушение симметрии между веществом и антивеществом, включающее нарушение симметрии (= несохранение) соответствующих квантовых чисел (барионного и лептонного), представляется как произошедшее на определённом этапе Большого Взрыва, но природа этого нарушения — пока остаётся в рамках гипотез).

Поколения элементарных частиц

Удивительной и непредвиденной наблюдательной находкой для учёных, стало существование т. н. поколений элементарных частиц: оказалось, что практически каждой (простой) элементарной частице — соответствует её более тяжёлый аналог: например, электрону — соответствует частица мюон, по всем свойствам аналогичная электрону, но в 206,8 раз тяжелее электрона, а также частица тау-лептон (таон), который тяжелее электрона в 3 477 раз. Иными словами, мюон — это тяжёлый электрон, а таон — ещё более тяжёлый электрон. Точно так же, в дополнение к лёгким d- и u-кваркам, существуют тяжёлые кварки (s- и c-кварки, и ещё более тяжёлые, b- и t-кварки), входящие в состав различных сложных элементарных частиц. (Соединения тяжёлых кварков с обычными кварками — многократно расширяют разнообразие видов сложных элементарных частиц).

Существуют и тяжёлые нейтрино (т. е. помимо обычного, т. н. электронного нейтрино, имеются мюонное и таонное нейтрино).

В общем, все простые элементарные частицы (не считая фотона, и т. п.) — имеют свои аналоги в виде частиц второго и третьего поколений. Частицы этих поколений — в целом, аналогичны соответствующим частицам первого поколения, но более массивны, и кроме того, нестабильны (за исключением нейтрино, если не учитывать явления т. н. нейтринных осцилляций (= превращений нейтрино одного сорта в другое)). Время жизни частиц второго поколения, например мюона — составляет порядка 10–6 сек, а третьего поколения — ещё меньше, например таона — порядка 10–13 сек, поэтому все эти частицы, в обычных условиях — практически не встречаются.

Учёные пытаются разгадать, и на неклассическом этапе это неразрешимо: зачем существуют поколения элементарных частиц, если все эти частицы аналогичны частицам первого поколения (т. е. «зачем природе дублировать саму себя»)? Макрообъекты окружающего Мира — могут быть построены только из частиц первого поколения, частицы второго и третьего поколений — выглядят т. о. излишними. Но почему эти частицы вообще возможны? В неклассической фундаментальной физике — ответа нет, и нет даже формул, которые бы описывали различия масс между поколениями элементарных частиц, например, неизвестно, почему масса мюона выше массы электрона именно в 206,8 раз, а таона — в 3 477 раз.

Тем не менее, наличие как минимум, и вероятно, не более трёх поколений элементарных частиц — остаётся научным фактом.

Есть и ещё много загадочного в элементарных частицах. Ответы на эти и другие нерешённые вопросы — появляются уже только на следующем, новом, постнеклассическом этапе развития представлений об окружающем Мире, о чём — далее:

ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

В современности, формируются качественно новые представления об окружающем Мире, содержащие ответы на те вопросы, что не имели решения на предшествующем, неклассическом этапе. Возникает более глубокое понимание Мира, содержащее вместо описания явлений — объяснение механизмов явлений (в т. ч. строения элементарных частиц, происхождения квантовых чисел, и т. д.).

Постнеклассическая картина Мира, в сравнении с неклассическими представлениями — как увидим, оказывается наглядной и относительно простой.

Итак, приступим к рассмотрению основ постнеклассических представлений:

Природа вакуума

Сперва вспомним историю: на классическом этапе, то, что теперь называют физическим вакуумом, вначале считалось непрерывной субстанцией (веществом, подобным воздуху — непрерывным эфиром), затем — пустотой, заполняющей промежутки между атомами (и также заполненной атомарным эфиром), а потом — отсутствием пустоты из-за бесконечной делимости частиц материи.

В неклассические времена, представление об отсутствии пустоты, получило дальнейшее развитие (в т. ч. благодаря экспериментальным данным), и вакуум стал представляться совокупностью полей (и их «виртуальных» частиц), или пространством-временем, способным искривляться, и оказался обладающим энергией.

В конечном итоге, элементарные частицы (и весь окружающий Мир) — предстали т. о. искривлениями многомерного пространства-времени (= вакуума), или возбуждёнными состояниями вакуумных полей, = возбуждёнными состояниями вакуума.

В целом, неклассические представления, несмотря на то что весьма странны и ненаглядны — вполне эффективны для описания окружающего Мира (хотя и не отвечают на многие вопросы). В неклассических представлениях — уже прослеживается неразрывная взаимосвязь вакуума и элементарных частиц (как разных сторон единой сущности).

Итак, рассмотрим, какие новые представления о вакууме возникают далее, на постнеклассическом этапе:

Вакуум — перестаёт быть только совокупностью различных полей (и хаосом рождающихся и исчезающих «виртуальных» частиц, наподобие «кипящей жидкости»): вместо этого, вернее, в дополнение к этому, он должен быть представлен как упорядоченная (= кристаллическая) среда. Согласно постнеклассическим представлениям, вакуум т. о. — квантуется, причём кванты его — уподобляются частицам (частицы среды вакуума). Располагаются эти частицы — упорядоченно по отношению друг к другу, что приводит к образованию упорядоченной структуры вакуума (которую, в связи с этим, можно назвать кристаллической).

Сразу возникает вопрос: почему вакуум, являясь кристаллической средой, не создаёт препятствия для движений объектов в окружающем Мире? Классически — представить это невозможно (поэтому, на классическом этапе — вакуум могли воображать только как эфир, т. е. как газообразную (либо жидкую) среду). Также неприемлем кристаллический вакуум и для неклассических представлений (т. к. с т. зр. неклассических подходов, вакуум считается непрерывной субстанцией (т. е. противоположностью среде), а квантование вакуума (в виде квантования пространства-времени) — приводило к сложностям, хотя в любой неклассической теории, в конечном итоге — встаёт проблема квантования вакуума (в связи с пока нерешённой задачей о квантовом рассмотрении гравитационного поля, и понятием о планковском расстоянии и времени, доходя до которых, т. е. до крайне малых масштабов пространства и времени, неклассические теории (в т. ч. теория поля, квантовая механика, и теория относительности) — перестают действовать, достигая т. о. границы своей применимости)).

Понимание возможности кристаллического вакуума, в т. ч. того, как он не препятствует движению элементарных частиц (и любых объектов окружающего Мира) — вытекает из новых представлений об устройстве элементарных частиц:

Сущность элементарных частиц

Элементарные частицы обладают волновой природой, что было, в целом, ясно и на неклассическом этапе (в квантовой механике, и струнных теориях). На постнеклассическом этапе, суть волновых свойств частиц — может быть уточнена к следующему: элементарные частицы — это нелинейные волны, распространяющиеся в среде вакуума.

Вакуум, как кристаллическая среда, как и любая среда — не может препятствовать движению волн (элементарных частиц), а наоборот, является основой, необходимой для их существования и движения (распространения). Т. о. вакуум и элементарные частицы — действительно оказываются неразрывно взаимосвязаны. Элементарные частицы, однако — это не просто волны, а именно нелинейные.

Нелинейные волны как явление — известны ещё с 19-го века (но начали активно изучаться — не ранее, чем во второй половине 20-го века). Первой из наблюдавшихся волн такого рода — был бугорок на воде (солитон Рассела), движущийся по водной поверхности без изменения формы, т. е. не расплывающийся, и не теряющий энергии, в отличие от обычных, всем хорошо известных (= линейных) волн на воде. В современности, изучены многие разновидности нелинейных волн, в самых различных средах. Такие волны — называются солитонами, и их изучением занимается соответствующая научно-философская дисциплина — теория солитонов.

Нелинейные волны — сильно отличаются от привычных, часто встречающихся в повседневной жизни, простых, или линейных волн (звуковых волн, света, океанских волн и т. п.). Так, известно, что в отличие от линейных волн, нелинейные волны, как упоминалось ранее — не теряют энергии при своём распространении, т. е. могут существовать неограниченно долго, причём способны иметь шарообразную форму своей центральной части (эпицентра), а также могут взаимодействовать друг с другом. Стабильность, и другие вышеназванные (т. е. частицеподобные, или корпускулярные) свойства таких волн — обусловлены их нелинейной природой.

Вполне естественно предположить, что в основе нелинейных волн (= солитонов) в кристаллическом вакууме — лежат дислокации (= одна из разновидностей солитонов), по аналогии с дислокациями в обычных, земных кристаллах. Дислокации в обычных кристаллах — хорошо изучены, и возникают, например, если выбить атом из структуры кристаллической решётки. На месте выбитого атома — образуется дырка, однако соседние атомы — стремятся заполнить её, немного стягиваясь к месту отсутствия атома, т. о. смещаясь со своих обычных местоположений. В итоге — образуется дислокация-разрежение, т. е. наглядно видимое разрежение и искажение пространства, образованного атомами (а из-за неразрывной связи пространства и времени — это, более точно, искривление пространства-времени). В другом месте, куда попал выбитый атом — образуется дислокация, состоящая, наоборот, из увеличения плотности пространства, образованного атомами (и такого же искажения его геометрии) — это дислокация-уплотнение. У дислокации-разрежения и дислокации-уплотнения — есть некое подобие с частицами вещества и антивещества, но для элементарных частиц, как увидим, причины их принадлежности к веществу или антивеществу — оказываются заключены в другом.

Дислокация в обычном кристалле — способна свободно двигаться сквозь кристалл, не встречая сопротивления. Нужно лишь подтолкнуть её (например, звуковой волной или другой дислокацией). Известно, что движение дислокации в обычном кристалле — подчиняется формулам теории относительности (т. н. преобразованиям Лоренца), если скорость света в них — заменить скоростью звука, т. к. последняя является предельной скоростью в обычных средах, вместо скорости света. Благодаря этому, для дислокаций — характерны эффекты, следующие из теории относительности (= т. н. релятивистские эффекты), в т. ч. рост массы (но т. н. эффективной массы), сокращение длины в направлении движения (но с приближением скорости дислокации к скорости звука, а не света), и т. п.

Дислокации, аналогичные таковым в обычных кристаллах, но существующие в кристаллической среде вакуума, как основа элементарных частиц — уже многое значит для объяснения сути и общих свойств элементарных частиц, т. к. позволяет легко подойти к объяснению причины, почему существует электрон, и не существует пол-электрона, т. е. подойти к объяснению наблюдаемой неделимости элементарных частиц, а также обнаружить причину размазанности частицы по неограниченному пространству, её корпускулярно-волнового дуализма, сущности искривлений пространства-времени (= полей), и т. п.

Для объяснения же разнообразных частных свойств элементарных частиц (в т. ч. спина, зарядов полей, и всевозможных квантовых чисел, определяющих виды частиц), этого, однако — оказывается мало, и требуется более подробное рассмотрение структуры вакуума, из которой эти свойства оказываются вытекающими:

Структура вакуума

Если взять обычные, Земные кристаллы — то мы увидим, что они отличаются большим разнообразием форм, что обусловлено разнообразием их возможной внутренней структуры, т. е. форм кристаллической решётки (= типов её симметрии). Элементы кристаллической решётки (атомы, и т. п.) т. о. располагаются, в разных кристаллах — по-разному, и возможно большое число вариантов их расположения, а значит, множество типов кристаллических решёток.

Подобное — применимо и к кристаллической среде вакуума. Но как узнать, какую конкретную структуру имеет кристаллическая решётка из частиц среды вакуума?

Наиболее вероятно, что это будет самая простая из возможных структур (решёток), т. к. таковая, сама по себе — является наиболее вероятной, из-за своей простоты. Положим, что эпицентры частиц среды вакуума — равновелики и обладают простейшей (= сферической) формой, причём расположены самым простым образом, по отношению друг к другу, т. е. максимально плотно упакованы, т. о. и получим строение самого простого варианта кристаллической решётки. Если провести через такую решётку плоскость, то каждая вакуумная частица — будет окружена шестью другими вакуумными частицами, как показано на рис. 1.



Рис. 1


В объёме же, каждую вакуумную частицу — будет окружать т. о. по 12 вакуумных частиц, см. рис. 2. Это — простейший вариант кристаллической решётки вообще.



Рис. 2


Именно такое, простейшее внутреннее строение кристаллического вакуума, и оказывается действительно имеющим место, или по крайней мере, оно может объяснить множество частных свойств элементарных частиц (о чём — чуть позже).

Исследуем, подробнее, геометрические свойства этой внутренней структуры вакуума = простейшей кристаллической решётки: Т. к. каждая частица среды вакуума, в этой структуре — окружена 12-ю другими частицами этой среды, в такой, элементарной ячейке кристаллической решётки вакуума — можно провести ровно четыре одинаковых плоскости, в которых, вакуумную частицу будет окружать по 6 соседних вакуумных частиц, см. рис. 3. Это — четыре плоскости симметрии кристаллического вакуума (их роль станет ясной — немного позже).



Рис. 3


Итак, возьмём нашу элементарную ячейку структуры вакуума, т. е. вакуумную частицу, окружённую 12-ю другими, и выбьем из центра вакуумную частицу. Получим т. о. дислокацию в среде вакуума (вернее, её центральную часть), которая ложится далее в основу элементарных частиц. Дислокация эта — представляет собой смещение всех вакуумных частиц в сторону образовавшейся дырки, распространяющееся на безграничное расстояние вокруг, в кристаллической среде вакуума. (Не является совпадением, что поля — тоже безграничны по протяжённости). Чем ближе к центру дислокации — тем больше смещение вакуумных частиц, = искривление пространства, образованного ими, и тем выше напряжённость образуемого поля. Однако в рассмотренном случае, поле — всего одно. У частиц же в нашем Мироздании — известно, по крайней мере, шесть видов полей (заметим, что в других мирозданиях — могут быть совсем иные виды полей, и в другом числе). Итак, рассмотрим происхождение различных видов полей, имеющихся в нашем Мире (а также углубим представления о полях вообще):

На пути к этому, нам придётся разобрать ещё некоторые нюансы (свойства) кристаллической структуры вакуума, в конечном итоге, оказывающиеся важными, и определяющими свойства элементарных частиц и полей:

Порядок и хаос в вакууме

Несмотря на кристаллическое (= упорядоченное) устройство среды вакуума, покой частиц вакуума, относительно друг друга — не является абсолютным. Частицы среды вакуума, как и частицы (атомы, и т. п.) в Земных кристаллах — постоянно колеблются (около положений равновесия). В обычных кристаллах — это есть следствие температуры кристалла, которую создают движения, передающиеся эстафетно от одного атома (или молекулы, и т. п.) к другому атому. Такие движения — являются элементарными звуковыми волнами. Они хаотично и равномерно заполняют обычный кристалл, и движутся (распространяются) во всех направлениях, в количестве, пропорциональном температуре кристалла. Эти движения = элементарные частицы звука — были названы фононами, по аналогии с фотонами, однако на неклассическом этапе — считаются квазичастицами, т. е. не истинными частицами. (Человек не может услышать подобные движения (волны) как звук, т. к. они хаотичны и элементарны, но их можно ощутить, прикоснувшись к кристаллу — в виде температуры, или определить приборами, как т. н. тепловой шум (исключение составляют лишь т. н. нулевые колебания, — представляющие «виртуальные» фононы)).

Итак, кристалл — это не мёртвая, безжизненная пустыня порядка, а бурление хаоса движений, накладывающихся на строгий порядок кристаллической структуры, но не разрушающих её (до определённых пределов, естественно), но привносящих в неё «жизнь».

Аналогичное — применимо и к кристаллической среде вакуума: вакуум — как известно, содержит т. н. реликтовый фон (из реальных фотонов), и нулевые колебания. Последние можно представить, упрощённо — как следствие того, что вакуум заполнен элементарными движениями, передающимися от одной вакуумной частицы к другой, и присутствующими в определённой равномерной концентрации во всём вакууме (такое состояние обладает максимальной энтропией, т. е. хаотично). Эти, элементарные движения — определяют величину той энергии вакуума, которая в квантовой механике называется энергией нулевых колебаний вакуума, или «виртуальной» энергией. Эту энергию вакуум может одалживать на образование различных «виртуальных» частиц (в т. ч. квантов полей).

Итак, энергия вакуума — может быть простейшим образом квантована, и представлена в виде элементарных движений, которые есть, прежде всего, «виртуальные» фотоны (т. к. они не ограничены в своём существовании определённым временем, в отличие от других «виртуальных» частиц, о чём уже говорилось).

Рассмотрим роль этих, «виртуальных» фотонов, в происхождении электромагнитного поля:

Происхождение электрического и магнитного полей

Дислокация, представляющая собой искажение геометрии и разрежение / уплотнение пространства, образованного частицами среды вакуума — есть искривление пространства-времени вакуума. Все движения, происходящие вблизи от центра такой дислокации, естественно — искривляются. (Также искривляются, но в меньшей степени, и все движения вдали от центра, вплоть до неограниченных расстояний (т. к. дислокация простирается на безграничные расстояния)).

Теперь учтём, что кристаллический вакуум хаотично и равномерно заполнен элементарными движениями, т. е. как уже упоминалось, прежде всего, «виртуальными» фотонами. Под влиянием дислокаций в вакууме, эти движения (волны) — будут искривляться, естественно, тем сильнее — чем ближе к центру дислокации.

Вероятно, один из видов дислокаций (к примеру, дислокация-разрежение) — должен как бы притягивать движения (= искривлять их в свою сторону), а другой — наоборот, отталкивать (направление искривления, по отношению к тому или иному виду дислокации, зависит уже от частных свойств среды вакуума). Предположим, что движения искривляются (притягиваются) в сторону дислокации-разрежения, а дислокация-уплотнение — как бы отталкивает их (= искривляет в сторону от себя), см. рис. 4.



Рис. 4


Можно предположить, что отталкивая движения, дислокация-уплотнение — сама выталкивается движениями, т. е. «виртуальными» фотонами (а значит, и реальными фотонами, и близостью дислокаций, притягивающих движения). Такая дислокация — не будет положена в основу элементарных частиц. Итак, для того, чтобы быть основой известных элементарных частиц — у нас т. о. осталась дислокация лишь одного знака: дислокация-разрежение, искривляющая движения к себе.

Итак, рассмотрим, как в рамках этого подхода, возникает разнообразие полей, в частности, откуда берутся электрические заряды, и спины элементарных частиц:

Как уже говорилось ранее, структура кристаллической решётки вакуума, которая полагается простейшей из возможных = плотноупакованной, имеет четыре плоскости симметрии, а значит, четыре оси симметрии (перпендикуляры к этим плоскостям), которые можно провести через центр кристаллической ячейки вакуума, а значит, и через центр дислокации, лежащей в основе элементарной частицы.

Учтём, что вакуум заполнен «виртуальными» фотонами (элементарными движениями), и что эти движения — искривляются, под действием дислокации, в сторону дислокации. Нетрудно представить, что они могут искривляться настолько, что замыкаются. Получается, что «виртуальные» фотоны, заполняющие вакуум — движутся вокруг центра дислокации, образуя т. о. стоячие волны.

Но при этом, замкнутое движение — возможно только в одну сторону: либо по часовой стрелке, либо против. В результате, дислокации должны разделить между собой эти движения: Одни дислокации — возьмут движения, замкнутые по часовой стрелке, а другие — против часовой стрелки (в каждой из четырёх плоскостей).

Три из этих плоскостей (или осей) в элементарной частице — не без оснований, оказываются ответственны за существование заряда электрического поля, а четвёртая ось — за спин (или неотъемлемое магнитное поле частицы), см. рис. 5.



Рис. 5


Видно, что электрическое поле — естественным образом, раскладывается на три заряда, равные плюс или минус 1/3, что в дальнейшем — важно для объяснения устройства кварков, имеющих как раз дробные электрические заряды (1/3 и 2/3). Но необходимо ответить на вопрос: почему четвёртая ось в дислокации — отличается от трёх других (т. е. ложится в основу спина, несмотря на то, что симметрия покоящейся дислокации, очевидно одинакова по всем четырём осям (и плоскостям, которые поэтому есть плоскости симметрии)). Одно объяснение — может быть связано с тем, что для наблюдателя, с любого угла зрения — лишь три оси выглядят полностью идентичными, а четвёртая — неизбежно находится под другим углом к наблюдателю (это видно уже на рис. 5).

Можно представить и другое возможное объяснение, согласно которому, кристаллическая среда вакуума, как целое — существует в движении относительно ещё более глубокой среды, т. е. субвакуума (частицы среды вакуума т. о. оказываются (нелинейными) волнами в среде субвакуума). Вместе со средой вакуума, в одну и ту же сторону относительно субвакуума, естественно, движутся и все элементарные частицы, и Мироздание в целом. Четвёртая ось — как раз расположена вдоль этого движения, а три другие оси — соответственно, под (одинаковым) углом к нему. Поэтому свойства трёх осей (электрических) — оказываются одинаковы, и отличны от свойств четвёртой оси (спиновой, магнитной).

Из последнего объяснения, которое удобно, следует, что различие электрического поля и спина — обусловлено некогда произошедшим нарушением симметрии (т. е. можно представить, что в отсутствие всеобщего движения Мироздания по отношению к субвакууму, все четыре оси — были бы идентичны друг другу). Из обозначенного нарушения симметрии — можно увидеть изначальную общность электрического и (спинового) магнитного полей (они одинаковы по происхождению, т. е. привязаны к замкнутым движениям на осях, и лишь нарушение симметрии, разделило их на спин и дробные электрические заряды).

В то же время, очевидно, что при таком рассмотрении, спин — оказывается истинно магнитным зарядом (т. е. не является неким производным от электрического поля, т. е. не является результатом «вращения» заряженной частицы, а является как раз следствием определённого внутреннего движения, которое теперь стало возможно представить наглядно). (Также — и электрический заряд).

Строение электрона и позитрона

Электрон — является частицей вещества, а позитрон — частицей антивещества (получившего своё название — благодаря способности аннигилировать с веществом (электрон и позитрон — «взаимоуничтожаются»)). При этом, отличается позитрон от электрона — лишь знаком электрического заряда, а все другие свойства у этих частиц — схожи. Заряд, в свою очередь — определяется направлением замкнутых движений, в плоскостях электрических осей.

Во всех трёх плоскостях, соответствующих трём электрическим осям, движения должны быть направлены одинаково, чтобы дробные заряды (1/3), сложились в целый заряд (-1 или +1), как уже было показано — на рис. 5. На этом рисунке видно, что на верхнем «полюсе» эпицентра дислокации, лежащей в основе элементарной частицы — имеется треугольник из трёх векторов, которые показывают направления движений в плоскостях электрических осей. Этот треугольник, на «полюсе» частицы, или эпицентра дислокации — представляет собой замкнутую фигуру движения, при этом, у электрона, вектора этого треугольника — направлены в одну сторону, а у позитрона — в противоположную (см. рис. 5).

Неизвестно, как направлено это движение у электрона — по или против часовой стрелки. Но это и неважно, т. к. главное, что оно направлено противоположно замкнутому движению у позитрона. Для удобства, примем, что у электрона, движение направлено против часовой стрелки, а у позитрона — по часовой стрелке. Из этого, получим символы электрона и позитрона, как они выглядят, если смотреть на них с «полюсов», см. рис. 6.



Рис. 6


Как увидим далее, в природе не существует ни одной элементарной частицы, на «полюсе» которой движение было бы незамкнутым (что оказывается одним из правил, при построении каждой из известных (простых и сложных) частиц).

Обязательная замкнутость движения на «полюсе» — очевидно, отражает взаимосогласованность движений на трёх электрических осях.

Строение кварков и сложных элементарных частиц

Наличие кварков — было предсказано ещё на неклассическом этапе, в ходе анализа таблицы элементарных частиц (= при поиске объяснений разнообразию сложных элементарных частиц). Благодаря кваркам, сложные элементарные частицы (число которых составило уже сотни) — были сведены к различным комбинациям всего шести кварков (по два в каждом из трёх поколений), и шести антикварков.

Существование кварков — было позднее подтверждено экспериментально, путём просвечивания протона высокоскоростными электронами (при этом, были получены изображения трёх теней внутренней структуры протона (т. е. кварков), и определено наличие у них дробных зарядов, о чём уже говорилось ранее). Однако до сих пор, ни один кварк не получен в свободном состоянии (как и ни один глюон).

Итак, рассмотрим, как устроены кварки, и почему они не встречаются в свободном виде: В отличие от всех других элементарных частиц, кварк имеет дробный электрический заряд (2/3 или 1/3), а значит, согласно постнеклассическим представлениям — должен быть лишён одной или двух электрических осей, вернее, движений на этих осях. Значит, на «полюсе» кварка, мы бы увидели незамкнутую фигуру движения, как показано на рис. 7. Однако существование частиц с незамкнутым движением на «полюсе», в свободном виде — очевидно, невозможно, т. к. траектории «виртуальных» фотонов — неизбежно искривляются по всем осям, из-за того, что свободная дислокация — распространена симметрично во всех направлениях в пространстве. Поэтому в свободном виде, могут существовать только частицы с замкнутыми движениями на всех осях, и на «полюсе», а кварк — т. о. не является полноценной частицей, и не может находиться в свободном виде, и может существовать лишь в соединении с другими кварками, что позволяет ему достроить движение на «полюсе» до замкнутого. Т. о. образуются сложные элементарные частицы (протон, и т. п.), имеющие замкнутое суммарное движение, на «полюсах», см. примеры на рис. 8.



Рис. 7



Рис. 8


Итак, мы подошли к некоторому объяснению, скрепляющих сложные элементарные частицы, глюонных полей, т. е. видим их причину: неспособность кварка существовать в свободном состоянии. Роль глюонных полей, при этом — оказывается заключена в поддержании замкнутого движения на «полюсе» элементарной частицы, путём соединения кварков друг с другом, причём строго определённым образом (это позволяет прийти, далее, к структуре глюонных полей, и объяснить свойства глюонных (т. н. цветовых) зарядов, о чём — несколько позже).

Далее: Заметим, что ещё на неклассическом этапе, известно, что кварк, в некотором роде — является родственником электрона (и позитрона, и т. п. частиц, второго и третьего поколений (мюона и таона)), т. к. и кварки, и электрон (и т. п.) — обладают полуцелым спином и рассматриваются как простые элементарные (фундаментальные) частицы. Постнеклассически, можно наглядно видеть, что всё отличие кварков от электрона и т. п. частиц — имеет источником отсутствие одной или двух электрических осей, и это, на первый взгляд небольшое отличие — приводит, в итоге, ко множеству различающихся свойств, т. е. значительному различию этих видов частиц (кварки — вообще неполноценные частицы, но лишь части сложных элементарных частиц, в отличие от электрона и т. п.).

Поле, на постнеклассическом этапе понимания

На рассмотренных примерах устройства элементарных частиц — уже видно, что сущность поля — совсем не такая, какой представлялась на неклассическом этапе. Тут мы имеем дело с замкнутыми движениями в элементарных частицах, в т. ч. необходимостью поддержания такого движения на «полюсе» любой частицы, из-за невозможности частицы с отсутствующими осями существовать в свободном виде, и т. к. замкнутое движение на «полюсе» отражает необходимость взаимосогласованности, или однонаправленности движений на осях (частицы без таковой — отсутствуют в природе, см. рис. 9). При соблюдении же условия взаимосогласованности движений, вся частица — предстаёт как единое замкнутое движение (т. е. замкнутое движение имеется не только на осях, но и на «полюсе» частицы).



Рис. 9. Примеры несуществующих (и теоретически невозможных) частиц. Во всех случаях — отсутствует замкнутое движение на «полюсе» из-за невыполнения условия взаимосогласованности движений


При этом, глюонное поле, в постнеклассическом представлении, как уже говорилось — оказывается препятствующим размыканию движений на «полюсах» элементарных частиц. А электрическое и (спиновое) магнитное поля — создаются замкнутыми движениями на осях. Кроме того, имеется дислокация в расположении вакуумных частиц, захватывающая безграничное расстояние, и искривляющая все движения, в т. ч. позволяя им замыкаться (образуя стоячие волны).

Мы видим, что поле — это нечто иное, чем искривление 11-мерного пространства-времени, или некая непрерывная субстанция, как считалось в неклассические времена.

Согласно новым представлениям, поле — это определённое явление, имеющее свой механизм, который можно увидеть наглядно (из наличия дислокаций = одной из разновидностей нелинейных волн, и замкнутых движений).

В целом, новая картина поля гораздо проще предшествующих, неклассических представлений. И она обладает также наглядностью, в т. ч. устраняет одиннадцатимерность пространства-времени, возвращая трёхмерность пространства (вернее, четырёхмерное пространство-время). Благодаря новым представлениям, мы можем проникнуть глубже в причины свойств элементарных частиц.

В основе всех полей (и частиц) т. о., так или иначе, лежит движение (что позволяет дать полям чисто геометрическое (и наглядное) представление, что составляет подход, который можно назвать кинетическим (от греч. kinesis — движение)).

Углубимся далее в эти, и т. п. вопросы — чуть позже. А сейчас — рассмотрим:

Строение нейтрино

В основе нейтрино — лежит дислокация, как и у других элементарных частиц (в т. ч. у электрона и кварков). Однако нейтрино — не менее сильно отличается по своим свойствам от электрона и кварков, чем свойства электрона отличаются от свойств кварков. Вспомним, сперва, некоторые основные свойства нейтрино:

Нейтрино — всегда движется со скоростью света, подобно фотону, и так же как и фотон, может иметь разную энергию, несмотря на постоянство своей скорости; нейтрино — практически не вступает в реакции с другими элементарными частицами (например, легко проходит Землю насквозь). У нейтрино — полностью отсутствует электрический заряд, но имеется спин, равный 1/2.

Причины этих свойств, на неклассическом этапе — были необъяснимы. Но теперь, постнеклассически, всё становится просто:

Нейтрино — это плоская частица, и единственная плоскость в ней — совпадает с плоскостью магнитной оси. Чтобы сохранять отсутствие электрических осей, т. е. иметь плоское строение, нейтрино / дислокация, лежащая в основе нейтрино — всегда должна двигаться со скоростью света, т. к. только при этом условии, дислоцированность (т. е. искривление в расположении вакуумных частиц) — не может распространиться в направлении отсутствующих электрических осей (т. е. не выходит за пределы плоскости магнитной оси). Поэтому нейтрино остаётся плоской частицей, и всегда движется со скоростью света.

Теперь нейтрино можно наглядно представить, т. е. увидеть эту частицу с т. зр. её внутреннего строения (что было немыслимо и невозможно на неклассическом этапе).

Нейтрино — имеет и античастицу, т. н. антинейтрино. Различие их — лишь в том, что они имеют противоположные спины (проекции спина, хотя для нейтрино они измеряются не на произвольное направление, как у других частиц, а на направление движения, и носят название спиральности, о которой, подробнее — несколько позже; пока же говорим упрощённо): если нейтрино всегда имеет спин -1/2, то антинейтрино — +1/2. Простым объяснением этому — является замкнутость движения в плоскости магнитной оси — по часовой стрелке или против, см. рис. 10. Тут ещё раз наглядно видно (как и ранее из сравнения электрона и позитрона), что не качество дислокации (разрежение или уплотнение) лежит в основе частиц и античастиц, а разное направление замкнутых движений на осях.



Рис. 10


Далее: Как объяснить, почему нейтрино почти никогда не вступает во взаимодействия? Дело в том, что нейтрино — имеет лишь одно поле, позволяющее этой частице вступать в реакции с другими частицами — слабое поле (о чём, подробнее — чуть позже). Нейтрино лишено сильного (ядерного и глюонного) полей, т. к. лишено движения на «полюсе» (в т. ч. незамкнутого движения как у кварка), и является простой частицей, не состоящей из кварков, и также лишено электрического поля (причины этого — видны из наглядной структуры данной частицы). Остальные поля — гравитационное (которое можно представить в виде самой дислоцированности) и магнитное (обязанное замкнутому движению на магнитной оси) — пренебрежимы: Гравитация — не может остановить нейтрино, а может только изменить направление его распространения и энергию (т. к. нейтрино, как было показано, всегда должно двигаться со скоростью света). Так, траектория эпицентра нейтрино, пролетающего вблизи Солнца — должна искривиться как и траектория фотона (для фотонов, этот эффект, рассчитываемый согласно теории относительности — был доказан, как уже говорилось, ещё в начале 20-го века, а для нейтрино — пока не измерен в связи с техническими сложностями регистрации нейтрино). Численное значение магнитного поля нейтрино (верхняя граница которого измерена экспериментально) — оказывается пренебрежимо мало [7] (т. о. можно сказать, что (спиновое) магнитное поле — проявляется лишь в той или иной спиральности нейтрино).

Лишь слабое поле — может «остановить» нейтрино, т. е. не только изменить его траекторию и энергию, но и по-настоящему заставить нейтрино провзаимодействовать (благодаря чему — возможны реакции с поглощением нейтрино, например, нейтроном, с образованием протона и электрона, и другие). Но слабое поле действует, как уже отмечалось, лишь в самых минимальных масштабах сближения эпицентров элементарных частиц — меньше 10–18 м. А это случается крайне редко, в условиях столь относительно неплотного вещества, которое составляет Землю. Поэтому подавляющее большинство нейтрино, попадающих на Землю — легко проходят Землю насквозь, ни разу не вступив в реакцию.

Далее: Итак, сущность нейтрино — напрямую связана со спином (он определяет в т. ч. различие нейтрино и антинейтрино). Рассмотрим, далее, вопрос о спинах частиц подробнее:

Спин и геометрия вакуума

Структуры элементарных частиц, с учётом спина — представлены на рис. 11. На рис. видно, что в соседних, разнонаправленных треугольниках, отражающих геометрию кристаллической решётки вакуума, спины оказываются противоположны (как и электрические заряды). Данное представление — позволяет легко объяснять спины элементарных частиц (рис. 11). В частности, наглядно видно, почему у частицы дельта ++ спин равен 3/2, в отличие от спина протона / нейтрона (1/2), тоже состоящих из трёх кварков.



Рис. 11


Аналогичным образом, можно увидеть связь геометрии и спина у электронов и позитронов, см. рис. 12. На рис. видно, что и электрон, и позитрон — могут иметь две разных ориентации, в виде треугольников, направленных вверх или вниз (во всех случаях, движение на магнитной оси — оказывается взаимосогласовано с движениями на электрических осях).



Рис. 12


Идём далее:

Сущность глюонных полей

С глюонным полем — связано, как известно, представление о глюонных зарядах трёх видов, в отличие от двух видов зарядов у электрического поля. Глюонные заряды, на неклассическом этапе, условно называют «цветовыми», ассоциируя с тремя цветами, составляющими вместе белый цвет: красный, синий и зелёный, см. рис. 13. (Для античастиц — существуют также антицвета: анти-красный, анти-синий и анти-зелёный: на рис. 13 — они расположены напротив соответствующих цветов). Цвета (и антицвета) — необходимы для описания глюонных взаимодействий кварков в сложных элементарных частицах: так, считают, что в частицах, состоящих из трёх кварков (= барионах, — протонах, нейтронах и т. п.), каждый кварк — обязан нести по одному из трёх «цветовых» зарядов, чтобы в сумме получалась т. н. бесцветная, или белая комбинация, см. рис. 14. В частицах, состоящих из кварка и антикварка (= мезонах, — пи-мезоне, и т. п.) — должен присутствовать цвет и антицвет, что тоже даёт бесцветную (белую) комбинацию, см. рис. 15.



Рис. 13 [I]



Рис. 14 [II]. Протон



Рис. 15 [III]. Пи-мезон (пион) +, цвета кварков — синий и антисиний


Введение «цветовых» зарядов, как видно — это лишь констатация определённых свойств глюонных полей, но не объяснение их происхождения, т. е. причины. Это лишь отражение свойств кварков объединяться в тройки в барионах, и в пары кварк-антикварк в мезонах. Но почему «цветовых» зарядов всего три, и что такое, на самом деле, «цветовой» заряд, на неклассическом этапе — неизвестно.

На постнеклассическом этапе, исходя из наглядных представлений об устройстве элементарных частиц, три «цвета» — легко объясняются геометрией вакуума, т. е. вытекающим из неё, наличием трёх электрических осей, и их взаимной ориентацией, как раз соответствующей тому, что называлось ранее тремя «цветами», см. рис. 16. Природа глюонного поля в целом, как уже говорилось ранее, связана с поддержанием замкнутой фигуры движения на «полюсе» сложной элементарной частицы, что легко соотносится с обязательным образованием бесцветной (белой) комбинации — так, как показано на рис. 17.



Рис. 16



Рис. 17


О механизме действия глюонного поля подробнее, в т. ч. о том, что происходит при попытке отдалить (оторвать) кварки друг от друга, и о наглядном строении глюонов — будем говорить позже (как и о строении квантов других полей).

Идём далее:

Причины существования поколений элементарных частиц

Рассмотрим, почему существуют три поколения элементарных частиц: причина — заключается в возможности образования дислокаций не только первого, но и второго и третьего порядков: Дислокация первого порядка, т. е. обычная дислокация, лежащая в основе элементарных частиц первого поколения — получается, если выбить одну вакуумную частицу со своего местоположения. Дислокация же второго порядка — образуется, если выбить ещё и 12 вакуумных частиц, её окружающих. Т. е. всего — получается дислокация из 13-и выбитых вакуумных частиц. Это — дислокация второго порядка, лежащая в основе элементарных частиц второго поколения (т. е. мюона, и кварков s -1/3 и c +2/3).

Дислокация третьего порядка — получается, если вместе с 13-ю вакуумными частицами, выбить ещё один слой вакуумных частиц (т. е. ещё 42 частицы), = всего 55 вакуумных частиц. Образуется т. о. дислокация, которая ложится в основу элементарных частиц третьего поколения (тау-лептона, и b- и t-кварков).

Итак, причина существования поколений элементарных частиц, выглядит довольно просто. Видно, что существование поколений — не случайность (и они не являются лишними, каковыми считались на неклассическом этапе). Кроме того, подобные эффекты — должны наблюдаться и для дислокаций в обычных, молекулярных и т. п. средах, что позволяет экспериментально проверить данный подход, и может служить аналогией при изучении поколений элементарных частиц.

Причины различия масс электрона, мюона и таона

Элементарные частицы второго и третьего поколений имеют массы, на порядки превышающие массы элементарных частиц первого поколения. На неклассическом этапе, стандартным объяснением этому — является рост взаимодействия частиц второго и третьего поколений с «виртуальными» квантами поля Хиггса, равномерно заполняющего вакуум: представляют, что частицы второго и третьего поколений, по непонятным причинам — интенсивнее взаимодействуют с этим полем. Т. к. конкретный механизм этого взаимодействия и его роста к частицам второго и третьего поколений — неизвестны, т. о. причина различия в массах, в целом — остаётся загадкой.

Постнеклассически же, более высокая масса у частиц второго и третьего поколений — вытекает из увеличения степени дислоцированности (что не отменяет наличия поля Хиггса). В степени дислоцированности — и запасена энергия = масса частицы (которую можно представить как степень взаимодействия со средой вакуума, которое и есть конкретная реализация того, что является полем Хиггса, и механизма, придающего массу частицам (аналогично — возникает т. н. эффективная масса у дислокаций в обычных, молекулярных кристаллах: как известно, звуковые волны, подобно фотонам — остаются безмассовыми, а дислокации — обладают эффективной (инертной) массой, т. к. не могут двигаться с максимальной скоростью в среде, т. е. скоростью звука)).

Выяснив конкретную причину существования поколений элементарных частиц, а также геометрию процесса их образования (1, 13 и 55 выбитых вакуумных частиц, соответственно), можно попробовать найти, какой закономерности подчиняются численные различия масс поколений элементарных частиц. (Такой формулы, на неклассическом этапе, как уже говорилось — не существовало).

Для начала, вспомним, как соотносятся массы элементарных частиц между поколениями, например, массы лептонов: если взять массу электрона за единицу, то масса мюона (тяжёлого электрона) — составит 206,8 масс электрона, а масса тау-лептона (таона) — около 3 477 масс.

Применим знание о геометрии дислокаций первого, второго и третьего порядка. Сделаем самое простое, что можно сделать с числами выбитых вакуумных частиц (1, 13 и 55) — возведём их в квадрат, и получим следующие числа, и соответствия массам:

12 = 1 (масса электрона = 1);

132 = 169 (масса мюона = 206,8);

552 = 3 025 (масса таона = 3 477).

Как видно, полученные числа, по порядку величины — приближаются к массам электрона, мюона и таона, т. е. массам частиц разных поколений. Но ведь мы ещё ничего сложного не делали: всего лишь, зная механизм явления, взяли количество выбитых вакуумных частиц, соответствующее степеням дислокаций, и возвели в квадрат. Масса т. о. обретает наглядный и чисто геометрический смысл.

Чтобы получить более точную формулу, а не первое приближение, необходимо найти, вероятные, поправочные коэффициенты, обусловленные нюансами геометрии: Например, мы не учли, что выбитые 13 вакуумных частиц, в отличие от одной вакуумной частицы — не являются сферичной фигурой, а представляются 14-гранником; эта несферичность, при образовании таона — проявляется ещё более выраженно, см. рис. 18. Также в поправочный коэффициент, помимо всего прочего, могут входить неучтённые промежутки между (сферическими) эпицентрами вакуумных частиц (появляются лишь в мюоне и таоне), и некоторые другие нюансы геометрии вакуума, о которых позже. Учёт всех нюансов — может помочь в уточнении формулы. (Создание точной формулы — оставим для учёных, т. к. это уже относительно частный вопрос).



Рис. 18


Идём далее:

Объёмное строение сложных элементарных частиц

Настало время перейти от упрощённых представлений об элементарных частицах, к более точным. В чём же заключалось упрощение? Оно было в том, что сложные элементарные частицы, мы рассматривали как плоские образования, вернее, так, что кварки в них — лежали в одной плоскости (что в реальности — не так). Упрощённые представления были удобны, т. к. позволяли изобразить сложную элементарную частицу (вернее, вид её сверху) — на плоском листе бумаги. Однако теперь нам предстоит увидеть, что на самом деле, все сложные элементарные частицы — выходят за рамки плоскости, т. е. имеют более объёмное строение:

Для начала, покажем, как выглядят протон и нейтрон, на самом деле — см. рис. 19. Почему частицы обретают такое строение? Есть две веские и естественные, причины:

Во-первых, центры кварков, в такой частице — оказываются совмещёнными в одной точке. Чтобы продемонстрировать это, определим расположение центров кварков, по отношению к их «полюсам» — см. рис. 20. Как видно, центры кварков — располагаются на вершинах правильных пирамид, и совмещаются именно при таком угле сворачивания, какой показан на рис. 20. Указанное расположение центров кварков, т. е. в одной точке — лучше отражает тот факт, что сложная элементарная частица существует как единое целое. Подобным образом, можно построить объёмные структуры и других элементарных частиц, см. примеры на рис. 21.



Рис. 19



Рис. 20



Рис. 21


Вторая причина появления объёмности у сложных элементарных частиц — заключена в том, что мы пренебрегли нюансом геометрии вакуума, показанным на рис. 22. На рис. видно, что в рамках одной плоскости, в среде вакуума, невозможно существование треугольников, направленных вершинами в противоположные стороны. Это — явно исключает возможность существования в плоском виде таких сложных элементарных частиц как нейтрон, мезон, протон и т. д.



Рис. 22


Итак, двух причин — достаточно, чтобы объяснить, почему все сложные элементарные частицы обретают определённое объёмное строение. При этом, объёмные изображения частиц — находятся в соответствии с плоскими изображениями, но отличаются наличием углов между образующимися, вместо треугольников, гранями.

Имея объёмное представление о таких элементарных частицах как протон, нейтрон и пи-мезон — мы уже можем перейти к объяснению строения более высокого уровня вещества, — т. е. атомных ядер.

Основы постнеклассической ядерной физики

Внутреннее строение атомных ядер — является одной из, в целом, нерешённых задач, на неклассическом этапе. Далее, постнеклассически, в наглядном, геометрическом виде, без использования формул, мы увидим причины всех основных свойств ядер. Также увидим неразрывную связь структуры элементарных частиц и атомных ядер, т. е. как строение ядер — вытекает из геометрии элементарных частиц.

Строение ядра дейтерия

Не считая ядра атома водорода (т. е. протона), самое простое атомное ядро — это ядро атома дейтерия, состоящее из протона и нейтрона. Наглядно, строение этого ядра, с точки зрения постнеклассических представлений — показано на рис. 23.



Рис. 23


Как видно, ядро представляет правильную геометрическую фигуру, замыкающую некоторую область пространства. Протон и нейтрон, при этом — геометрически подходят друг другу. Также, как видно на рис., атомное ядро — представляет замкнутое движение, где замкнутые движения в протоне и нейтроне — взаимосвязаны в более крупное замкнутое движение, имеющееся в ядре как целом.

Ядро дейтерия, как известно, имеет спин 1, т. е. спины протона и нейтрона в нём — одинаковы, например, оба равны +1/2, так что в целом ядро имеет спин +1. Не существует ядер дейтерия со спином 0. Наглядная причина этого — видна из рис. 24. Как видно на рис., ядро со спином 0, не представляет замкнутой геометрической фигуры, и т. о. очевидно не является связанным состоянием протона и нейтрона. Также из рис. видно, что нуклоны (т. е. протон и нейтрон), если «развёрнуты вверх» — имеют спин +1/2, а если «вниз» — то спин –1/2 (причина такого поведения сложных частиц (протона и нейтрона, и других частиц в объёмном представлении) — станет ясной несколько позже).



Рис. 24


Далее, мы будем рассматривать только ядра в состоянии с положительным спином, т. к. ядра с противоположным спином — являются их зеркальными отражениями.

Если вспомнить о плоских представлениях элементарных частиц, очевидно, что при помощи их — нельзя увидеть ядро геометрически правильным. Однако всё становится на свои места, как только мы перешли к объёмным изображениям элементарных частиц, и увидели ядро дейтерия в объёмном представлении.

Геометрическая красота, присущая наглядному строению ядра дейтерия, и замкнутость его фигуры — уже пол-объяснения, почему ядро дейтерия — нерадиоактивно (являясь т. о. одним из двух стабильных изотопов водорода). Кроме того, такое строение — объясняет, почему спины протона и нейтрона в этом ядре одинаковы. Геометрически, это единственно возможная конфигурация ядра дейтерия.

Устройство изотопов ядер первого ряда таблицы Менделеева

Первый ряд таблицы Менделеева, как известно — включает два элемента: водород и гелий. У водорода — открыто 7 изотопов (включая широко известные, первые три — протон, дейтерий и тритий), а у гелия — 8 изотопов (также вместе с широко известными, первыми двумя, гелием-3 и альфа-частицей (= ядром гелия 4)).

Мы рассмотрим, по порядку, строение всех этих изотопов, т. к. именно на этих простых примерах — проясняются простые и естественные (= вытекающие из геометрии), закономерности строения атомных ядер, раскрывающие причины их свойств.

Чуть ранее, мы уже рассмотрели устройство ядер двух стабильных изотопов водорода: протона (т. е. ядра обычного атома водорода), и ядра атома дейтерия, или т. н. тяжёлого водорода.

Итак, идём дальше ядра дейтерия: следующим изотопом водорода — является тритий. Как расположить два нейтрона и протон, чтобы получить ядро трития? Некоторые конфигурации трития, которые можно вообразить — представлены на рис. 25. Из этих конфигураций, правильной — оказывается первая. В ней, кварки нейтронов и протона — находятся наиболее близко друг к другу, а значит связь является наиболее сильной. Также заметим, что как известно, спин ядра трития — равен 1/2. На рис. — наглядно видна геометрическая основа этого значения спина: как уже говорилось, «перевёрнутый» нуклон имеет спин –1/2, а из-за неизбежного наличия в ядре трития (притом в любой из конфигураций) — также и нуклонов спина +1/2, т. е. неперевёрнутых нуклонов, суммарный спин ядра не может быть 3/2.



Рис. 25


Тритий — нестабильный изотоп, хотя нестабильность его — относительно мала (период полураспада — 12,32 года); рассмотрим причину распада — немного позже.

Далее: Если заполнить вакансию в ядре трития, подходящим на это место, протоном, то получим ядро гелия-4, или альфа-частицу, см. рис. 26. Ядро гелия-4 (альфа-частица) — полностью завершённая, замкнутая фигура, и соответственно, можно предположить стабильность этого ядра (изотопа). Так и есть: гелий-4 — полностью стабилен, причём является ядром, при образовании которого, выделяется самая большая энергия, в расчёте на нуклон, а сам элемент гелий — завершает первый ряд элементов таблицы Менделеева. Также наглядно видна геометрическая причина того, почему спин альфа-частицы равен 0.



Рис. 26


Кстати, именно ядра гелия-4 образуются в ядерных реакциях, идущих в обычных звёздах, и именно синтез гелия-4 — даёт энергию, которую излучает Солнце.

Далее: Если отнять от ядра гелия-4 один нейтрон, получим изотоп гелий-3. Это ядро (изотоп) — имеет спин 1/2 и тоже стабилен (образуется при распаде трития, о чём — позже). Некоторые конфигурации, которые можно вообразить для ядра гелия-3 — показаны на рис. 27. Из них, реализуется в природе — первая, т. к. в ней оба протона — тянут «кварковую плотность» нейтрона (по аналогии с электронной плотностью атома) — в одну и ту же сторону, а не в противоположные, как во второй конфигурации, или частично в противоположные, как в третьей, см. рис. 28. Учёт направления смещения кварковой плотности — будет одним из постоянных правил при определении строения более тяжёлых ядер (протоны должны смещать её в одинаковую сторону, насколько это возможно, а все конфигурации, нарушающие это правило, как увидим далее — не реализуются в природе, вернее, реализуются только как возбуждённые состояния).



Рис. 27



Рис. 28. Ядро гелия-3, вид сбоку (схематично), конфигурации — по рис. 27


Ещё одно правило, или закономерность, следующая из структуры уже рассмотренных ядер — это выгода конфигурации ядра, в которой грани, а значит, кварки нейтронов и протонов — располагаются наиболее близко друг к другу, стремясь к образованию наиболее замкнутой фигуры из возможных. Одним из следствий этого правила — является спин, равный единице, у ядра дейтерия, и нулевой спин гелия-4 (и его полностью замкнутая конфигурация), а также минимальное значение спина у гелия-3 (т. е. 1/2, вместо возможного 3/2 (см. рис. 27)).

Конфигурации нейтронизбыточных изотопов водорода

Нейтроноизбыточными изотопами водорода являются изотопы от водорода-3 (трития) до водорода-7, имеющие, за исключением трития, ничтожные времена жизни, не более чем порядка 10–22 сек, см. табл. 1. Несмотря на малое время жизни, эти изотопы весьма важны для подтверждения закономерностей строения атомных ядер. Остановимся на каждом из этих изотопов, по порядку:

Строение ядра трития — уже рассматривалось ранее, поэтому переходим сразу к водороду-4: Водород-4 — имеет спин 2, что объясняется рис. 29. Почему водород 4 предпочитает эту конфигурацию, а не такую, например, как на рис. 30? Фактически, нейтрон на рис. 30 — стал бы несвязанным, т. к. располагается слишком далеко от кварков протона, и кроме того, является неспаренным (о спаренных нуклонах — чуть позже). Если же оба нижних нейтрона займут «перевёрнутое вверх» положение, как было показано на рис. 29, то связь обоих нейтронов с протоном окажется одинакова, и они оба будут связанными. Поэтому образуется именно конфигурация со спином 2, показанная на рис. 29.


Таблица 1 [8]

Изотопы водорода



Примечания:

жирным отмечены стабильные изотопы

# — значения, предполагаемые из трендов

? — распад разрешён энергетически, но ещё не наблюдался экспериментально

( ) — неточный спин и / или чётность



Рис. 29



Рис. 30


Строение ядра следующего изотопа, водорода-5 — показано на рис. 31. Как видно, в этом ядре, часть нейтронов присоединены к нейтронам, а не непосредственно к протону. Объясняется это тем, что кварковая плотность непосредственно связанного с протоном, нейтрона — смещена к протону, и создаёт состояние нейрона с дефицитом кварковой плотности, при котором он является проводником для сил протона, стремящихся присоединить ещё один нейтрон. Т. о. в ядре атома, нейтрон (со смещённой кварковой плотностью) может связать нейтрон. Это объясняет не только существование ядер водорода-5 (а также -6 и -7), но и то, почему не наблюдается связанных состояний нейтронов вне ядра (там нет смещённой кварковой плотности, а значит, нейтрон к нейтрону уже не притягиваются).



Рис. 31


В ядре водорода-5 — можно выделить сердцевину (т. н. кор), представляющий собой ядро трития, и остальную часть этого ядра — два слабо связанных с сердцевиной, нейтрона (т. е. связанных косвенно, через нейтроны сердцевины, обладающие смещённой кварковой плотностью). Слабосвязанные (внешние) нейтроны, при этом, также связаны друг с другом, — спарены, образуя т. н. динейтрон (где спины нейтронов — взаимно противоположны, и каждый из нейтронов пары — несколько притягивает другой нейтрон, за счёт собственной смещённой кварковой плотности). Направления сил (= смещений кварковой плотности к протону) — показаны на рис. 32. (В реальности, смещается кварковая плотность также протона к нейтронам (из обоюдности притяжения протона и нейтрона), но для удобства, её можно не учитывать, кроме объяснения, например, ядра гелия-3, в котором один из протонов — связан с нейтроном косвенно).



Рис. 32. Водород-5, вид сбоку (схематично)


Ядро водорода-5 — имеет несколько большее время жизни, чем ядро водорода-4, см. табл. 1. Причина кроется в том, что все базовые положения для нейтронов (т. е. уровень минимальной энергии), в этом ядре — занят нейтронами кора (т. е. трития), и в эти положения — не могут перейти остальные (внешние) нейтроны (в отличие от ядра водорода-4). Кроме того, можно сказать, что конфигурация ядра водорода-5 несколько стабилизируется выгодой спаренных нейтронов.

Далее: Структуру следующего изотопа, водорода-6 — см. на рис. 33. В строении водорода-6, видна структура, т. н. тринейтрон, из-за которого это ядро имеет спин 2. Почему такая конфигурация ядра является выгодной, и реализуется вместо представленной на рис. 34? Дело в том, что даже при небольшом сдвиге тринейтрона (из-за квантовой неопределённости положения), в нижней половине ядра — образуется резкая асимметрия, т. е. дырка (разрывающая замыкание движения в ядре как целом + мешающая стремлению ядра к замкнутой геометрической фигуре), см. рис. 35. Сдвиг тринейтрона т. о. — оказывается запрещённым, в то время как на рис. 34, два динейтрона, имея одинаковую массу — могут отходить сочетанно (в резонансе друг с другом), и такая дырка не образуется (т. е. отход динейтронов — не запрещён, а значит, они могут отдаляться, согласно квантовой неопределённости, более далеко, и т. о. будут связаны слабее, что энергетически невыгодно). Поэтому реализуется конфигурация именно с тринейтроном (рис. 33), а её выгода — имеет квантовую природу.



Рис. 33



Рис. 34



Рис. 35


У этого механизма — есть и второй компонент: выделим в ядре водорода-6 — участок, соответствующий ядру дейтерия (образующему в этом ядре сердцевину (кор)). Нейтрон в этом ядре дейтерия (коре), находящемся в составе водорода-6 — тоже может, благодаря квантовой неопределённости координаты, отдаляться от протона. В случае наличия тринейтрона, отдаление данного нейтрона — подавлено, т. к. отдаляясь, он сдвигает тринейтрон, не сдвигая другой нижний нейтрон, а значит, образуется запрещённая дырка «внизу» ядра, см. рис. 36. Если бы вместо тринейтрона, было два динейтрона (рис. 34), отходящий нейтрон дейтерия — симметрично сдвигал бы их (а значит, оба нижних нейтрона), и дырка не образовывалась бы. В этом случае, все нейтроны в ядре оказались бы связаны с протоном слабее, что энергетически невыгодно. Поэтому опять же, реализуется конфигурация именно с тринейтроном (имеющая спин 2, = конфигурация на рис. 33).



Рис. 36


Последним изотопом водорода — является водород-7, в целом, аналогичный водороду-5, но имеющий 4 слабосвязанных, внешних нейтрона, в виде двух динейтронов, см. рис. 37. Как видно, в водороде-7 — заполнены все (наиболее выгодные) места для связи нейтронов. Отсутствие изотопов водорода-8 и -9 — легко объясняется тем, что притягивающая сила смещённой кварковой плотности, вызываемая одним протоном — оказывается слишком мала, чтобы связать ещё нейтроны (учитывая, что нейтроны далее могут быть присоединены, как видно из геометрии — уже не просто через другие нейтроны, но через слабосвязанные нейтроны, т. е. которые уже и сами слабо связаны).



Рис. 37


Итак, число изотопов водорода — объясняется их наглядным, геометрическим строением, которое выясняется лишь на постнеклассическом этапе.

Конфигурации нейтронизбыточных изотопов гелия

У гелия, как уже говорилось, известно восемь изотопов, из которых, два первых — мы уже рассматривали (стабильные гелий-3 и гелий-4). Теперь рассмотрим короткоживущие, нестабильные, а именно — нейтроноизбыточные изотопы.

Спин первого из них, гелия-5 — равен 3/2, и т. о. сильно отличается от спина соседних изотопов, гелия-4 и гелия-6, см. табл. 2. Это скачкообразное изменение спина, между соседними изотопами (гелием-4, -5 и -6) — легко и наглядно объясняется геометрией ядер, из которой видно, почему выгодны конфигурации именно с такими спинами — см. рис. 38. В целом, ядро гелия-5, как видно, устроено аналогично ядру водорода-4.


Таблица 2 [8]

Изотопы гелия





Рис. 38


Следующий изотоп, гелий-6 — в целом, аналогичен, по строению, водороду-5, см. рис. 38. Согласно экспериментальным данным, ядро гелия-6 — имеет аномально высокий эффективный радиус, т. к. обладает гало из двух слабо связанных с остальным ядром (т. е. сердцевиной), нейтронов [9]. Отныне, можно наглядно видеть причину этого: внешние нейтроны, в ядре гелия-6 — связаны с протонами лишь косвенно, через другие нейтроны, а значит, связаны слабо, и поэтому могут (благодаря всё той же квантовой неопределённости), значительно отдаляться от сердцевины, или кора ядра. Кроме того, нейтроны — развёрнуты наружу (что также сильно облегчает взаимодействие с ними других ядер и частиц, т. е. увеличивает измеряемый эффективный радиус ядра).

Следующий изотоп, гелий-7 — показан на рис. 39. По структуре, это ядро (изотоп), как видно — является аналогом водорода-6. В своей структуре, гелий-7 имеет тринейтрон, выгода которого — аналогична описанной для водорода-6.



Рис. 39


Далее, рассмотрим строение ядра изотопа гелий-8 — см. рис. 40. В строении ядра гелия-8, как известно [10], и как видно на рис. — имеется гало из четырёх нейтронов. Эти четыре слабосвязанных нейтрона — прикреплены к альфа-частице (кору, нуклоны в котором — сильно связаны друг с другом). Гелий-8, в целом — также аналогичен соответствующему изотопу водорода, — водороду-7.



Рис. 40


Фактически, зная наглядную геометрию и основные правила, или закономерности связи нуклонов друг с другом, которые были рассмотрены, видимо, можно было бы легко предсказать существование гелия-8, и все его свойства (в т. ч. наличие четырёх гало-нейтронов) — и до их экспериментального открытия.

Далее: Гелий-9 можно представить в виде одной из трёх возможных конфигураций, показанных на рис. 41. Неосуществление механизма водорода-6 во второй конфигурации на этом рис. (симметричное отдаление двух тринейтронов, что невыгодно, т. к. легко осуществимо), даёт возможность сразу отбросить эту, вторую конфигурацию. Также отбросим и третью конфигурацию, т. к. добавляемый нейтрон в ней, очевидно, связан слишком косвенно (нейтрон присоединён к нейтрону гало, т. е. слабосвязанному нейтрону). Т. о. остаётся лишь первая конфигурация, как правильная.



Рис. 41


Наконец, последний изотоп гелия, гелий-10 — см. на рис. 42. Из наглядной структуры этого ядра, видно, что оно содержит максимальное число нейтронов, и дальше добавлять нейтроны уже некуда: восемь нейтронов в гелии-10 связаны только благодаря незанятости более низкого энергетического уровня, т. е. из-за отсутствия нейронов в положении (отсутствующей) альфа-частицы в центре. Т. е. в этом ядре — нет кора (как и у изотопов гелия-5, -7 и -9). Внутренние нейтроны в гелии 10 — связаны (относительно) сильно, а наружные нейтроны — развёрнуты кнутри, т. о. гало-нейтроны тут отсутствуют, несмотря на то, что число нейтронов в гелии-10 — больше, чем в гелии-8 (это — теоретическое предсказание, т. к. из-за малого времени жизни, наличие / отсутствие гало-нейтронов у гелия-10 — ещё не определено).



Рис. 42


Если бы существовали изотопы гелия-11 и -12, нейтроны в них были бы связаны ещё более косвенно (не менее, чем через нейтроны гало), что является слишком слабой связью (поэтому изотопы гелия-11 и -12, как и водород-8, пока не наблюдались).

Итак, мы рассмотрели (вместе с изотопами водорода), наглядное строение атомных ядер первых 15-ти изотопов таблицы Менделеева, объясняя их спины, наличие или отсутствие гало-нейтронов, и общее число этих изотопов (т. е. почему их именно 7 у водорода, и 8 у гелия). Теперь мы можем пойти далее, и рассмотреть:

Объяснения закономерностей радиоактивных распадов

Объясним реакции распада ядер нестабильных изотопов, рассмотренных в предыдущих главах. Т. е. рассмотрим закономерности взаимопревращений ядер атомов, в связи с наглядными изображениями внутреннего строения ядер. Также определим и причины стабильности нерадиоактивных изотопов. Начнём с ядер водорода:

Водород-1 (протон) — стабилен т. к. протон, сам по себе, является стабильной элементарной частицей. Изотоп водорода-2 (дейтерий) — также полностью стабилен, т. к. нейтрон, превращаясь в протон — «расширяется», что неосуществимо в ядре дейтерия, см. рис. 43. (Кроме того, распад нейтрона — невыгоден, т. к. превратит ядро дейтерия в несвязанную (или почти несвязанную) систему — ядро гелия-2 (дипротон)).



Рис. 43


После стабильных, водорода-1 и дейтерия, следует радиоактивный водород-3 (тритий), имеющий, как уже говорилось, сравнительно большой период полураспада (12,32 года). В этом ядре, нейтроны — находятся на самом нижнем (= базовом) энергетическом уровне, что, естественно, выгодно, и связаны непосредственно или (нижний нейтрон) почти непосредственно с протоном, т. е. связаны сильно (а значит, нейтрон — не может вылететь из ядра, в отличие от наблюдаемого вылета нейтронов при распадах более тяжёлых изотопов водорода, о чём — далее). Один из нейтронов в тритии может лишь распасться до протона («расшириться»). Но в чём выгода этого? Можно видеть, что образующийся гелий-3 — замыкает область пространства большую, чем тритий, и т. о. оказывается немного ближе, по строению, к полностью замкнутой фигуре, т. е. фигуре наиболее энерговыгодного, среди всех рассмотренных ядер, гелия-4 (= альфа-частице).

Следующие за тритием, нестабильные изотопы водорода: 4, 5, 6 и 7 — имеют примерно одинаковые времена полужизни — порядка 10–22 сек (подробнее — см. в табл. 1). Все они — распадаются с вылетом нейтронов, как видно из табл. 1. Исходя из крайне малого времени жизни, мы можем сразу потребовать, чтобы распады этих ядер — происходили с переходом нейтрона на более низкий (в данном случае — базовый) энергетический уровень, в котором имеется т. о. вакансия. Действительно, для изотопов водорода-4 и -6 — это легко увидеть, см. рис. 44. Видно, что один из нижних нейтронов, в ядре водорода-4 — может «перевернуться», и занять более низкий (базовый) энергетический уровень, образовав т. о. ядро трития; соседний нейтрон, при этом — становится лишним (несвязанным), и вылетает, унося выделившуюся (при переходе между уровнями), энергию. То же самое — происходит в водороде-6, но вылетать может как один нейтрон, так и три нейтрона сразу (см. табл. 1 + рис. 44).



Рис. 44


Водород-6, несмотря на большую, чем у водорода-4, нейтроноизбыточность — живёт несколько дольше водорода-4 (см. табл. 1). Это увеличение времени жизни — можно объяснить, исходя из наличия тринейтрона (которое ведёт к асимметрии ядра, и в конечном итоге, уменьшению квантовой неопределённости положения нуклонов, что выгодно, и уже рассматривалось ранее). На неклассическом этапе, увеличение времени жизни у более нейтронизбыточных изотопов водорода — называлось водородной аномалией [11], т. к. оставалось, в целом, необъяснимым. (Аналогичная «аномалия» — имеется у ядер гелия: гелий-7, так же содержащий тринейтрон — стабильнее гелия-5).

Далее: Чтобы понять (объяснить) радиоактивный распад изотопа водорода-5, происходящий с вылетом двух нейтронов (табл. 1), мы должны учесть, что эти, до вылета — слабосвязанные, нейтроны, в этом ядре находятся не на базовом, а на более высоком энергоуровне. Но перейти в более низкое энергетическое состояние в ядре, они не могут, т. к. последнее — уже занято нейтронами кора (трития). Это уже объясняет, почему время жизни водорода-5 — больше времени жизни водорода-4 и -6, имеющих незаполненные места для нейтронов, на базовом энергоуровне.

Теперь учтём, что связь слабосвязанных нейтронов в ядре водорода-5, по определению, слабая, т. е. это должны быть гало-нейтроны (как у изотопов гелия-6 и -8), но для изотопа водорода-5 — экспериментальное определение наличия гало-нейтронов затруднено малым временем жизни ядра, и поэтому не выполнено. Аналогия наглядного строения ядра гелия-6 с ядром водорода-5 говорит, что в водороде-5 содержатся именно гало-нейтроны (из наглядной структуры ядра видно, что данные нейтроны связаны через другие нейтроны, а значит, связаны слабо (причём, ещё более слабо, чем в изотопах гелия-6 и -8, т. к. в водороде — всего один протон)). Слабая связь — эквивалентна малой энергетической выгоде от такой связи. В итоге, оказывается более энергетически выгодным переход гало-нейтронов из этого, как бы возбуждённого состояния — в базовое, т. е. на базовый энергоуровень, который хоть в этом ядре и занят, но свободен вне ядра, см. рис. 45. Т. е. гало-нейтроны, переходя на более низкий энергоуровень — оказываются свободными нейтронами, что и объясняет вылет нейтронов при распаде водорода-5. (Нужно также учесть спаренность этих нейтронов, благодаря которой, они могут совершать переход между уровнями одновременно друг с другом, и вылетать одновременно).



Рис. 45


Можно сказать, что ядро водорода-5 — вообще существует за счёт того, что находится в подобии возбуждённого состояния, т. е. как бы и не имеет базового состояния (его базовое состояние — соответствует ядру трития и двум свободным нейтронам, а это уже не водород-5, т. е. не связанная система). При синтезе (получении) ядра водорода-5, энергия т. о., соответственно, поглощается, а не выделяется.

Далее: Последний изотоп водорода, водород-7 — пока мало изучен, поэтому на нём (вернее, на рассмотрении его распада), подробно останавливаться не будем.

Итак, мы рассмотрели распады изотопов водорода, в связи с наглядными представлениями о внутренней структуре этих ядер. Пути распада, как видно — вытекают из структуры ядер, также как и соотношения времён жизни между изотопами.

Распады изотопов гелия

Теперь можно перейти к рассмотрению и реакций распада ядер изотопов гелия. Во многом, они дублируют те закономерности, что мы видели у изотопов водорода, но есть и существенные отличия, обусловленные наличием второго протона, из-за которого, нейтроны в изотопах гелия становятся связаны более сильно, а реакции с вылетом нейтронов, у некоторых изотопов, аналогичных изотопам водорода — становятся нехарактерными (см. табл. 2). Итак, рассмотрим реакции распада изотопов гелия, чтобы увидеть, как влияет увеличение связанности нейтронов (т. е. добавление протона) на эти реакции. Итак, по порядку:

Гелий-3 и гелий-4 — стабильны, т. к. все нуклоны в них находятся на наиболее выгодном (базовом) уровне, и расположены в соответствии с правилом о выгоде наиболее близкого расположения кварков (т. е. граней) нуклонов; кроме того, гелий-4 является полностью замкнутой фигурой. Любой распад этих ядер т. о. — невыгоден.

Гелий-5 — уже быстро распадается (период полужизни — всего 7×10–22 сек). Этот изотоп — испускает нейтрон, превращаясь в стабильный гелий-4. Механизм распада, в целом — аналогичен распаду изотопа водорода-4, см. рис. 46. На рис. видно, что в этом процессе, один из нижних нейтронов — изменяет спин (т. е. переворачивается), и переходит в базовое положение, образуя альфа-частицу (кор), где кварки этого нейтрона более близко расположены к протонам и другому базовому нейтрону, что усиливает его связь с последними. Второй нижний нейтрон, при этом — становится слабосвязанным (ядру он невыгоден из-за отсутствия сил спаривания). Поэтому этот лишний нейтрон — вылетает (так же переходя на низший (базовый) энергоуровень, но уже вне ядра, т. е. в свободное состояние).



Рис. 46


В следующем изотопе, гелии 6, нейтронам — некуда переворачиваться: более выгодные (базовые) положения в ядре — уже заняты другими нейтронами. В то же время, переход обоих нейтронов в базовое состояние вне ядра — в отличие от изотопа водорода-5, становится уже невыгоден (из-за наличия дополнительного протона). Кроме того, если один из нейтронов распадётся на протон, то получится стабильное ядро лития 6, что энергетически выгодно (о чём, подробнее — позже), и наблюдается в большинстве (99,99 %) распадов гелия-6, см. рис. 47. Поэтому, этому изотопу — приходится ждать, пока один из его гало-нейтронов не распадётся на протон, электрон и антинейтрино (b распад). Время распада, вследствие этого, оказывается огромно, по сравнению с ядром водорода-5: так, гелий-6 — существует около секунды (806,9 мс), а водород-5 — лишь примерно (более) 9,1×10–22 сек. Также, это время жизни примерно в миллиард миллионов миллионов раз длиннее, чем у гелия-5 (7×10–22 сек), в котором, для распада, достаточно перехода нейтрона из более высокоэнергетичного положения в базовое, которое в этом ядре свободно (после чего, другой нейтрон, легко переходит в базовое положение вне ядра).



Рис. 47


Далее: В ничтожных 1,7×10–4 % случаев, b распад гелия 6 может приводить не к литию-6, а к двум осколкам — гелию-4 и дейтерию. Это можно представить через промежуточную («виртуальную») стадию на рис. 48. При этом, нужно учесть, что значимая часть энергии b распада тут передаётся, в конечном итоге, не электрону и антинейтрино, а осколкам — ядру дейтерия и гелия-4, благодаря чему и возможен такой канал распада (в то время как сам литий-6, который угадывается, хотя и в возбуждённом, а не основном состоянии, в «виртуальной» стадии — в своём обычном (основном) состоянии, как известно и уже говорилось — стабилен).



Рис. 48


Далее: Гелий-7 (похожий по строению на водород-6, и тоже содержащий тринейтрон) — имеет время жизни 3,1×10–21 сек, т. е. немного выше, чем у гелия-5, несмотря на свою более высокую нейтроноизбыточность (это одно из проявлений т. н. гелиевой аномалии, уже объяснявшейся для случая водорода-6 / гелия-7 — ранее).

Распад гелия-7, несмотря на сходство этого ядра с изотопом водорода-6, происходит не с вылетом трёх нейтронов: Гелий-7 — распадается с вылетом только одного нейтрона, т. к. связь нейтронов в гелии-7 — выше, чем в водороде 6, и вылет сразу трёх нейтронов — невыгоден. Механизм реакции распада ядра гелия-7 — показан на рис. 49. Как видно, один из нижних нейтронов, тут — переворачивается, занимая конфигурацию в образующейся т. о. альфа-частице (= сердцевине будущего гелия-6); при этом, самый верхний нейтрон в тринейтроне — становится несвязанным (т. к. присоединён к гало-нейтрону), и переходит (минуя сразу два энергоуровня), в базовое состояние вне ядра (т. е. вылетает, унося энергию распада, в виде импульса).



Рис. 49


Далее: Следующий изотоп, гелий-8, по реакции распада и времени полужизни, в целом — схож с гелием-6 (см. табл. 2). По структуре, от гелия-6, это ядро отличается, как уже рассматривалось, лишь тем, что содержит не два, а 4 гало-нейтрона. Любой из этих гало-нейтронов — может превратиться в протон, поэтому время жизни гелия-8 (119,1 мс) — несколько меньше, чем у гелия-6 (806,9 мс).

В большинстве (83%) случаев реакции распада гелия-8, из-за превращения (b распада) одного из гало-нейтронов в протон — образуется изотоп литий-8. Возможные «виртуальные» стадии этого превращения — показаны на рис. 50.



Рис. 50


В 16,1% случаев, b распад гелия-8 сопровождается вылетом нейтрона, что можно объяснить через промежуточные (возбуждённые / «виртуальные») состояния [12], как наглядно показано — на рис. 51. Как видно, в этом канале распада, продуктами являются стабильное ядро лития-7, и свободный нейтрон.



Рис. 51


В 0,9% случаев, распад идёт до гелия-5 и трития, а это — как раз компоненты, которые можно видеть (в виде относительно самостоятельных частей (кластеров)), в наглядной структуре ядра лития-8 (в который гелий-8 превращается, как уже говорилось, в 83% случаев). В данном же случае, (образующееся) ядро лития-8 — не успело передать, в полной мере, лишний импульс (энергию) b распада электрону и нейтрино, и оказалось в некотором высоковозбуждённом состоянии, которое имеет достаточную энергию, чтобы перейти в базовое состояние не обычным путём (через испускание гамма-кванта), а через распад с образованием двух осколков — ядер гелия-5 и трития [12]. Упрощённо, можно представить, что лишняя энергия раскалывает ядро 8Li (в основном состоянии) — на две и так бывшие относительно самостоятельными, части.

Далее: Следующие изотопы, гелий-9 и гелий-10, существуют за счёт того, что содержат незаполненные участки в базовом энергетическом уровне ядра. Поэтому распад этих ядер — происходит, подобно гелию-5 и -7 — через посредство перехода одного или двух нейтронов, на более низкий энергетический уровень в ядре (тут — базовый энергоуровень), с образованием альфа-частицы в центре ядра (т. е. с образованием кора). Эта переконфигурация нуклонов — естественным образом, приводит к одному или двум лишним, несвязанным нейтронам, переходящим в базовые состояния уже путём вылета из ядра, см. рис. 52.



Рис. 52


В целом, механизм распада изотопов гелия-9 и -10 — аналогичен таковому у гелия-5 и гелия-7. Время жизни гелия-9 (8×10–21 сек) и гелия-10 (3,1×10–21 сек) — поэтому крайне похоже на времена жизни гелия-5 (7×10–22 сек) и гелия-7 (3,1×10–21 сек).

Итак, мы рассмотрели распады всех нестабильных изотопов гелия. В сумме с предыдущими главами, мы рассмотрели т. о. распады радиоактивных ядер среди первых 15-ти изотопов таблицы Менделеева. Как видно, всё может объясняться из наглядной геометрии ядер (для полного объяснения — необходимо разобрать ещё выгоду конфигураций изотопов лития-6, -7 и -8, являющихся продуктами реакций распада гелия-6 и -8; об этих ядрах, подробнее — несколько позже).

В целом, вместе с предыдущими главами, мы рассмотрели весь первый ряд таблицы Менделеева. На примере изотопов наиболее простых элементов, водорода и гелия — мы увидели причины различных свойств ядер, включая объяснения величин спинов ядер, числа изотопов у элементов, существования нейтронных гало, времён полужизни ядер (либо их стабильности), и путей распада.

Далее, можно рассмотреть и более сложные изотопы, принадлежащие уже элементам второго ряда таблицы Менделеева. Но прежде — обратимся, подробнее, к рассмотрению вопроса о природе ядерных взаимодействий (= сильных (мезонных) полей), с учётом полученных знаний о структуре ядер водорода и гелия.

Роль мезонов в ядерных взаимодействиях

На неклассическом этапе, известно, что взаимодействия нуклонов внутри ядра, осуществляются путём обмена квантами сильного (ядерного) поля — мезонами. Но как уточняется роль мезонов в связывании нуклонов с т. зр. постнеклассических представлений, и где их место в ядре (наглядно)? Рассмотрим это:

Для начала, вспомним строение мезонов — см. рис. 53. Теперь определим место, которое занимают мезоны в наглядно изображаемом ядре, например, гелии-4 (альфа-частице) — см. рис. 54. Из рис. видно, что мезоны — естественным образом, помещаются в «разломе», отделяющем протон от нейтрона, как будто этот разлом — специально создан для мезонов. (Вернее, как будет позже показано, существование этого разлома — причина существования мезонов (и сильного (т. е. ядерного) взаимодействия)).



Рис. 53



Рис. 54


Итак, теперь мезонное (= ядерное) поле — можно представить т. о. наглядно, т. е. на более глубоком уровне.

Далее: Известно, что спин пи-мезонов равен нулю. Попробуем определить спин мезонов, каким он является, по отношению к протонам и нейтронам, на рис. 55. На рис. видно, что мезоны — не развёрнуты ни вверх, ни вниз, т. е. располагаются, одновременно — и над, и под плоскостью, делящей ядро на верхнюю и нижнюю части. Т. о. спин мезонов не может быть ни положительным, ни отрицательным (в отличие от спинов нейтронов и протонов). Этому соответствует только спин 0. Итак, теперь мы можем видеть наглядно и причину нулевого спина мезонов, по отношению к положительным и отрицательным полуцелым спинам нуклонов: в дополнение к объяснению спина 0 через взаимопротивоположные спины кварка и антикварка в мезоне, спин 0 объясняется самой ориентацией мезона в ядре (рис. 55).



Рис. 55


Дальнейшее рассмотрение ядерных полей — пока отложим.

Строение ядер изотопов второго ряда таблицы Менделеева

Помимо повторения закономерностей, выясненных ранее — у некоторых изотопов элементов второго ряда таблицы Менделеева, возникают свойства, не встречавшиеся у изотопов водорода и гелия (например, наличие гало-протонов). В целом, рассмотрение устройства ядер второго ряда таблицы Менделеева — позволит лучше убедиться в действии как выясненных закономерностей, так и дополнить их новыми (или, вернее, теми же, но применёнными к более тяжёлым ядрам).

Сложность в построении (вернее, определении конфигураций) ядер элементов второго ряда таблицы Менделеева, и всех более тяжёлых ядер — заключается, прежде всего, в необходимости соединять большее число нуклонов, что даёт множество конфигураций, из которых нужно выбирать правильную (вернее, основное, = невозбуждённое состояние ядра, являющееся наиболее выгодной из этих конфигураций), что требует учёта всех правил, и внимательности.

Конечно, мы не будем тут рассматривать абсолютно каждый изотоп у каждого из элементов второго ряда таблицы Менделеева, т. к. общее число этих изотопов — составляет более сотни. Все изотопы — строятся по аналогии, и так или иначе, с использованием рассмотренных ранее, правил. Мы рассмотрим лишь наиболее показательные и важные, для понимания строения ядер, изотопы во втором ряду таблицы Менделеева, в т. ч. изотопы (ядра) с различными новыми свойствами.

Однако изотопы первого элемента второго ряда таблицы Менделеева, лития — пожалуй, стоит рассмотреть все (их всего 10 (т. е. на 2 больше, чем у гелия, и на 3 больше, чем у водорода)). Вместе со строением ядер, мы будем, одновременно, объяснять и особенности радиоактивных распадов этих ядер, причины имеющихся времён полужизни (либо стабильности), и других их свойств.

Строение ядер изотопов лития

Первый элемент, следующий после водорода и гелия — литий, см. табл. 3. Изотопы лития, по сравнению с изотопами водорода и гелия — это уже более сложные ядра, т. к. с них начинается второй ряд таблицы Менделеева, и на их примере — можно говорить о рассмотрении и более тяжёлых ядер. Изотопы лития (так же как и изотопы всех более тяжёлых элементов) — подразделяются на три группы:

1) протоноизбыточные ядра (для лития — это литий-4 и литий-5, распадающиеся с вылетом протонов);

2) стабильные изотопы (литий-6 и литий-7);

3) нейтроноизбыточные ядра (изотопы от лития-8 до лития-13, распадающиеся путём b распада или/и с вылетом нейтрона(ов), см. табл. 4).


Таблица 3

1-й и 2-й ряды таблицы Менделеева



Таблица 4 [8]

Изотопы лития



Примечание: m, n — ядерные изомеры


Итак, начнём с рассмотрения легчайшего изотопа лития — лития-4. Это — нестабильный (протоноизбыточный) изотоп, спин которого равен 2. Его строение, объясняющее это значение спина — показано на рис. 56. Видно, что все нуклоны в этом ядре — находятся по одну сторону от плоскости, делившей ядра водорода и гелия на верхнюю и нижнюю части. Также видно, что два протона в ядре лития-4 — находятся на более высоком энергетическом уровне, в то время как место для протона на базовом энергоуровне — пустует. Причина выгоды именно такой конфигурации — заключается в том, что (боковые) протоны — тянут кварковую плотность нейтрона частично в одну сторону, по отношению к (базовому) протону, в отличие от конфигураций, представленных (в сравнении с данной), на рис. 57.



Рис. 56



Рис. 57. Обычная, и примеры неправильных конфигураций лития-4, вид сбоку (схематично)


Вообще, стоит обратить внимание, что литий-4 может существовать — только как такая, как бы возбуждённая конфигурация, т. е. с отсутствием протона в базовом положении. Построить конфигурацию лития-4, которая была бы сколь-нибудь выгодна нуклонам — можно только одну, и именно она имеет спин 2. Все другие конфигурации — имеют меньший спин (в них, как уже было показано, протоны тянут кварковую плотность нейтрона в противоположные стороны, и не могут т. о. образовать ядер, как (в той или иной степени) выгодных объединений нуклонов).

Нейтрон, в правильной конфигурации лития-4 — находится как бы в центре ядра. А сама выгода этого ядра — не только в притяжении нейтрона протонами, но и в утяжелении нейтрона боковыми протонами, что снижает квантовую неопределённость положения нейтрона, увеличивая его связанность с базовым протоном.

Литий-4 — распадается из-за перехода одного из боковых протонов на более низкий (базовый) энергетический уровень, который тут свободен. При этом, второй боковой протон — становится излишним (т. к. тянет кварковую плотность противоположно появившемуся нижнему протону), и поэтому вылетает (тоже переходя в базовое положение, но вне ядра), см. рис. 58.



Рис. 58


Т. к. в целом, распад лития-4 осуществляется за счёт перехода протонов между энергоуровнями (а не через распад нуклона, например), то реакция идёт за характерное время жизни подобных ядер (изотопов), или т. н. несвязанных атомных ядер (= состояний, распадающихся посредством испускания нуклонов (протонов или нейтронов)), поэтому время полураспада лития-4 — всего 91×10–24 сек.

Далее, переходим к строению ядра изотопа лития-5, конфигурация которого очень близка к литию-4, а спин равен 3/2, см. рис. 59. Механизм распада этого ядра — точно такой же, как у лития-4, поэтому и время жизни — почти такое же, хотя и чуть большее: 370×10–24 сек. То, что время жизни лития-5 — чуть больше, чем у лития-4 — объясняется тем, что боковые протоны менее охотно покидают своё положение, т. к. там они притягивают ещё и нижний нейтрон (см. на рис. 59), которого не было у лития-4. Причём тянут они его в одинаковую сторону, при этом увеличивая связь этого нейтрона и с базовым протоном.



Рис. 59


В построении конфигураций лития-4 и -5 — ярко проявлено правило замыкания максимальной области пространства (определявшее, в частности, распад трития до гелия-3): расположение граней нуклонов тут таково, что они пытаются приблизить форму ядра к шару, или красивому кристаллу. Вообще, ядра, геометрически — похожи на кристаллы, что служит, в некотором роде, отражением кристаллического (= упорядоченного) строения среды вакуума. Варианты конфигураций изотопов, не отвечающие этому правилу, и не имеющие иных (более значимых) выгод — не реализуются / реализуются лишь как возбуждённые состояния, см. примеры на рис. 60.



Рис. 60


Также стоит обратить внимание, что распад ядра — инициируется движением нуклонов, т. е. что нуклоны в ядре — не являются застывшими, но подвергаются (как минимум, «виртуальным») движениям. Сейчас мы видим ядра как кристаллы, но это — и динамичные образования (обладающие волновой природой).

Но продолжим рассмотрение изотопов лития:

Устройство стабильных изотопов лития — лития-6 и лития-7 (уже упоминавшихся ранее) — см. на рис. 61. В данных ядрах, верхний боковой протон — тянет один или два нижних нейтрона к себе, одновременно увеличивая их связь с остальными (базовыми) протонами ядра. Это оказывается выгодно для всего ядра. Поэтому нижние нейтроны в данных конфигурациях — стабилизируются (даже распад этих нейтронов — оказывается невыгодным, а связь — достаточно крепка, так что они уже не являются гало-нейтронами).



Рис. 61


Можно взглянуть на эти ядра и так: литий-6 — как бы состоит из альфа-частицы (в центре), в соединении с ядром дейтерия, но расколовшимся на верхний протон и нижний нейтрон, слившись т. о. с альфа-частицей в единое ядро. Сумма смещений кварковой плотности в образовавшемся ядре — делает силу связи нуклонов в нём более высокой, чем просто сумма связей нуклонов в альфа частице и дейтерии по отдельности, см. рис. 62. Т. о. образование ядра лития-6 — выгоднее, чем существование альфа-частицы и ядра дейтерия отдельно друг от друга.



Рис. 62


Литий-6, в отличие от лития-7 — имеет место для ещё одного (бокового) нейтрона, чем объясняется (на несколько порядков) более высокая, по сравнению с литием-7, способность этого изотопа поглощать (тепловые) нейтроны [14]. Литий-7 — представляет синтез в едином ядре — альфа-частицы и ядра трития, хотя тритий — также разделился на два нейтрона и протон, расположившиеся по разные стороны от плоскости симметрии ядра (см. рис. 61).

Обратим, ещё раз, внимание, что нейтроны, в том же положении, что и в литии-6 и -7 (нижние боковые нейтроны), в водороде-5 и -7 — могли улететь (распад с вылетом нейтронов), а в гелии-6 и -8 — были связаны сильнее, но могли распасться (b распад). В литии-6 и -7 же, нейтроны в этих положениях — связаны настолько сильно, что даже их распад, как уже отмечалось — становится запрещённым (невыгодным). На этом примере — наглядно виден быстрый рост силы связи нейтронов в ядре, с увеличением числа протонов (аналогично — и для случая протонов (вылетающих при распаде лития-4 и -5, но связанных в литии-6 и далее)).

Рост связи нуклонов в целом (и протонов, и нейтронов) — у последующих ядер элементов, постепенно становится более медленным, а после ядра (изотопа) никеля-62 (элемент 4-го ряда таблицы Менделеева, о котором — позже), сила связи нуклонов — постепенно снижается. Поэтому образование элементов более тяжёлых, чем никель, как известно — не даёт энергии, а наоборот, поглощает энергию. До никеля же — т. к. энергия связи нуклонов в ядре растёт с увеличением числа нуклонов, реакции идут с выделением энергии. Причём наибольшее выделение энергии (в расчёте на нуклон) даёт как раз образование ядер элементов в самом начале таблицы Менделеева (в особенности, как уже говорилось, изотопа 4He).

Далее: В структуре обоих стабильных ядер, лития-6 и лития-7 — виден кор, в виде альфа-частицы, а значит, нижний энергоуровень (т. н. базовый, или нулевой) — тут заполнен, в отличие от ядер лития-4 и -5, не имевших кора (что впрочем, давало им некоторую выгоду). Спин ядра лития-6 (1) и лития-7 (3/2) — наглядно виден из уже рассмотренных конфигураций этих ядер (рис. 61).

Далее: После стабильных изотопов лития-6 и -7 — начинаются нестабильные, нейтроноизбыточные изотопы, среди которых мы в т. ч. впервые встретим и разберём такое состояние ядра как: ядерные изомеры (имеющиеся у изотопа литий-10). Но обо всём по порядку:

Первый нестабильный, нейтронизбыточный изотоп лития, литий-8 (уже упоминавшийся ранее) — имеет спин 2, и устроен, как показано на рис. 63. Выгоду образования именно такой конфигурации — можно усмотреть в наличии тринейтрона (выгода которого — аналогична уже рассматривавшейся на примере водорода-6). Кроме того, в пользу наличия тринейтрона в литии-8, свидетельствует то, что ядра предыдущих элементов, содержащие тринейтрон — образуют закономерный ряд, ведущий к литию-8, это: водород-6 — гелий-7 — литий-8.



Рис. 63


При этом, добавление двух протонов, при переходе от водорода-6 к гелию-7, и далее — к литию-8, значительно увеличивает связь нейтронов в ядре. Поэтому литий-8 — не может распасться с вылетом трёх нейтронов, как водород-6, или одного нейтрона, как гелий-7. Нейтрон в литии-8 может претерпеть только b распад, что является относительно медленным процессом. Поэтому время жизни этого ядра возрастает на порядки (839,4 мс), по сравнению с водородом-6 (2,9×10–22 сек) и гелием-7 (3,1×10–21 сек). (Подобное большое различие во временах жизни — ранее было видно на примере сравнения изотопа водорода-5 (>9,1×10–22 сек), с гелием-6 (806,9 мс): там тоже скачок во времени жизни был обусловлен добавленным протоном, увеличивающим энергию связи нейтронов настолько, что она становится превышающей выгоду от перехода нейтрона в свободное состояние).

В литии-8, отсутствие нейтрона на базовом энергоуровне — впервые становится стабильным, т. е. переход нейтрона из более высокого энергоуровня невыгоден (т. к. разрушает выгоду от тринейтрона, при этом, не приводя к вылету нуклона (нейтрона)). Однако, как уже говорилось, это не запрещает одному из нейтронов претерпевать b распад, поэтому литий 8 в целом оказывается нестабильным.

Ещё одна выгода представленной конфигурации лития-8 — в том, что протон связан с двумя нейтронами сверху — в структуру, аналогичную ядру трития, и сила связи нуклонов в этом кластере трития — высока, как и в обычном тритии (хотя для этого, протон и вынужден находиться тут в более высоком энергетическом положении (см. на рис. 63)).

Далее — идёт литий-9, имеющий спин 3/2, и время полужизни 178,3 мс, что очень близко к времени полураспада лития-8 (839,4 мс). Вероятная структура лития-9 — так же может быть близка к литию-8, см. рис. 64. В этой структуре — сохранён механизм водорода-6, что делает её схожей с литием-8, но ценой расположения добавляемого нейтрона не на базовом, а на более высоком энергоуровне.



Рис. 64


Распад лития-9 идёт путём распада одного из нейтронов (b распад, аналогично распаду лития-8). Но в 50,8% случаев, при распаде лития-9, дополнительно вылетает нейтрон, что объясняется возможностью передачи части энергии распада — нуклону (нейтрону), связанному относительно слабо, и находящемуся на более высоком энергетическом уровне (в литии-9 — это, очевидно, нейтрон, добавленный последним). Его относительно слабая связь, и расположение на высоком энергоуровне — повышают выгоду (возможность) его перехода в базовое состояние вне ядра (т. е. вероятность вылета нейтрона), в процессе распада ядра. Но ход этому — может дать только b распад (другого) нейтрона.

Далее, мы подошли к литию-10 — изотопу, имеющему два изомера (с явлением изомерии мы встречаемся впервые). Изомер — это возбуждённая конфигурация ядра, переход из которой в основное состояние, по тем или иным причинам, затруднён (что приводит к повышенному времени жизни). Обычно, конфигурация изомера — весьма выгодна, и переход из неё в основное состояние — происходит через ряд менее выгодных состояний. Поэтому ядро может задерживаться в такой возбуждённой конфигурации, которая и называется изомером.

Изомеры некоторых ядер — могут существовать минуты, и даже годы (в т. ч. иногда дольше основного состояния) [8]. В случае лития-10, имеющего период полужизни всего 2,0×10–21 сек, время жизни его (предполагаемых, из наблюдений) ядерных изомеров — 3,7×10–21 сек и 1,35×10–21 сек, невелико, но всё же выше времени существования основного состояния (для второго изомера — хотя бы в пределах погрешности измерений [8]), поэтому данные возбуждённые состояния лития-10 — рассматриваются как изомеры.

Вероятная конфигурация ядра лития-10 в основном состоянии (со спином 1), и конфигурация, претендующая на роль его наиболее долгоживущего (явного) изомера (также со спином 1), — показаны на рис. 65. В конфигурации основного состояния на рис., нейтроны располагаются на ещё более высоком энергоуровне, чем когда-либо прежде; при этом, один из нейтронов на этом энергоуровне, будет иметь положительный спин, несмотря на свою перевёрнутость (причины этого — ещё будут рассмотрены, позже).



Рис. 65


Далее: Причиной распада ядра лития-10 (в предполагаемом основном состоянии, со спином 1) — служит переход одного из высокоэнергетичных нейтронов, на более низкий, свободный энергоуровень, в результате чего, соседний нейтрон обретает возможность перейти на базовый энергоуровень вне ядра (ранее он не имел такой возможности, т. к. образовалась бы дырка в ядре), см. рис. 66. Вылетая, нейтрон — уносит с собой лишнюю энергию (ранее затраченную на образование ядра лития-10 (синтез этого ядра — требует поглощения энергии)). То, что литий-10 распадается через вылет нейтрона, а не посредством b распада, и имеет крайне малое время жизни — объясняется представленной структурой ядра — наличием свободного энергоуровня (с отсутствием кластера трития), в отличие от ядер лития-8, -9 и -11 (о последнем — далее), распадающихся путём b распада (см. табл. 4).



Рис. 66


Следующий изотоп, литий-11 — имеет гало из двух нейтронов, из-за наличия которого, радиус этого ядра — оказывается столь велик, что сравним с таковым для ядра изотопа гораздо более тяжёлого элемента, свинца-208 [15], т. е. изотопа 82-го элемента таблицы Менделеева.

Наличие двух гало-нейтронов, и b распад лития-11, позволяют требовать от структуры ядра лития-11, чтобы как минимум, два нейтрона в нём — были развёрнутыми наружу, а энергоуровень, бывший свободным в литии-10 — был занят. Этому как раз соответствует структура ядра, представленная на рис. 67. (В подтверждение такой конфигурации ядра лития-11, можно привести и в целом аналогичную структуру аналогичного изотопа следующего элемента, бериллия-14, имеющего четыре гало-нейтрона [16], см. рис. 68).



Рис. 67



Рис. 68


Как и в литии-10, в ядрах лития-11 и бериллия-14, имеется более высокий энергетический уровень, на котором, у последних — расположились гало-нейтроны. Спины нуклонов на этом энергоуровне, как уже говорилось, могут иметь особенности. Чтобы разобраться в них, представим, забегая вперёд, изотоп углерода-8, см. рис. 69. В этом ядре, три протона имеют положительный спин, а три — отрицательный. Теперь возьмём литий-11, и заменим гало-нейтроны на протоны в этом же положении, и попробуем предположить их спин, см. рис. 70. Как показано на рис., из аналогии с углеродом-8, т. к. три протона — имеют положительный спин, то четвёртый протон — может определяться уже как имеющий отрицательный спин (на рис., он и выглядит перевёрнутым). Теперь вернём, на место протонов, гало-нейтроны, и т. о. увидим, что эти нейтроны, находящиеся на том же энергоуровне, что протоны — тоже могут иметь взаимно противоположные спины. Если эти положения верны, то спин лития-11, равный 3/2 — т. о. легко объясняется.



Рис. 69



Рис. 70


Рассмотрим каналы распада лития-11 (табл. 4). Как видно из табл., литий-11 претерпевает b распад, что говорит о достаточной связи (выгоде) всех нейтронов в ядре, и занятости более низких энергоуровней (кроме свободного положения в базовом энергоуровне, необходимого для механизма водорода-6), что как раз соответствует уже рассмотренной структуре лития-11 (рис. 67). В 86,3% случаев, b распад сопровождается вылетом нейтрона, что так же легко объяснимо этой структурой, т. к. она схожа с литием-9, в котором преобладает такой же канал распада.

Как и в литии-9, в литии-11 возможен и чистый b распад, без дополнительного вылета нейтронов (что также может объясняться сходством структур).

Наличие двух дополнительных нейтронов в литии-11, с учётом их весьма слабой связи (гало-нейтроны) — добавляет возможность ещё нескольких, хотя и редких, путей b распада — с эмиссией двух нейтронов (4,1%), и трёх нейтронов (1,9%).

Ещё более редкие пути распада (с вылетом ядра дейтерия, и т. п. (табл. 4)) — опускаем.

Далее — следует малоизученный изотоп литий-12 (о времени жизни этого изотопа известно лишь, что оно меньше 10 нс), распадающийся через вылет нейтрона. Вероятная структура этого ядра — показана на рис. 71. Возможность этой структуры, т. е. связанность нейтронов в ней — подтверждается существованием изотопа бериллия-16 (последний изотоп бериллия, имеющий время полужизни 6,5×10–22 сек, и распадающийся путём вылета двух нейтронов) [8], структура которого — представляется аналогичной, см. рис. 72. Очевидно, что распад лития-12 и бериллия-16, исходя из представленных конфигураций — должен быть аналогичен, по механизму, распаду лития-10, что объясняет известный / наблюдаемый вылет одного / двух нейтронов.



Рис. 71



Рис. 72


Далее: Литий-13 — последний изотоп лития. Как и литий-12 — он малоизучен (спин этого ядра — напрямую неизвестен). Структуру ядра лития-13 (возможное основное состояние), можно получить, добавив нейтрон в вакантное место, имеющееся в литии-12 (и бывшее заполненным в ядре гелия-10 и изомере лития-10), см. рис. 73. Как видно, все, наиболее низкие и выгодные места для нейтронов, в этом ядре — заполнены, и добавлять нейтроны, в общем, больше некуда, поэтому неудивительно, что пока — это последний известный изотоп лития.



Рис. 73


Итак, мы рассмотрели структуру и объяснения свойств ядер всех 10 изотопов элемента лития. Вместе с ядрами водорода и гелия, мы т. о. прошлись по 25 первым изотопам таблицы Менделеева, с т. зр. их наглядного внутреннего строения, объясняющего их различные свойства. Это — уже много значит, для дальнейшего построения ядер более тяжёлых элементов по аналогии (по выявленным правилам (закономерностям), но применяемым к новым и сложным ядрам).

На примере первых 25 изотопов таблицы Менделеева, мы рассмотрели причины различий величин спинов ядер, их времён полужизни, числа изотопов у элементов, причины различных каналов распада и их соотношения, наличия ядерных изомеров и гало-нейтронов. Упрощая, можно сказать, что мы рассмотрели примерно половину, из числа того основного, что требуется для представления о ядерном уровне вещества. Но идём далее:

Строение протонизбыточных изотопов второго ряда таблицы Менделеева

В данной главе, мы рассмотрим строение самых первых изотопов у каждого из элементов второго ряда таблицы Менделеева. Нам предстоит выяснить, почему изотопы этих элементов (от лития до неона, см. табл. 3) — начинаются именно с тех протонизбыточных изотопов, с которых начинаются, например, почему первый изотоп углерода — углерод-8, и почему нет углерода-7, и т. п. На постнеклассическом этапе, всё это — можно увидеть из наглядной геометрии, т. е. непосредственно, в отличие от неклассической ненаглядности объектов микромира. Итак, начнём:

Мы уже рассматривали строение протонизбыточных изотопов лития (лития-4 и -5), и объясняли их свойства, в т. ч. распады, поэтому переходим сразу же к первому известному протонизбыточному изотопу следующего элемента — бериллию-6, свойства которого — представлены в табл. 5. Внутреннее устройство ядра бериллия-6 — показано на рис. 74. На рис. видно, что боковые протоны в бериллии-6 — располагаются по разные стороны от плоскости симметрии ядра (суммарный спин ядра — 0), и т. о. способны уравновешивать смещение кварковой плотности, производимое друг другом (напомним, что (кварковая) плотность тут — лишь условное понятие, применяющееся из соображений удобства, а не реальная плотность, т. к. элементарные частицы — бесплотны).


Таблица 5 [8]

Протоноизбыточные изотопы бериллия





Рис. 74


Представим, что было бы, если бы боковые протоны расположились по одну сторону ядра (спин 1), как на рис. 75. Как видно на рис., в этом случае, боковые протоны тянули бы кварковую плотность нижнего нейтрона — в противоположную сторону от нижнего базового протона. Т. о. они уменьшали бы связь базовых нейтрона и протона, что невыгодно. В случае же симметричного расположения, боковые протоны уравновешивают смещение кварковой плотности, и уже поэтому выгодна именно конфигурация со спином 0 (на рис. 74).



Рис. 75


Распад бериллия 6 с вылетом двух протонов — есть результат перехода боковых протонов на базовый энергоуровень вне ядра (т. к. внутри ядра, все базовые положения уже заняты). Можно представить, что вылет именно двух протонов (в отличие от распада лития-4 и -5, где испускался только один протон) — имеет причиной невыгодность образования, в промежуточной стадии, конфигурации лития-5, показанной на рис. 76. В этой конфигурации, боковой протон уменьшает связь нижнего нейтрона с нижним (базовым) протоном. А именно такая (невыгодная) конфигурация начинает образовываться, как только один из боковых протонов собирается покинуть ядро бериллия-6. Поэтому, чтобы избежать этой невыгодной конфигурации, второй боковой протон — должен вылетать вместе с первым (одновременно), что объясняет канал распада бериллия 6, через вылет двух протонов (табл. 5).



Рис. 76


Структура следующего протонизбыточного изотопа, бериллия-7, имеющего спин 3/2 — показана на рис. 77. Этот изотоп — почти стабилен, и как видно, является аналогом лития-7 (если поменять протоны на нейтроны, в боковом положении). Подобные ядра разных элементов, имеющие одинаковое число нуклонов, а число нейтронов — равным числу протонов у другого изотопа, и наоборот — называют зеркальными ядрами; свойства таких ядер — оказываются схожи (особенно, спектры возбуждённых состояний, а также спины и времена жизни): Так, бериллий-7, как и литий-7 — имеет спин 3/2. По времени жизни, бериллий-7 (53,22 сут.) — также не очень далёк от лития-7 (стабильного изотопа), причём на самом деле, стабильность бериллия-7 — ещё ближе к литию-7, по следующей причине: бериллий-7 — претерпевает распад путём электронного захвата (протон, захватывая электрон из электронной оболочки атома, превращается в нейтрон, испуская нейтрино). Электронный захват — претерпевают ядра, не способные к вылету протона или b+ распаду (о последнем — позже), т. е. почти стабильные ядра. В случае бериллия-7, период полужизни — не очень высок (53,22 суток), но в отсутствие электронной оболочки (в состоянии иона), это ядро было бы полностью стабильным [17] (т. е. аналогичным зеркальному изотопу, литию-7).



Рис. 77


У следующего протонизбыточного изотопа, бериллия-8 — период полураспада резко падает, и составляет всего 8,19×10–17 сек. В природе — не существует стабильных или близких к стабильности, изотопов, с массовым числом (т. е. числом нуклонов) 8, и бериллий-8 — не исключение. Причину этого — можно видеть в наглядной геометрии ядра, что становится возможно лишь на постнеклассическом этапе:

Для ядра бериллия 8, геометрически невозможно построить конфигурацию, которая была бы выгодной, в отношении связывания протонов и нейтронов, по сравнению с двумя свободными альфа-частицами, на которые бериллий-8 распадается. Наиболее вероятный вариант основного состояния бериллия-8 — показан на рис. 78. Этот вариант соответствует требованию симметричности, которое исходит из того, что ядра с чётным числом протонов и нейтронов (т. н. чётно-чётные ядра), во всей таблице Менделеева — имеют спин 0, самое простое объяснение чему — симметричное устройство этих ядер (т. е. зеркальная симметрия между верхней и нижней частью ядра).



Рис. 78


В данном случае, в симметричном строении ядра бериллия-8 — неизбежно наличие кластеров дейтерия. А как известно, связь протона и нейтрона в дейтерии — является наиболее слабой (по сравнению с альфа-частицей, тритием и гелием-3, в т. ч. как кластерами), см. табл. 6. Поэтому протоны в кластерах дейтерия, в бериллии-8 — довольно слабо связаны с нейтронами (хотя эта связь и несколько усиливается спаренностью нейтронов, т. о. связывая один боковой нейтрон, протон связывается и со спаренным нейтроном). С нейтронами же в базовом положении (= нейтронами альфа-частицы, или кора) — эти протоны уже почти не связаны. При этом, находясь на высоком энергоуровне, эти (боковые) протоны, в условиях достаточно слабой связанности с нейтронами — оказываются в состоянии перейти на базовый энергоуровень вне ядра, в случае которого, они захватывают и боковые нейтроны, с образованием т. о. ещё одной альфа-частицы (вне ядра). Ядро бериллия-8 — действительно, распадается путём раскола на две альфа-частицы (вернее, бериллий-8 — испускает альфа-частицу, превращаясь в альфа-частицу, что является примером альфа-распада (с ним — мы сталкиваемся впервые)).


Таблица 6 [18]

Энергии связи ядер дейтерия, трития, гелия-3 и гелия-4



Примечание: запятая тут — отделяет тысячи


На неклассическом этапе, ядро бериллия-8 — нередко пытались представить как систему из двух сильно взаимодействующих (связанных) альфа-частиц [19]. Постнеклассически же, наглядно видно, что до распада, ядро бериллия-8 — не состоит из двух альфа-частиц: вторая альфа-частица — образуется лишь в процессе распада.

Далее: Итак, мы рассмотрели особенности внутреннего устройства протонизбыточных изотопов бериллия, и познакомились с тремя новыми видами радиоактивных распадов (двухпротонный распад, электронный захват и альфа-распад). Переходя теперь к протоноизбыточным изотопам следующего элемента, бора — мы вскоре познакомимся ещё с одним видом радиоактивного распада (b+ распад), вместе с которым, перечень основных видов радиоактивных распадов, которые претерпевают атомные ядра в природе — уже практически исчерпывается.

Итак, рассмотрим строение протонизбыточных изотопов бора:

Наиболее вероятную конфигурацию первого известного изотопа бора, — бора-7, можно видеть на рис. 79. Так же как и в ядре лития-4, в ядре бора-7 — все нуклоны сосредоточены по одну сторону от плоскости симметрии ядра, что подтверждается, в частности, высоким значением спина бора-7 — 3/2 (хотя это значение спина, пока не установлено с достаточной достоверностью), см. табл. 7. Альтернативные конфигурации со спином 3/2 — отсутствуют. А в наиболее симметричной конфигурации (со спином 1/2), которая представлена на рис. 80 — содержится неуравновешенный боковой протон, что является невыгодным (т. к. он уменьшает связь базового протона с нейтроном), поэтому такая конфигурация — не образуется (или образуется как возбуждённое состояние). В конфигурации же со спином 3/2 (т. е. односторонней, показанной на рис. 79), протоны тянут кварковую плотность нейтронов, частично в одну сторону, что выгодно (и подобно ядру лития-4). Выгода образования конфигурации с таким, односторонним расположением нуклонов (механизм лития-4), встречается, помимо 7B, и в более тяжёлых ядрах (которые рассмотрим позже).



Рис. 79


Таблица 7 [8]

Протоноизбыточные изотопы бора





Рис. 80


Время жизни бора-7 (570×10–24 сек) и канал распада (вылет одного протона), также, в общем, аналогичны литию-4. (Распад обоих элементов, при этом, можно представить через «виртуальные» стадии, но не будем на том останавливаться).

Следующий протонизбыточный изотоп бора, бор-8 — даёт нам возможность, впервые познакомиться с явлением гало-протона [20]. Зная основы наглядных представлений о ядрах — несложно выяснить наглядную структуру бора-8, и увидеть гало-протон как неизбежное следствие геометрии, см. рис. 81.



Рис. 81


Как видно, гало-протон, в конфигурации ядра на рис. — это протон, находящийся в составе кластера дейтерия, нейтрон в котором — не спарен с другим нейтроном, что ещё больше снижает связь протона, которая и так слаба (связь нуклонов в кластере дейтерия, как уже отмечалось, гораздо слабее, по сравнению с кластерами трития, гелия-3 или альфа-кластером, поэтому, забегая вперёд, отметим, что ядра с дейтериевыми кластерами — явление крайне редкое (как увидим далее)). Т. е. везде, где это возможно, в ядрах формируются кластеры трития, гелия-3 или альфа кластеры, вместо дейтериевых (что значительно облегчает поиск (выбор) правильных конфигураций, для изотопов ядер элементов). Но в ядре бора 8, конфигурация с гало-протоном — реализуется за неимением лучших альтернатив, а именно: т. к. в верхней части ядра — нет места для третьего протона (учитывая, что протоны стремятся располагаться по одну, а нейтроны — по другую сторону ядра, что выгодно для ядер с нечётным числом протонов или/и нейтронов). Это объясняет и высокий спин ядра бора-8 (равный 2).

Заметим, что ядро бора-8 — оказывается аналогично, по структуре, ядру дейтерия (которое рассматривалось ранее). Действительно, ядро дейтерия — обладает аномально высоким радиусом, и также может быть отнесено к гало-ядрам, хотя тип гало (нейтронное или протонное), в нём — не уточняется [20] (т. к. в этом ядре — всего два нуклона). Только на постнеклассическом этапе, можно увидеть, что механизм существования дейтерия как гало-ядра — осуществляется по типу наличия гало-протона, а не гало-нейтрона.

Бор-8, как протоноизбыточный изотоп, претерпевает радиоактивный распад, а именно — b+ распад (с которым — встречаемся впервые). Связь протона в ядре бора-8 — немного выше, чем энергия его перехода в базовое состояние вне ядра, что делает распад с вылетом протона — невыгодным; т. о. возможны лишь такие каналы распада как электронный захват или b+ распад (которые — конкурируют друг с другом [8]). При b+ распаде, протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино. Как и b распад, b+ распад — процесс медленный (точнее, маловероятный), что объясняет резкое увеличение времени жизни бора-8 (770 мс), по сравнению с соседними изотопами бора (см. табл. 7).

Далее: Бор-9, по структуре — схож с бором-8, однако добавляемый нейтрон — связывает в нём гало-протон, так что он перестаёт быть гало-протоном, и становится прочно связанным в выгодном кластере трития, как показано на рис. 82.



Рис. 82


Причина расположения добавляемого нейтрона не на базовом энергоуровне, а на более высоком — очевидна из ряда причин: это и связывание с нижним протоном, как уже говорилось, превращающее кластер дейтерия в более выгодную, тритиевую структуру, и то, что отдаление кластера трития (из-за квантовой неопределённости положения), благодаря незанятости базового уровня — оказывается запрещено (иначе образуется дырка). (По тому же механизму, было запрещено и отдаление кластера дейтерия в боре-8, что давало некоторую выгоду). Благодаря этому, такие конфигурации ядер бора-8 и -9, наиболее выгодны.

Рассмотрим теперь, с каких изотопов начинается следующий элемент, углерод. Первым протонизбыточным изотопом углерода — является углерод-8, см. табл. 8. Структура его — уже упоминалась ранее, и показана на рис. 83. Как видно, ядро углерода-8 — представляет собой красивую, полностью замкнутую структуру. Забегая вперёд, скажем, что эта красота и замкнутость, обусловлена тем, что в углероде-8 — полностью заполнены первые два энергоуровня для нуклонов (т. е. базовый (= нулевой), и первый). (Энергоуровни в ядрах — будем рассматривать, подробнее, позже).


Таблица 8 [8]

Протоноизбыточные изотопы углерода





Рис. 83


Процесс распада углерода-8 — аналогичен распаду, близкого по строению, ядра бериллия-6 (о котором говорилось ранее), и тоже протекает с вылетом двух протонов (табл. 8). Неудивительно, что времена полужизни данных изотопов — также близки (углерод-8 — 3,5×10–21 сек, бериллий-6 — 5×10–21 сек).

Дальнейшие протонизбыточные изотопы углерода — не несут особой специфики и большого познавательного интереса, поэтому просто представим их вероятное строение, не вдаваясь в подробности, см. рис. 84. С учётом рассмотренных ранее правил и примеров, можно легко объяснить свойства этих изотопов, и обосновать выгоду образования именно таких конфигураций, какие представлены на рисунке (т. е. обосновать, что это — базовые, а не возбуждённые состояния данных изотопов).



Рис. 84


Переходим, далее, к протонизбыточным изотопам азота:

Азот-10, первый изотоп элемента азота (см. табл. 9) — легко увидеть из аналогии с начальными изотопами лития и бора, т. е. других элементов также с нечётным числом протонов: подобно литию-4 и бору-7, азот-10 — можно представить в конфигурации с нуклонами только по одну сторону от плоскости симметрии, см. рис. 85. Выгода этого (т. е. механизма лития-4), рассматривалась ранее.


Таблица 9 [8]

Протоноизбыточные изотопы азота





Рис. 85


Это может объяснить и спин ядра азота-10, равный 2 (хотя в табл. 9 он и заключён в скобки, т. к. ещё не подтверждён, окончательно, в экспериментах). Спин 2 — может показывать, что имеется взаимная противоположность спинов протонов, находящихся в ядре на высоком энергоуровне (о чём уже упоминалось ранее).

Далее: Азот-11 — можно конфигурировать множеством способов, приводящих к спину 1/2, который он имеет. Неудивительно, что у этого ядра существует и изомер, тоже со спином 1/2 (см. табл. 9). Показательно резкое различие времён жизни углерода-10 (19,306 сек) и отличающегося от него всего одним добавленным нуклоном (протоном), азота-11 (550×10–24 сек): видно, что протон, к углероду-10 — некуда добавлять (без переконфигурации ядра), поэтому образующаяся конфигурация азота-11, очевидно, будет сильно отличаться от углерода-10. Вероятная конфигурация основного состояния азота-11, и одна из конфигураций, претендующих на роль его изомера — показаны на рис. 86.



Рис. 86


Азот-12 — см. на рис. 87. Этот изотоп азота (как и изотопы более тяжёлых элементов) — строится уже без механизма водорода-6. Это можно обосновать тем, что рост числа нуклонов — постепенно снижает квантовую неопределённость положения боковых кластеров, а значит, выгоду от механизма водорода-6. Кроме того, увеличение связанности нейтронов в ядре, из-за роста числа протонов, тоже снижает квантовую неопределённость положения боковых кластеров и нейтронов, а значит, выгоду от механизма водорода-6. В итоге, становится выгоднее переход нейтрона в менее энергетичное (базовое) положение.



Рис. 87


Азот-13 — см. на рис. 88.



Рис. 88


Далее: Первым изотопом следующего элемента, кислорода — является кислород-12, см. табл. 10. Показательно, что неизвестно изотопа кислорода-10, что наглядно объясняется (геометрической) невозможностью добавления одного, а тем более двух протонов, к ядру углерода-8 (см. рис. 83).


Таблица 10 [8]

Протонизбыточные изотопы кислорода



Структура протонизбыточных изотопов кислорода — не несёт специфики, и может быть понята из уже рассмотренных изотопов более лёгких элементов: Так, кислород-12 — является аналогом азота-11, о чём свидетельствуют почти одинаковые времена полужизни этих изотопов (азот-11 — 550×10–24 сек, кислород-12 — > 630×10–23 сек). Сравнение их строения — показано на рис. 89.



Рис. 89


В обоих изотопах имеется спаривание нейтронов, в частности, в дейтериевых кластерах, и т. о. увеличение связанности протонов с этими нейтронами (подобно тому, как это имело место в бериллии-8). В кислороде-12 — протоны уравновешивают смещение кварковой плотности, производимое друг другом, что как уже говорилось ранее, выгодно, и может объяснять, почему этот изотоп живёт дольше, чем азот-11, несмотря на больший избыток протонов над нейтронами.

Кислород-13 — см. на рис. 90. В своей вероятной конфигурации, ядро кислорода-13, как видно, схоже по строению с азотом-12, что подтверждается почти одинаковыми временами их жизни (11 мс — у азота-12, 8,58 мс — кислород-13), и схожими каналами распада (см. табл. 9 и 10).



Рис. 90


В то же время, имеется огромное различие во временах полужизни изотопов кислорода-12 и кислорода-13 (см. табл. 10). Как видно из рис. 90 — это обусловлено переконфигурацией нуклонов в ядре, приводящей к усилению связи протонов, из-за появления нейтронов в базовом положении, в кислороде-13, и очевидной (из геометрии) невозможностью этого у кислорода-12 (рис. 89), с учётом того, что кислород-12, как и любое ядро с чётным числом (одновременно) и протонов и нейтронов (т. е. чётно-чётное ядро) — должно подчиняться, упоминавшемуся ранее, требованию: иметь симметричные друг к другу, верхнюю и нижнюю части (это осуществимо лишь в конфигурации 12O без нейтронов на базовом уровне, = на рис. 89).

Остальные протонизбыточные изотопы кислорода — показаны на рис. 91. На этих изотопах, подробно останавливаться не будем (спины этих изотопов, и выгода представленных конфигураций — могут быть поняты из аналогии с уже рассмотренными изотопами более лёгких элементов). При этом, как видно, кислород-15 — схож по структуре с кислородом-14 (что подтверждается близостью времён жизни этих изотопов, и одинаковыми каналами распада (см. табл. 10)).



Рис. 91


Далее: Первым известным (протонизбыточным) изотопом элемента фтора — является фтор-14, см. табл. 11. Показательно, что неизвестно изотопа фтора-13, хотя последний продолжал бы ряд изотопов предыдущих элементов: литий-4 — бор-7 — азот-10 (эти ядра — имеют одностороннее расположение нуклонов, т. е. механизм лития-4, и рассматривались ранее). Отсутствие фтора-13 — объясняется (геометрической) невозможностью добавления трёх нуклонов (нейтрона и двух протонов), составляющих шаг в представленном выше ряду ядер, к азоту-10 так, чтобы получалось ядро с односторонним расположением нуклонов, см. рис. 92. На рис. видно, что протоны — мешают расположению друг друга геометрически. Хотя это не исключает возможности существования фтора-13 в другой конфигурации, но очевидно, делает это ядро на порядок менее выгодным, чем литий-4, бор-7 и азот-10, объясняя, почему этот изотоп фтора до сих пор неизвестен.


Таблица 11 [8]

Протоноизбыточные изотопы фтора





Рис. 92


Фтор-14 (как уже говорилось, первый известный изотоп фтора) — рассмотрим, для удобства, не в основном, а в (первом) возбуждённом (= почти основном) состоянии (со спином 1) [21], т. к. в этом случае, как увидим далее, переход к следующим протонизбыточным изотопам фтора (15 и 16) — проще (не требует переконфигурации нуклонов). Вероятное строение первого возбуждённого состояния ядра фтора-14 — см. на рис. 93. Второе возбуждённое состояние этого ядра, имеющее спин 3 [21] — можно представить в виде конфигурации с односторонним расположением нуклонов, см. рис. 94. Как видно, механизм лития 4, при переходе от азота ко фтору — возможен, но требует добавления ещё одного нейтрона (только в этом случае, отсутствуют протоны, мешающие расположению друг друга геометрически).



Рис. 93



Рис. 94


Следующий изотоп фтора, фтор-15 — показан на рис. 95. Малое время жизни этого изотопа (410×10–24 сек), и распад с вылетом протона — легко понять из представленной на рис., структуры данного ядра.



Рис. 95


Следующий изотоп, фтор-16 — примечателен спином 0, очень редким для ядер с нечётным числом протонов. Вероятное строение ядра 16F — см. на рис. 96.



Рис. 96


Фтор-17 — показан на рис. 97.



Рис. 97


Особый интерес представляет фтор-18, со спином 1, имеющий изомер со спином 5, вероятная структура которого представлена на рис. 98. В структуре изомера виден механизм лития 4 (все нуклоны сконцентрированы с одной стороны плоскости). Общая выгода от образования изомера (в т. ч. выгодных альфа-кластеров в нём) — частично компенсирует невыгоду от перехода нуклонов на более высокие энергоуровни. Наглядная структура изомера — позволяет видеть, почему фтор-18 может застревать в этом возбуждённом состоянии, делая его квазиустойчивым (разрушение изомера — требует перехода через ряд конфигураций, не отличающихся особой выгодой (лишённых механизма лития-4, и без выгодных альфа-кластеров)). Время полураспада изомера фтора-18, т. е. возвращения в невозбуждённое состояние со спином 1 — 162 нс, что немало, по ядерным меркам времени.



Рис. 98


Далее: Первый изотоп неона — неон-16, см. табл. 12. Он — представлен на рис. 99. Данное ядро — аналогично, по структуре, фтору-16, и поэтому имеет с ним одинаковый спин 0, и схожее время жизни: фтор-16 — 11×10–21 сек, неон-16 — 9×10–21 сек. Это время жизни оказывается также схожим с углеродом-8 (3,5×10–21 сек), и неон-16 действительно можно строить в подобии ему, см. рис. 100.


Таблица 12 [8]

Протонизбыточные изотопы неона





Рис. 99



Рис. 100


Далее: Вероятная структура неона-17 — представлена на рис. 101. Как видно на рис., это ядро, по структуре, является аналогом углерода-9. Неудивительно, что в отношении неона-17, как и углерода-9, имеются экспериментальные свидетельства в пользу наличия гало из двух протонов [22] [23]. Исходя из наглядной геометрии, 17Ne, как и 9C, вероятно только приближаются к состоянию гало-ядер (имеют кластер гелия-3 с неспаренным нейтроном).



Рис. 101


Остальные протонизбыточные изотопы неона — см. на рис. 102.



Рис. 102


Неон — элемент, которым заканчивается второй ряд таблицы Менделеева. Т. о. мы рассмотрели все (известные) протоноизбыточные ядра элементов второго ряда таблицы Менделеева (всего 29 изотопов). Этих примеров, вероятно, вполне достаточно, для понимания общих принципов строения протонизбыточных ядер, поэтому таковые ядра, третьего и более далёких рядов таблицы Менделеева — подробно рассматривать не будем.

Далее: Прежде чем переходить к рассмотрению стабильных изотопов элементов, попробуем решить вопрос:

О сути чётности квантовых состояний

Чётность, на неклассическом этапе — это квантовое число, описывающее поведение элементарных частиц и их систем — ядер, атомов и молекул, при их зеркальном отражении, и которое может принимать два значения: положительное и отрицательное. Так, в таблицах элементарных частиц, и изотопов ядер, рядом со значением спина — всегда указывают и значение чётности (см. например, табл. 12).

Известно явление нарушения чётности = зеркальной симметрии, в некоторых процессах, что впервые было экспериментально показано в опытах Ву и др. (1957 год). В этих опытах, наблюдался b распад поляризованных ядер (= ядер с однонаправленными спинами) радиоактивного кобальта. В эксперименте, электроны вылетали преимущественно в одну сторону. В зеркальном же отражении установки, электроны вылетают преимущественно в противоположную сторону, что никогда не наблюдается в реальном Мире. Т. е. зеркальная симметрия для процесса нарушается. А значит, какие-то законы природы не выполняются при инверсии пространства (= при зеркальном отражении). А именно — те, что ответственны за b распад, т. е. слабые взаимодействия (поля), в которых пространственная чётность т. о. не сохраняется. Это называется явлением нарушения P-чётности в слабых взаимодействиях (только слабые взаимодействия нарушают чётность, остальные поля — не меняют её).

Впоследствии, было введено представление о сохранении, вместо обычной чётности — т. н. комбинированной чётности (комбинированной симметрии): пришлось представить, что при зеркальном отражении установки, все частицы, по какой-то причине должны переходить в свои античастицы (в т. ч. положительный заряд — в отрицательный). Т. е. в природе наблюдались бы зеркальные процессы, но только если бы установка целиком состояла из антивещества. Т. о. для сохранения симметрии законов природы нужна одновременная инверсия и пространства (P), и заряда (= замена вещества на антивещество) (C), что было названо законом сохранения CP-чётности (или комбинированной чётности (= симметрии)).

На постнеклассическом этапе, причина нарушения зеркальной симметрии (или P-чётности) в опытах Ву и др. — становится понятна, в т. ч. и почему частицы, при зеркальном отражении, переходят в свои античастицы, см. рис. 103. На рис. показаны зеркальные отражения элементарных частиц, с учётом их внутреннего строения (для начала, использованы упрощённые, т. е. проекционные (= плоские) представления частиц).



Рис. 103


Итак, уже из плоских представлений элементарных частиц, наглядно видно, что и электрон, и протон, и нейтрон — переходят в свои античастицы, при зеркальном отражении.

Аналогично, частицы ведут себя и в объёмном представлении, см. рис. 104.



Рис. 104


Итак, это некоторые основы представлений о чётности, на постнеклассическом этапе.

Далее, говоря про чётность, рассмотрим такие явления, связанные с чётностью как: проблема нейтрино, нарушение CP-чётности, и закон сохранения чётности следующего уровня — CPT-чётности:

Проблема нейтрино, т. е. нарушение P-чётности для нейтрино, или почему нейтрино всегда имеет спин –1/2 (вернее, отрицательную спиральность, но о ней — чуть позже), и почему не существует его зеркальное отражение, т. е. нейтрино со спином +1/2, согласно наглядным (постнеклассическим) представлениям — легко объясняется: Как уже рассматривалось ранее, т. к. отличие частиц от античастиц (в т. ч. различие зарядов), согласно наглядным представлениям, обусловлено разным направлением замкнутых движений в частице, т. ч. на магнитной оси, то нейтрино с противоположным направлением замыкания — оказывается антинейтрино. Проведём операцию зеркального отражения нейтрино, см. рис. 105. Из рис. видно, что при зеркальном отражении, нейтрино — очевидно переходит т. о. в антинейтрино.



Рис. 105


При более подробном рассмотрении, следует также учесть, что нейтрино всегда движется со скоростью света, а значит, важен не спин сам по себе, а его проекция на направление движения, или спиральность. Посмотрим, как ведёт себя нейтрино при зеркальном отражении, с учётом направления движения (показано вертикальной стрелочкой), см. рис. 106. Как видно из рис., если направление замыкания, при зеркальном отражении меняется на противоположное, то направление движения не меняется, и наоборот. Очевидно, что частицы в средней части рис. — тождественны, и представляют собой антинейтрино.



Рис. 106


Нарушение CP-чётности, и сохранение CPT-чётности — формулируется как необходимость, для сохранения инвариантности физических законов — производить инверсию не только пространства, с заменой частиц на античастицы (CP-преобразование), но одновременно менять и направление течения времени (T-инверсия). Последняя — есть смена всех движений на противоположные (при этом, изменение внутренних движений, неклассически — не учитывается (т. к. неизвестно), но содержится (кроме спина) в CP-преобразовании, т. е. замене частиц на античастицы). Из сохранения CPT-симметрии — выводится равенство масс, времён жизни и т. п. характеристик частиц и античастиц, что установлено (экспериментально) с высокой степенью точности [24]. (Наглядно, тождественность частиц и античастиц, и противоположность их зарядов — можно увидеть как следствие того, что всё отличие частиц / античастиц — лишь в противоположном направлении движений в них).

Нарушение CP-симметрии (наблюдаемое в распадах K0- и B0-мезонов) — было в целом объяснено ещё на неклассическом этапе, как вытекающее, в конечном итоге, из наличия трёх поколений элементарных частиц (и обусловленного этим, смешивания кварков в мезонах (детали — опускаем)). Сама же причина наличия поколений элементарных частиц — выясняется лишь на постнеклассическом этапе, и (наглядно) рассматривалась ранее.

Далее:

Чётность квантовых состояний ядер

Ядра (в т. ч. возбуждённые состояния одного и того же изотопа) — могут иметь одинаковые спины, но разный знак чётности. Такие ядра — обязаны иметь различающуюся внутреннюю структуру. Попробуем выяснить связь чётности со структурой ядер, в упрощённом виде (т. е. лишь сравнивая структуры ядер между собой):

Для начала, обратим внимание, что все ядра с чётным числом протонов и нейтронов (= геометрически полностью симметричные, или как уже говорилось, чётно-чётные ядра) — всегда имеют положительную чётность, во всей таблице Менделеева: отрицательные чётности в таких ядрах — взаимно компенсируются («минус, умноженный на минус — даёт плюс»). Пример: если соединить два ядра лития-4 с противоположными спинами и отрицательной чётностью, то получим углерод-8 с положительной чётностью, см. рис. 107.



Рис. 107


Итак, все ядра, симметричные относительно плоскости, делящей ядро на верхнюю и нижнюю части (тут — половины), — обладают положительным знаком чётности.

В отношении ядер, не являющихся чётно-чётными, рассмотрим ряды таких ядер, с последовательным изменением знака чётности при добавлении или удалении нуклонов. Первый подобный ряд ядер — представлен в табл. 13 и на рис. 108. Как видно, при добавлении протона, отрицательные чётности то компенсируют друг друга, то не компенсируют, поэтому чётности соседних ядер — оказываются противоположны. Важно, что переход между ядрами в представленном ряду осуществляется без значимой переконфигурации нуклонов (ядер). Поэтому знак чётности меняется закономерно.


Таблица 13 [8]

Ряд ядер, с последовательным изменением знака чётности



Примечание: жирным выделены стабильные ядра (изотопы)



Рис. 108


Небольшие переконфигурации, наблюдаемые в данном ряду — незначимы, т. к. добавляемые нуклоны остаются по одну (дальнюю от нас), сторону ядра. Кроме того, изменения кора (с гелия-3 на альфа частицу, при переходе от 11C к 12N, и возможно, от лития 8 к бериллию 9) — не влияют на чётность, т. к. в пределах построения альфа-частицы (от 1H до 4He), чётность неизменна (табл. 1, 2).

Данный ряд мы завершили на азоте-12, т. к. дальнейшее продолжение к кислороду-13 — непоказательно, из-за отсутствия достоверно установленного (экспериментально) значения чётности (и спина) последнего (табл. 10). Однако, можно подтвердить предполагаемую отрицательную чётность этого ядра, т. к. переход к нему — закономерен (не требует переконфигурации), см. рис. 109. Переход же к следующему ядру, фтору-14, очевидно, требует значительной переконфигурации, т. к. протон к ядру кислорода-13 добавлять больше некуда, поэтому чётность 14F — может не вписываться в данный ряд ядер, т. е. может не меняться, и быть отрицательной (табл. 11).



Рис. 109


Далее: Рассмотрим ещё один, второй ряд ядер: возьмём изотопы, содержащие на два нейтрона больше, чем первый ряд — см. табл. 14 и рис. 110.


Таблица 14 [8]

Ряд ядер, с последовательным изменением знака чётности





Рис. 110


В этом ряду, чётность меняется так же периодично, как и в предыдущем ряду.

Начало ряда завершается на боре-12, что можно объяснять значимой переконфигурацией, при переходе к бериллию-11 (с гало-нейтроном [25]), а именно — предпочтением этим ядром конфигурации, показанной на рис. 111-а (с переходом нейтрона в ближнюю часть ядра, и сохранением кора в виде выгодного (почти стабильного) ядра бериллия-10 (о котором — позже)), вместо конфигурации на рис. 111-б (без гало-нейтрона). (Добавлением чётного числа нуклонов, конфигурация бериллия-11 на рис. 111-а, может быть достроена до фтора-19 или неона-19, имеющих такую же положительную чётность (см. табл. 15) и схожее строение, см. рис. 112, что может также свидетельствовать о предпочтении ядром бериллия-11 структуры на рисунке 111-а, и объясняет наличие гало-нейтрона). Далее, из этого, можно показать, что и ядро гелия-9, представленное на рис. 113 — должно обладать положительным знаком чётности, что подтверждается в т. ч. новыми экспериментальными данными [13], и противоречит более ранним данным [21] / ожиданиям из (ненаглядных) теоретических расчётов из трендов [26].



Рис. 111


Таблица 15 [8]

Изотопы бериллий-11 и фтор-19





Рис. 112



Рис. 113


С другого конца, ряд заканчивается на кислороде-15, т. к. протон, далее (к 15O) — некуда добавлять, кроме очевидно маловыгодного положения, в нижней части ядра (см. рис. 110). Поэтому переход ко фтору 16 должен происходить путём существенной переконфигурации. Итак, причина, почему чётность фтора-16 не подчиняется закономерности представленного ряда — также вытекает из геометрии.

Итак, мы рассмотрели два ряда ядер, с периодическим изменением знака чётности.

Теперь, рассмотрим подробнее, как зависит знак чётности ядер от расположения нуклонов с ближней или дальней части ядра: На примерах гелия-9, бериллия-11, фтора-19 и неона-19, а также переходов угдерод-11 — азот-12, и т. п. переходов, можно видеть, что один лишний или отсутствующий нуклон в ближней части ядра — даёт (имеет) положительную чётность; в дальней же части ядра, на примерах гелия-7, углерода-13 и т. п., один добавленный / недостающий нуклон — имеет, наоборот, отрицательную чётность. Чётное число нуклонов, в любой (ближней или дальней) части ядра — имеет положительную чётность.

Итак, мы рассмотрели некоторые, весьма упрощённые, основы чётности ядер, в её связи со структурой ядер. Как видно, чётность привязана к структуре (геометрии) ядер, что можно видеть наглядно.

Строение стабильных ядер

Стабильные ядра (= стабильные изотопы элементов) — широко распространены в окружающем Мире, и ложатся в основу макрообъектов, в то время как нестабильные (протон- и нейтронизбыточные) — не имеют широкого распространения, и в основном получаются искусственно (в ускорителях заряженных частиц, и т. п.), т. к. ограничены, в своём существовании, временем (распадаются в стабильные ядра). Роль стабильных ядер т. о. — оказывается более заметной.

Теперь, на постнеклассическом этапе, мы можем увидеть, наглядно, структуру стабильных ядер, и выяснить причины их стабильности (что рассмотрим на примере стабильных ядер элементов первых двух рядов таблицы Менделеева (всего 20 ядер, см. табл. 16)). Также включим в рассмотрение и некоторые нейтронизбыточные ядра, имеющие высокие времена жизни, более 12,32 лет = более, чем у трития (2 ядра, см. табл. 17).


Таблица 16 [8]

Стабильные ядра 1-го и 2-го рядов таблицы Менделеева



Таблица 17 [8]

Нестабильные ядра в первых двух рядах таблицы Менделеева, с временами жизни более, чем у трития (12,32 года)



Вообще, строение стабильных ядер — подчинено тем же правилам, что уже были рассмотрены (поэтому в целом, тут нужно только применять то, что уже известно).

Для начала, определим наиболее общие причины стабильности ядер:

Одна из этих причин — заключается в оптимальном соотношении числа протонов и нейтронов, в таких ядрах (отсутствие протонизбыточности или нейтронизбыточности, которые приводили бы к нестабильности). В свою очередь, величина этого оптимального соотношения — вытекает из наглядной геометрии, в т. ч. из строения альфа-частицы, см. рис. 114. На рис. — видно, почему соотношение протонов и нейтронов 1 : 1 — является оптимальным, и обеспечивает наибольшую силу связи нуклонов: как уже рассматривалось, альфа-частица — является полностью замкнутой, правильной геометрической структурой, с наибольшим сближением протонов и нейтронов, для их эффективного взаимодействия.



Рис. 114


Если сравнить альфа-частицу (ядро гелия-4) с ядрами с таким же числом нуклонов — водородом-4 и литием-4, то легко понять, из геометрии, почему последние, в отличие от альфа-частицы — являются крайне нестабильными (нейтрон- или протонизбыточными), и обладают малой силой связи нуклонов — см. рис. 115 и табл. 18.



Рис. 115


Таблица 18 [18]

Удельные энергии связи ядер с массовым числом 4



Итак, на примере альфа-частицы, оптимальным является соотношение числа протонов и нейтронов в ядре, как 1 : 1. Однако небольшое отклонение от этого значения — ещё не способно, само по себе, сделать ядро нестабильным: примеры: стабильные гелий-3, литий-7 и т. п. Причина их стабильности — видна в структуре, в т. ч. в отсутствии более выгодной, к которой ядро могло бы перейти (распасться):

Так, если протон в гелии-3 превратится в нейтрон (b+ распад), то получится ядро трития, которое замыкает меньшую область пространства, и оказывается дальше по структуре от альфа-частицы; кроме того, выгода от расширения нейтрона в протон, при распаде трития — очевидно, превышает невыгоду от появления отталкивания протонов (в гелии-3), что можно объяснить малым числом протонов (всего 2). В итоге, b+ распад гелия-3 в тритий — невыгоден. Если же в гелии 3, наоборот, нейтрон распадётся на протон (b распад), то получится несвязанная система лития-3 (три свободных протона), что также невыгодно. Поэтому распад гелия-3 — оказывается запрещённым, т. к., как видно, нет более выгодной структуры (ядра), к которой он мог бы перейти. Соотношение числа протонов и нейтронов, отклоняясь у гелия-3 от оптимального — отражается лишь в уменьшенной силе связи нуклонов, по сравнению с альфа-частицей, где оно оптимально (как уже отмечалось, энергии связи у 4He / 3He равны 7,074 / 2,573 кэВ).

Точно так же, для ядер возможно и отклонение в сторону избытка нейтронов над протонами, с сохранением стабильности ядра (например, литий-7 (где есть место для двух нейтронов, уравновешиваемых протоном), и т. д.). Вообще, примеров таких ядер — оказывается большинство, среди всех стабильных изотопов в таблице Менделеева, т. к. нужно учесть влияние электрического отталкивания протонов, которое приводит к большей выгоде от избытка нейтронов над протонами, а в более тяжёлых ядрах — избыток нейтронов становится даже необходимым условием для стабилизации ядра, из-за сильно возросшего электрического отталкивания протонов (подробнее о таких ядрах — позже).

Далее: Приступим теперь к рассмотрению структур стабильных изотопов элементов по порядку. Стабильные ядра водорода, гелия и лития — уже рассматривались ранее, в достаточной мере, поэтому переходим сразу к бериллию:

Бериллий имеет один стабильный изотоп — бериллий-9, структура которого (уже упоминавшаяся ранее), показана на рис. 116. В первой (наиболее вероятной) конфигурации этого ядра, видно, что альфа-частица — стабилизируется нейтроном (уравновешивается им). Если сравнить эту структуру с ядром бериллия-8 (вернее, с его возбуждённым состоянием на рис. 117-а), то видно, что такой стабилизации в ядре бериллия-8 — нет, либо же, как в состоянии на рис. 117-б, нейтрон может легко перепрыгнуть вверх, с образованием альфа-кластера, и стабилизация будет утрачена. Из этого — можно лучше понять причину отсутствия стабильности у бериллия-8 (несмотря на соотношение протонов и нейтронов 1 : 1), и стабильности бериллия-9. (Кроме того, как уже рассматривалось ранее, ядро бериллия-8 в основном состоянии — неизбежно включает два маловыгодных, дейтериевых кластера, что приводит к большей выгоде его распада до двух альфа-частиц).



Рис. 116



Рис. 117


Отклонение соотношения протонов и нейтронов от оптимального, в ядре бериллия-9 — опять же отражено в снижении силы связи нуклонов в ядре, даже по сравнению с нестабильным бериллием-8, см. табл. 19.


Таблица 19 [18]

Энергии связи ядер гелия 4, бериллия 8 и 9



У элемента бериллия также имеется один нейтронизбыточный изотоп, с высоким временем жизни — бериллий-10 (период полураспада — 1,51×106 лет), т. е. это — почти стабильный изотоп. Структура его, отражающая эту почти стабильность — представлена на рис. 118. Два уравновешенных кластера трития тут — приводят к высокой выгоде данного ядра, хотя и создают нейтроноизбыточность немного больше критической, и становится возможен b распад. Причина распада — близка к таковой для трития, но ослаблена выгодой взаимного уравновешивания кластеров трития, и ростом пользы от избытка нейтронов.



Рис. 118


Далее: Структуры стабильных ядер бора — показаны на рис. 119. Как видно, в этих ядрах (как и в бериллии-9 в альтернативной конфигурации) — действует механизм водорода-6 (приводящий в т. ч. к высоким значениям спинов у этих ядер).



Рис. 119


Стабильные ядра углерода — показаны на рис. 120. В ядре углерода-12 — наполовину заполнены первые энергетические уровни, следующие за базовым, поэтому структура данного ядра — напоминает красивый кристалл, или некую завершённую структуру. (Об энергетических уровнях в ядре — мы ещё будем говорить, позже). Ядро углерода-12 примечательно также тем, что состоит из трёх связанных альфа-частиц, и видно, почему такая структура стабильна (боковые альфа-кластеры — уравновешивают друг друга), в то время как связанное состояние двух альфа-частиц (бериллий-8, в возбуждённом состоянии) — невыгодно, т. к. является неуравновешенным состоянием (см. рис. 117-а). (Основное же состояние бериллия-8 — это что угодно, только не две связанные альфа-частицы: из требования спина 0, для всех чётно-чётных ядер, а значит, их верхне-нижней симметрии, очевидно, что вторая альфа-частица в чётно-чётном изотопе (ядре), бериллии-8 — должна разделиться на два кластера дейтерия, которые расположатся, по одному, в верхней и нижней частях ядра, уравновешивая друг друга; это представляет маловыгодную структуру, но наиболее выгодную, для этого ядра, как уже рассматривалось ранее).



Рис. 120


Далее: В структуре ядра углерода-13, виден (выгодный) кластер бериллия-9, см. рис. 121. Однако основная причина стабильности этого ядра — объясняется невыгодностью b распада, который вёл бы к аналогичному по строению, ядру, но в котором нейтрон заменён на протон — азоту-13, в то время как выгоден, как уже отмечалось, наоборот, избыток нейтронов над протонами (компенсирующий рост отталкивания протонов в ядре). Поэтому азот-13 претерпевает b+-распад до углерода-13, а последний оказывается стабильным ядром.



Рис. 121


У углерода также имеется почти стабильный нейтронизбыточный изотоп, углерод-14, с периодом полураспада 5,7×103 лет, показанный на рис. 122. Как видно, для него можно представить две конфигурации (одна из них — может являться возбуждённым состоянием ядра). В первой (наиболее вероятной) конфигурации на рис. 122, нахождение нейтронов на более высоком энергоуровне — выгодно, т. к. препятствует отдалению боковых альфа-частиц от базовой альфа-частицы, и приводит к выгодным кластерам бериллия-9, в структуре ядра. С другой стороны, отдаление боковых альфа-частиц (альфа-кластеров) — уменьшало бы связанность данных нейтронов с протонами базовой альфа-частицы; но как раз этого недостатка — лишена вторая конфигурация на рис. 122, где кроме того, нейтроны расположены на более низком энергетическом уровне.



Рис. 122


Стабильные изотопы азота — см. на рис. 123. Заметим, что азот-14 — один из четырёх стабильных изотопов во всей таблице Менделеева, имеющий нечётное число как протонов, так и нейтронов (нечётно-нечётное ядро). Азот-14 можно представить в качестве аналога ядра лития-6, но только с двумя вклиненными альфа-частицами (при этом, литий-6 — тоже имеет нечётное число и протонов, и нейтронов, и т. о. тоже является одним из нечётно-нечётных стабильных ядер). К последним — относятся, помимо лития-6 и азота-14 — ещё дейтерий и бор-10, которые — также схожи по структуре, и наглядно — различаются между собой и от лития-6/азота-14, одной/двумя/тремя вклиненными альфа-частицами (структуры этих ядер — уже рассматривались ранее).



Рис. 123


Так же как литий-6 и азот-14 схожи друг с другом по структуре, можно провести аналогию и между азотом-15 и литием-7 (различие — в добавленной паре взаимно уравновешенных альфа-кластеров). Но только в азоте-15, один из высокоэнергетичных нейтронов — должен иметь отрицательный спин (что рассматривалось ранее), поэтому общий спин азота-15 (1/2) и лития-7 (3/2) не совпадают.

У следующего элемента, кислорода — имеется уже целых три стабильных изотопа:

Первый из них, кислород-16 — примечателен тем, что по числу нуклонов и их соотношению (1 : 1) — соответствует четырём альфа-частицам. Однако с т. зр. наглядной геометрии, он, как и бериллий-8 — не может состоять из четырёх альфа-частиц (как кластеров). Поэтому кислород-16 обретает одну из структур, представленных на рис. 124.



Рис. 124


В наиболее вероятной (первой) конфигурации на рис. 124, ядро кислорода-16, как видно, в отличие от 8Be, имеет выгодные кластеры гелия-3 и трития, что вместе с упоминавшимся, оптимальным соотношением протонов и нейтронов в этом ядре, легко объясняет наблюдаемую стабильность (выгоду) этого ядра (изотопа). Если же отнять один нейтрон — то на месте выгодного кластера трития, образуется (невыгодный) кластер дейтерия, из чего можно увидеть (уточнить) также причину нестабильности предыдущего изотопа, кислорода-15 (который рассматривался ранее).

Следующий изотоп, кислород-17 — примечателен переконфигурацией, которую можно представить в виде ряда переходов нуклонов, вызванных добавлением нейтрона, см. рис. 125. В этом ядре, как видно, усиливается асимметричность, между ближней и дальней частью ядра (напоминающая, по сути, механизм водорода-6), при этом, нуклоны концентрируются преимущественно по одну (дальнюю) сторону ядра. Также можно видеть образование кластера бериллия-9 (верхняя ближняя альфа-частица — стабилизируется нижним нейтроном). Сама необходимость и выгодность значительной переконфигурации, при переходе к кислороду-17 — связана, в целом, с тем, что добавляемый нейтрон — должен связаться наиболее лучшим образом, сразу со всеми протонами в ядре (точнее, все нуклоны в ядре — располагаются по отношению друг к другу так, чтобы быть связанными наиболее эффективно друг с другом).



Рис. 125


Далее: Кислород-18 — см. на рис. 126. В этом ядре, число нейтронов превышает число протонов уже на два, но ядро остаётся стабильным (в отличие от изотопов с двумя дополнительными нейтронами, предыдущих элементов, углерода-14 и бериллия-10 (имеющих высокие времена жизни, но лишённых стабильности)). При этом, время полураспада бериллия 10 (1,51×106 лет) — оказывается выше, чем у углерода-14 (5,7×103 лет), несмотря на большее число протонов в последнем. Причина такого поведения времён жизни — легко объясняется из наглядной геометрии: связыванием двух нейтронов в выгодных кластерах трития в бериллии-10, и отсутствием связывания их в подобных кластерах (т. е. кластерах трития / гелия-3 / альфа-кластерах) в углероде-14.



Рис. 126


Далее: Фтор, предпоследний элемент второго ряда таблицы Менделеева — имеет всего один стабильный изотоп (что в общем, связано с нечётным числом протонов, которое заведомо предполагает несимметричность (некомпенсированность) смещения кварковой плотности нейтронов, и уменьшение энергии связи, по сравнению с ядрами элементов с чётным числом протонов).

Сравним, в этой связи, ядро соседнего к стабильному фтору-19, изотопа, фтора-18, — с таким же по массе, изотопом элемента, имеющего чётное число протонов, — кислородом-18, см. рис. 127. Из рис. — видно, что ядро фтора-18 — обладает значительной верхне-нижней несимметричностью, а значит, некомпенсированностью смещения кварковой плотности, и т. о. очевидно менее выгодно, чем (симметричная) структура ядра кислорода-18. Неудивительно, что фтор-18, несмотря на оптимальное соотношение протонов и нейтронов (1 : 1) — распадается до кислорода-18 (табл. 11). Поэтому у фтора — остаётся только один стабильный изотоп (19F, структура которого — уже упоминалась ранее, и показана на рис. 128). В конечном итоге, причина всего одного стабильного изотопа у фтора — в нечётном числе протонов (нечётные элементы, во всей таблице Менделеева — имеют всего один-два стабильных изотопа).



Рис. 127



Рис. 128


В отличие от фтора, у следующего элемента, неона (элемент с чётным числом протонов) — стабильных изотопов опять три. Неон — завершает второй ряд таблицы Менделеева. Структура его первого стабильного изотопа, неона-20, примечательна особой красотой (кристалличностью), см. рис. 129. Причина: в неоне-20 — полностью заполнены первые энергоуровни, следующие после базового (подробнее об энергоуровнях — чуть позже).



Рис. 129


Неон-21 — претерпевает переконфигурацию, аналогично кислороду-17, но показательно, что спин при этом — оказывается не 5/2, как у кислорода-17, а 3/2, см. рис. 130. Можно показать, что дальнейшие переходы протонов (или нейтронов) в ядре неона-21 — невыгодны (см. рис. 130), что соответствует структуре со спином 3/2.



Рис. 130


Несимметричность смещения кварковой плотности протонами — делает энергию связи нуклонов в ядре неона-21 — несколько меньшей, по сравнению с соседними изотопами, неоном-20 и -22, см. табл. 20. (Аналогично, снижалась энергия связи и у кислорода-17, по сравнению с кислородом-16 и -18 — табл. 21).


Таблица 20 [18]

Энергии связи изотопов неона-20–22



Таблица 21 [18]

Энергии связи изотопов кислорода-16–18



Структуру неона-22 — см. на рис. 131. На этом изотопе — завершается последовательность стабильных изотопов второго ряда таблицы Менделеева.



Рис. 131


Т. о. мы рассмотрели все стабильные ядра в первых двух рядах таблицы Менделеева (в общем, 20 ядер), и два почти стабильных ядра (бериллий-10 и углерод-14). Рассмотренных примеров — вероятно, должно быть вполне достаточно, для общего представления о стабильных ядрах и причинах стабильности.

Итак, переходим к следующему вопросу:

Об энергетических уровнях в ядрах

Нуклоны в ядре — различаются по энергии, т. к. геометрически не могут располагаться все одновременно на базовом уровне, т. е. поместиться в одну альфа-частицу. Добавляемые нуклоны, поэтому — располагаются выше и дальше от базовых. При этом, естественно предположить, что нуклоны, расположенные на одном расстоянии — одинаковы по энергии, т. е. должны принадлежать одному энергоуровню. Рассмотрим, каким образом располагаются энергетические уровни в атомном ядре, в связи с наглядной геометрией (частично, мы уже касались этого вопроса):

Самый первый, т. е. базовый энергетический уровень — впервые полностью заполнен, как уже отмечалось, в ядре гелия-4 (альфа-частице): об этом свидетельствует, помимо всего прочего, полностью замкнутая форма этого ядра. Как увидим далее, каждый заполненный более высокий энергетический уровень — тоже соответствует геометрически замкнутой форме ядра (углерод-8, неон-20 и т. д.).

Последовательное заполнение базового энергетического уровня, как несложно догадаться — происходило в последовательности следующих изотопов: водород, дейтерий, тритий / гелий-3, и заканчивается гелием-4. Всего, на базовом энергетическом уровне, могут находиться т. о. 4 нуклона — два протона и два нейтрона.

Следующий, после базового, второй по счёту, энергетический уровень — впервые полностью заполнен в ядрах углерода-8 и водорода-7, но только в углероде-8, этот уровень заполнен 4 протонами, а в водороде-7 — 4 нейтронами, см. рис. 132. Это и определяет свойства данных ядер, а также почему изотопы водорода заканчиваются на водороде-7, и изотопы гелия, с повышенной стабильностью, соответственно — на гелии-8 (что свидетельствует о наличии такого уровня в ядре, помимо наглядной геометрии). (Кроме того, об этом свидетельствует отсутствие изотопа кислорода-10). В целом, на втором (после базового), энергетическом уровне — могут расположиться всего 4 нуклона, но они могут быть любыми. (Хотя при дальнейшем прибавлении нуклонов = у более тяжёлых ядер, на этом энергоуровне — очевидно, способны расположиться только нейтроны).



Рис. 132


Отметим, что полностью заполненный второй энергоуровень, в отличие от первого (= базового) — не прибавляет ядру стабильности, а наоборот, ускоряет распад, т. к. в соответствующих ядрах оказывается наиболее высока протоноизбыточность (углерод-8) или нейтроноизбыточность (водород-7). Энергии связи этих ядер, среди изотопов соответствующих элементов (углерода и водорода), естественно — также оказываются наиболее низки [18] (в отличие от 4He).

Далее: Ещё более высокий, третий по счёту, энергетический уровень — впервые наполовину заполняется, как уже отмечалось, в ядре углерода-12 (см. рис. 120). На то же расстояние, что и в углероде-12, нуклоны могут добавляться вплоть до неона-20. Поэтому полностью, третий энергоуровень (впервые) заполнен — у неона-20 (который, как и полагается ядру с полностью заполненными энергоуровнями, имеет замкнутую, правильную геометрическую форму, напоминающую кристалл (см. рис. 129)). На рис. 129 видно, что протоны, в боковых альфа-кластерах, в ядре неона-20 — не тождественны, по расположению, протонам в углероде-8 (см. рис. 132), т. е. протонам второго энергоуровня, а значит, находятся выше по энергии (= находятся на третьем энергоуровне). Четыре из нейтронов в неоне-20 — тоже располагаются выше нейтронов в водороде-7 (= нейтронов второго энергоуровня), из чего можно видеть, что они также принадлежат третьему энергоуровню. Всего, на третьем энергоуровне т. о. располагается 12 нуклонов (8 протонов и 4 нейтрона (см. рис. 129)).

Полностью заполненный 3-й энергоуровень — даёт стабильное ядро (неон-20), т. к. это ядро оказывается состоящим из (выгодных) альфа-кластеров, уравновешивающих друг друга. Соотношение протонов и нейтронов, при этом, получается 1 : 1, как и в альфа-частице (заполненный первый энергоуровень). Выгода ядра неона 20 — несколько снижается вследствие ближне-дальней симметрии, из-за одинаковости кластеров (альфа-кластеры) вблизи и вдали, что проявляется в меньшем энерговыделении при образовании этого ядра, по сравнению с кислородом-16 и магнием-24 (подробнее, это будет рассмотрено позже).

Итак, обобщим данные, по числу нуклонов на энергоуровнях: 1-й (базовый) энергоуровень — имеет 4 нуклона, 2-й — тоже 4 нуклона, 3-й — 12 нуклонов. Получившиеся числа — напоминают количество электронов на энергетических уровнях в атоме (хотя и умноженное на два): как известно, первые энергоуровни в атоме, называемые 1s, 2s и 2p, содержат, соответственно, 2, 2 и 6 электронов.

Итак, получилось совпадение (симметрия) между атомными и ядерными энергетическими уровнями. Случайно ли это? И почему нуклонов на энергоуровнях (в ядре) — в два раза больше, чем электронов на энергоуровнях в атоме?

На последний вопрос, ответ, вероятно, вытекает из нарушения симметрии между веществом и антивеществом (причина которого — ещё будет рассматриваться, позже): ведь на 1s электронной оболочке в атоме, помимо двух электронов (с противоположными спинами), могли бы разместиться ещё и два позитрона (тоже с противоположными спинами), что не нарушает известный принцип запрета Паули. Но позитронов в реальном атоме нет, т. к. в ядре нет отрицательного заряда, который бы их притягивал (т. к. вместо антипротонов — в ядре имеются лишь нейтроны, заряженные нейтрально). Тем не менее, подлинное число частиц на 1s энергоуровне атома — можно считать равным четырём, хотя это и не реализуется, из-за нарушенной симметрии между веществом и антивеществом (вернее, атомы не существовали бы, если бы эта симметрия (вещество / антивещество) не была нарушена (все частицы в окружающем Мире проаннигилировали бы)). Почему симметрия нарушилась — рассмотрим несколько позже.

Итак, ещё раз подчеркнём то, что так или иначе, но открывается скрытая симметрия между энергоуровнями атома и атомного ядра.

Это позволяет дать имена энергоуровням атомного ядра — точно такие же, как и энергоуровням атома:

1s-энергоуровень — заполнен у альфа-частицы (4 нуклона), 2s-энергоуровень — у углерода-8 и водорода-7 (4 нуклона), и 2p-энергоуровень — заполнен у неона-20 (12 нуклонов).

Наглядно видно, почему 2s- и 2p-энергоуровни объединены одной цифрой — т. к. только совместно они образуют (выгодные) боковые альфа-кластеры (в неоне-20 и углероде-12). Т. е. (что неудивительно), только (боковые) альфа-частицы целиком — являются энергетическим уровнем, а 2s и 2p — его подуровни. (Нуклоны на этих подуровнях — должны, как и в случае подуровней в атоме — быть близки по энергии (и сильно отличаться по энергии от нуклонов на 1s- и 3s-энергоуровнях)).

Чтобы посмотреть, продолжается ли совпадение атомных и ядерных энергетических уровней и далее, т. е. для более тяжёлых ядер, переходим к вопросу:

О строении ядер третьего и четвёртого рядов таблицы Менделеева

Рассмотрим строение ядер третьего и четвёртого рядов таблицы Менделеева, прежде всего таких, у которых полностью заполнены энергетические уровни (о чём будет свидетельствовать замкнутая геометрическая форма таких ядер).

На рис. 133 — показано строение ядра изотопа кремния, кремния 24 (положение этого элемента в таблице Менделеева — см. в табл. 22). Ядро кремния-24 — имеет замкнутую геометрическую форму. В этом ядре, можно предположить впервые полностью заполненным (протонами), 3s энергетический уровень (точнее, подуровень). Максимально, тут, как видно — может разместиться 4 нуклона (протона). Размещению пятого, и более, протонов (т. е. размещению их в ближней части ядра, на рис. 133), мешают сами протоны, в дальней части ядра (геометрически). При более точном рассмотрении, из-за равнозначности ближней и дальней частей ядра, протоны могут изначально располагаться в любой части ядра, и т. о. — колеблются между этими частями (как было показано на рис. 133). Т. о. протоны находятся в обеих частях ядра одновременно, так что в среднем, каждой части ядра принадлежит по одному протону. Из этого — легко увидеть, почему расположение нейтронов, отражающее положение 3s-энергоуровня, также полностью заполненного (но нейтронами), в ядре неона 24, на первый взгляд, не совпадает с положением протонов в кремнии-24 (если не учесть колебание протонов), см. рис. 134.



Рис. 133


Таблица 22

Таблица Менделеева, первые четыре ряда





Рис. 134


Следующий, 3p-энергетический уровень — наполовину заполняется также в изотопе кремния, — кремний-28, см. рис. 135. (По структуре, это ядро — является аналогом углерода-12 (рис. 120), в котором наполовину заполнен 2p-(под)уровень).



Рис. 135


Полностью заполняется 3p-энергоуровень — в изотопе элемента, завершающего третий ряд таблицы Менделеева (табл. 22), это — аргон-36, см. рис. 136. В структуре ядра аргона-36, нужно уже учитывать, что некоторые из альфа-кластеров — должны повернуться, чтобы не мешать расположению друг друга геометрически, т. к. без поворота, они — немного заходили бы за плоскость симметрии, см. рис. 137.



Рис. 136



Рис. 137


При этом, если поворот совершат только альфа-кластеры третьего энергоуровня, то они, уже не пересекая плоскость симметрии, всё равно будут мешать расположению друг друга, как показано на рис. 138.



Рис. 138


Пригодная структура — возможна только в случае на рис. 139. На рис., поворот делает альфа-частица 2-го энергоуровня в одной части ядра, и альфа-частица 3-го энергоуровня — в другой.



Рис. 139


Все эти повороты альфа-частиц, были проведены одинаковым образом: строго вокруг мест прикрепления альфа-частиц друг к другу (т. е. после поворота, нейтроны крепятся друг к другу теми же частями, что и до поворота (например, отрицательно заряженные кварки dd одного нейтрона — к положительному кварку u другого)). Такой поворот — можно сказать, находится в некоторой аналогии с поворотами в структурах молекул, т. е. с возможностью молекулы менять т. н. конформацию.

В целом, структура аргона-36, как видно — является аналогом неона-20 (рис. 129), а заполнение энергоуровней — продолжает быть симметричным заполнению электронами энергоуровней атома. (О схожести (аналогичности) структур неона-20 и аргона-36 — свидетельствует в т. ч. близость энергии, выделяющейся при их образовании (в ядерных реакциях), о чём, подробнее — позже).

Далее: Для атома, после заполнения 3p-подуровня — следует 4s (два электрона), а затем — 3d-подуровень, с десятью электронами. Для ядра, если аналогичный, 3d энергетический уровень имеется в ядре, он соответствовал бы 20 нуклонам, а значит, 5 альфа-частицам (т. е. нечётному числу альфа-частиц). Это означает, что одна из альфа частиц 3d-подуровня (пятая) — должна принадлежать, одновременно, и верхней, и нижней частям ядра, т. о. пополам разделяясь плоскостью симметрии (аналогично энергоуровню 1s). Как ни удивительно, но именно такой, неизбежно оказывается одна из альфа-частиц, присоединяемых далее — см. рис. 140. Альфа-частица, располагаясь, как показано на рис., действительно, будет пересекаться плоскостью симметрии ровно пополам. Из этого, легко предположить, что эта альфа-частица принадлежит 3d-подуровню.



Рис. 140


Кроме того, очевидно, что данная альфа частица тянет кварковую плотность нейтронов в сторону, противоположную альфа частице базового энергоуровня, что должно снижать энергию связи нуклонов. Из этого, можно предположить, что она должна заполняться последней, среди других альфа частиц 3d-подуровня. Если предположить, где располагаются остальные альфа-частицы 3d подуровня — можно наглядно увидеть ядро никеля-62, обладающее наивысшей, среди известных (тысяч) ядер, энергией связи, см. рис. 141.



Рис. 141


В ядре никеля-62, помимо частично заполненного 3d-энергоуровня, также, естественно, полностью заполнен 4s-энергоуровень, который должен заполняться ещё раньше, чем 3d, см. табл. 23 и рис. 141.


Таблица 23 [IV]

Порядок заполнения энергоуровней в атоме, 1-е четыре ряда таблицы Менделеева



Заполнение 3d-энергоуровня (электронами), впервые полностью завершается — у элемента цинка (табл. 22, 23), а значит, и в ядре, т. е. именно в нём впервые появляется невыгодная (= пересекаемая плоскостью симметрии), последняя альфа-частица 3d-подуровня: пример — изотоп цинка-64, строение которого показано на рис. 142. Заполнение маловыгодной альфа частицы, у цинка — приводит к тому, что энергия связи нуклонов в таблице Менделеева, начинает снижаться именно с ядер цинка, и максимальна, как уже отмечалось — у предыдущего чётного элемента, никеля (62Ni).



Рис. 142


Далее, аналогично порядку заполнения энергоуровней в атоме, приходит черёд заполнения 4p-энергоуровня: При этом, в ядре образуются четыре альфа-частицы 4sp-энергоуровня, и получается ядро криптона-72, — изотопа элемента, завершающего четвёртый ряд таблицы Менделеева (табл. 22), см. рис. 143.



Рис. 143


Итак, вплоть до криптона, т. е. до конца четвёртого ряда таблицы Менделеева, симметрия электронных и ядерных энергоуровней — прослеживается (возможна).

О трансляционной симметрии в ядре

В продолжение рассмотрения ядер, остановимся, подробнее, на строении (нейтронизбыточных и стабильных) изотопов второй половины 4-го ряда таблицы Менделеева, т. е. от никеля до криптона (табл. 22). Чтобы подойти к строению всех этих ядер, нужно сперва познакомиться с явлением трансляционной симметрии в ядре:

Трансляционная симметрия, как понятие — это повторяемость какой-либо структуры, через равные пространственные промежутки. Трансляционной симметрией — обладают, например, кристаллы, т. к. кристаллическая структура и заключается в регулярной повторяемости т. н. ячейки кристаллической решётки, в пространстве.

Определённой трансляционной симметрией обладает и атомное ядро. Это становится очевидным, при рассмотрении тяжёлых ядер: Возьмём в пример, уже упоминавшийся ранее, изотоп криптон-72, см. рис. 144. Альфа-частицы, обозначенные на рис. стрелочками — имеют одинаковую ориентацию в ядре. Т. о. ориентация альфа-кластеров — полностью повторяется с определённым пространственным шагом. Это — и есть трансляционная симметрия.



Рис. 144


Теперь применим требование трансляционной симметрии к альфа-частицам 4sp-энергоуровня: это приведёт к повороту этих альфа-частиц, как показано на рис. 145. При этом повороте, альфа-частицы связываются через нейтроны 3d-альфа-частиц, обычным способом. После поворота, они могут выгодно уравновесить нейтроны, добавляемые в положения, обозначенные на рис. 146. При повороте — также открываются ещё по четыре дополнительных места, для непосредственного связывания нейтронов (= связывания их с альфа-кластерами), см. рис. 147. Неудивительно, что криптон-84 — стабилен (хотя стабильность также объясняется ростом выгоды от избытка нейтронов (которых в 84Kr — уже на 12 больше, чем протонов)), см. табл. 24. Этим (т. е. возможностью присоединения всех нейтронов непосредственно к альфа-кластерам, в условиях растущей выгоды от избытка нейтронов), можно объяснить также наибольшую энергию связи этого ядра, среди других изотопов криптона, см. табл. 25.



Рис. 145



Рис. 146



Рис. 147


Таблица 24 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада, превышающим время, прошедшее от Большого Взрыва (13,8×109 лет), криптона



Примечания:

- жирным выделены времена полураспада > 1,38×1010 лет

- ядерные изомеры — опущены


Таблица 25 [18]

Изотопы криптона, с наибольшей энергией связи, и смежные к ним



Рассмотрим строение и более тяжёлых изотопов данного элемента:

Ядро криптона-86 — показано на рис. 148. Видно, что протоны из невыгодной 3d-альфа-частицы — перешли на более высокий энергоуровень, эффективно связав два дополнительных нейтрона с образованием кластеров трития (и дополнительно уравновесив нейтроны, расположенные напротив), поэтому энергия связи в криптоне-86 — оказывается лишь немного меньше, чем в наиболее энерговыгодном криптоне-84 (табл. 25). Надо заметить, что к такому переходу — способны протоны только невыгодной 3d-альфа-частицы (т. е. пересекаемой плоскостью симметрии), и в меньшей степени (как увидим далее), протоны ближнего (вернее, правого) 3sp-альфа-кластера, и никакие другие протоны, т. к. иначе получалось бы расположение кластера трития на кластере трития, что запрещено (т. к. крайне энергетически невыгодно), и ни в одном ядре — не встречается.

В следующем изотопе, криптоне-88, энергия связи нуклонов значительно падает (табл. 25), т. к. дополнительные нейтроны теперь могут быть присоединены только в менее энерговыгодные положения, — без непосредственной связи с альфа-частицами / в выгодных кластерах, либо благодаря переходу протона из правой альфы 3sp-энергоуровня. Наилучшим из возможных расположений добавляемых нейтронов, представляется показанное на рис. 149.



Рис. 148



Рис. 149


Дальнейшее присоединение нейтронов — возможно только к нейтронам, не входящим в альфа-кластеры, и без возможности образования кластеров трития; это — ещё менее выгодно, поэтому после криптона-88, следуют изотопы, по отношению к которым, криптон-88 обладает повышенной стабильностью, см. табл. 26. Из табл. видно, что время жизни ядра криптона-88 — повышено, по сравнению с предыдущим, нечётным изотопом (криптон-87), в то время как для криптона-90, и дальнейших чётных изотопов — оно, в аналогичных случаях, понижено.


Таблица 26 [8]

Периоды полураспада изотопов криптона от 87 до последнего известного чётного изотопа криптона



Вероятное строение последнего известного (чётного) изотопа криптона, криптона-100 (табл. 26), показано на рис. 150. На рис. видно, что все нейтроны в ядре связаны одинаковым образом: не более, чем в три шага, т. е. нейтрон, непосредственно связанный с альфа-частицей (1-й шаг), может связать ещё один нейтрон (2-й шаг), который может связать ещё нейтрон (3-й шаг), см. рис. 150.



Рис. 150


Возможность связи нейтронов в три шага, т. е. весьма косвенной связи — обусловлена большим числом протонов в ядре криптона, создающим достаточно сильное смещение кварковой плотности нейтронов (необходимое для связывания нейтронов через другие нейтроны). (В более лёгких ядрах, чем меньше протонов в ядре, тем, естественно, в меньшее число шагов могут быть присоединены нейтроны: например, в последнем изотопе водорода (7H), нейтроны связаны, максимум, примерно в один шаг, и то слабо, а в последних изотопах гелия (9 и 10), нейтроны связаны — максимум, «в полтора» шага, а в последнем изотопе бериллия, бериллии-16 — примерно в два шага, но слабо (эти изотопы — крайне маложивущи, и распадаются с вылетом нейтронов, что уже рассматривалось ранее)).

Далее: Обратимся теперь к строению ядра предыдущего чётного элемента, перед криптоном, — селена (табл. 22).

Селен содержит на два протона меньше, чем криптон, а значит, одна из альфа-частиц, имевшихся в криптоне-84 (наиболее энерговыгодном изотопе криптона), — превращается в кластер трития, с которым нейтроны могут связаться только относительно слабо, см. рис. 151. Этим объясняется, почему наибольшей энергией связи обладает изотоп селен-78, содержащий на четыре нейтрона меньше, чем криптон-84, см. табл. 27.



Рис. 151


Таблица 27 [18]

Изотоп селена, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему



Аналогично, и для ещё более лёгкого чётного элемента, германия (см. табл. 22), наиболее энерговыгодным изотопом оказывается германий-72, содержащий на четыре нейтрона меньше селена-78, см. табл. 28 и рис. 152.


Таблица 28 [18]

Изотоп германия, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему





Рис. 152


Если отнять ещё два протона (и эффективно связанные с ними, в кластерах трития, нейтроны, а также нейтроны, которые уравновешивались ими), получим цинк-66, наиболее энерговыгодный изотоп цинка, см. табл. 29 и рис. 153. Как видно, в этом ядре, на месте кластера трития — остался только один нейтрон, и маловыгодными (отсутствующими) стали нейтроны, которые притягивал кластер трития, через альфа-кластер (см. рис. 153). В то же время, эти нейтроны, могут входить в состав цинка-68, почти не отличающегося по энергии связи от цинка-66 (табл. 29), см. рис. 153 (хотя более вероятная структура цинка-68 — представляется как включающая образование кластера трития, благодаря переходу протона из (маловыгодной) 3d-альфа-частицы, как показано на рис. 154).


Таблица 29 [18]

Изотопы цинка, с наибольшей энергией связи, и смежные к ним





Рис. 153



Рис. 154


Т. о., наиболее энерговыгодный, среди изотопов цинка, цинк-66 — содержит тоже на четыре нейтрона меньше, чем наиболее энерговыгодный изотоп соседнего чётного элемента, германий-72.

В дальнейшем, при переходе от цинка к никелю (также чётному элементу), отнимаются два протона уже из 3d-положения, в соответствии с симметрией между энергоуровнями атома и ядра (табл. 23). 3d-протоны альфа-частицы, делящейся плоскостью симметрии пополам — слабо участвовали в связывании нейтронов, и тянули кварковую плотность противоположно базовым протонам, о чём уже говорилось. Поэтому наиболее энерговыгодный никель-62 (как упоминалось ранее, наиболее энерговыгодный среди всех изотопов элементов в таблице Менделеева) — отличается всего на два нейтрона от цинка-66, а не на четыре, как было бы, если бы протоны отнимались от оставшегося кластера трития. (Строение никеля-62 — уже рассматривалось ранее (рис. 141)).

Вернёмся, далее, к изотопам цинка:

Теперь начнём прибавлять нейтроны: При этом, последним стабильным изотопом цинка — оказывается последний изотоп, в котором нейтроны могут быть связаны непосредственно (и без перехода протонов из альфы 3sp-энергоуровня). Это — цинк-70, см. рис. 155 и табл. 30. Аналогично, последними стабильными (или практически стабильными) изотопами элементов германия, селена и криптона — также являются последние изотопы с непосредственно связанными нейтронами (и без перехода протонов из альфы 3sp), показанные на рис. 156 и 148, см. также табл. 24, 31 и 32. На рис. видно, что в германии 76, переход протонов из 3d (маловыгодного) положения — даёт альфа-частицу, и возможность непосредственного связывания дополнительных четырёх нейтронов (что на четыре больше, чем у наиболее энерговыгодного изотопа, германия-72). Селен-82 образуется аналогичным образом, и также содержит на четыре нейтрона больше, чем селен-78. Криптон же 86 (и тем более, 88) — не может образоваться аналогичным образом, что видно из наглядной геометрии (альфа-кластеры — уже образованы), поэтому протон, переходящий из 3d-положения — может дать только кластер трития, связав только два дополнительных нейтрона. (Поэтому последний стабильный изотоп криптона — отличается только на два нейтрона от наиболее энерговыгодного изотопа этого элемента).



Рис. 155


Таблица 30 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада, превышающим время от Большого Взрыва (13,8×109 лет), цинка





Рис. 156


Таблица 31 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), селена



Таблица 32 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого взрыва (13,8×109 лет), германия



Идём далее:

О строении ядер элементов 5-го ряда таблицы Менделеева

Элемент криптон, как уже говорилось, завершает 4-й ряд таблицы Менделеева, и далее — начинается 5-й ряд элементов, см. табл. 33. Ядра (изотопы) элементов пятого ряда — строятся, в общем, аналогично ядрам, рассматривавшимся в предыдущей главе. Там мы шли от криптона к более лёгким ядрам чётных элементов (селена, германия, цинка, никеля), а теперь — пойдём в другую сторону, от криптона к более тяжёлым ядрам, тоже чётных элементов, для начала — первых пяти (стронций, цирконий, молибден, рутений, палладий (см. табл. 33)).


Таблица 33

Первые пять рядов таблицы Менделеева



Итак, первый элемент 5-го ряда таблицы Менделеева, стронций — имеет наиболее энерговыгодный изотоп, стронций-88, см. табл. 34 и рис. 157. К этому изотопу мы приходим — путём добавления двух протонов к криптону-84. Эти протоны, в ядре стронция — образуют кластеры трития, выгодно связывая два дополнительных нейтрона, т. о. получается стронций-88, как наиболее энерговыгодный изотоп (криптон-84 также был наиболее энерговыгодным).


Таблица 34 [18]

Изотоп стронция, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему





Рис. 157. Ядро стронция-88 (развёрнуто так, что лучше видна трансляционная симметрия)


Важно также учесть, что в какое бы положение мы ни добавили протоны к ядру криптона-84, дополнительная связь возникает, максимум, только с двумя, а не с четырьмя нейтронами, см. рис. 158. Причина — видна в наглядной геометрии (см. рис. 158).



Рис. 158


Наиболее энерговыгодный изотоп следующего элемента, цирконий-90 — показан на рис. 159, см. также табл. 35. В этом изотопе — вообще не происходит дополнительного связывания нейтронов, т. к. протоны добавляются в положение, где лучше связывают нейтроны кластеров трития, что оказывается более выгодно (см. рис. 159 и табл. 35).



Рис. 159


Таблица 35 [18]

Изотоп циркония, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему



Следующий элемент, молибден, имеет наиболее сильно связанный изотоп, молибден-94, см. табл. 36 и рис. 160. Вообще, протоны можно было бы добавить и иначе — в одно из трёх альтернативных положений, вместо представленного на рисунке 160, — см. на рис. 161. Однако, в любом из этих мест, как видно, эффективно связывались бы всё равно только два дополнительных нейтрона.


Таблица 36 [18]

Изотоп молибдена, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему





Рис. 160



Рис. 161


Впрочем, возможность эффективно связать четыре или даже шесть нейтронов, тут всё-таки имеется, — если повернуть альфа-кластер (образовавшийся из кластера трития), в соответствии с трансляционной симметрией, см. рис. 162. Но это представляется менее выгодным (требует значительной асимметрии ядра, с переходом нуклонов на более высокие энергоуровни, и более слабо связывает нейтроны), чем добавление протонов с образованием новых кластеров трития, в левой (или дальней) части ядра, как было показано на рис. 160. Возможность непосредственного связывания четырёх и шести нейтронов — проявляется лишь в стабильности изотопов молибдена-96 и -98, см. табл. 37. Дополнительно к этому, переход протона из маловыгодного 3d-положения (как в последних стабильных изотопах элементов второй половины 4-го ряда таблицы Менделеева, которые рассматривались ранее) — объясняет (практическую) стабильность и молибдена-100, — последнего стабильного изотопа этого элемента (см. табл. 37).



Рис. 162


Таблица 37 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), молибдена



Далее, переходим к наиболее выгодному изотопу элемента рутения, — рутению-98, см. табл. 38. Можно было бы ожидать, что самым энерговыгодным может быть рутений-96, как аналогичный цирконию-90, см. рис. 163. Однако учтём, что в случае рутения-96, протоны уже два раза добавлялись без дополнительного прибавления нейтронов (при переходе от стронция-88 к цирконию-90, и от молибдена-94 к рутению-96), что даёт некоторую протоноизбыточность и стремление связать ещё нейтроны. Эта возможность может реализоваться уже путём перехода части протонов, например, из дальнего, в ближнее положение, как показано на рис. 164. Из табл. 38 видно, что изотопы рутения-98 и рутения-100 — имеют ничтожные различия по энергии (можно сказать, оба являются наиболее энерговыгодными), а при переходе к рутению-102 — энергия связи несколько падает (альфа-кластер связывает уже целых три нейтрона, что хотя уже и снижает энергию связи, но оставляет ядро стабильным, см. табл. 39).


Таблица 38 [18]

Изотопы рутения, с наибольшей энергией связи, и смежные к ним





Рис. 163



Рис. 164


Таблица 39 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), рутения



Далее: Наконец, рассмотрим строение наиболее энерговыгодного изотопа следующего элемента, — палладия-104, см. табл. 40 и рис. 165. На рис., нейтроны в ближней части ядра — компенсируют возросшее электрическое отталкивание протонов, и т. о. становятся более выгодными, чем в аналогичном ядре, рутении-102.


Таблица 40 [18]

Изотоп палладия, с наибольшей энергией связи, и смежные к нему





Рис. 165


Итак, мы рассмотрели наиболее энерговыгодные изотопы чуть более чем половины (чётных) элементов 5-го ряда таблицы Менделеева (см. табл. 33), усмотрев причину наибольшей энерговыгодности этих изотопов — в том же, в чём и для ядер элементов второй половины 4-го ряда элементов (= в числе непосредственно и выгодно связываемых нейтронов, без перехода 3d- или 3sp-протонов на более высокие энергоуровни). Также мы рассмотрели некоторые (другие) стабильные изотопы этих элементов (1/2 5-го ряда).

Далее — подробнее остановимся на последних стабильных изотопах этих элементов:

Так, для стронция, последний стабильный изотоп — совпадает с наиболее энерговыгодным, т. е. стронцием-88 [8] (уже рассматривался ранее (рис. 157)). Далее — следует нестабильный = радиоактивный изотоп, стронций-90, с относительно высоким (28,79 лет [8]) временем жизни, существующий благодаря переходу протонов из 3d-положения, как показано на рис. 166. Как видно, вместо кластера трития — в альтернативной конфигурации, может образоваться альфа-частица, к которой может присоединиться только один нейтрон, т. к. она не может повернуться наружу (как того требует трансляционная симметрия), из-за отсутствия протонов в положении, аналогичном расположению 1s-альфа-частицы (см. рис. 166). Из-за невозможности поворота альфа-кластера, изотоп стронций-90 — оказывается последним в ряду изотопов с высоким временем жизни, у стронция. В целом, нестабильность стронция-90 можно понять из того, что переход протона из 3d-положения в наиболее выгодное более высокое — вообще не приводил бы к связыванию дополнительных нейтронов, как видно из рис. 167. (Как видно на рис., перешедшие из 3d-альфы протоны лишь усиливают связь имеющихся нейтронов кластеров трития, в дальней части ядра).



Рис. 166



Рис. 167


У следующего элемента, циркония, переход протонов из 3d, в положение аналогичное 1s (вблизи) — позволяет альфа-частице, развернуться наружу, и эффективно связать ещё три нейтрона, см. рис. 168. Это объясняет, почему ряд стабильных изотопов циркония, в отличие от изотопов стронция, — продолжается далеко за наиболее энерговыгодный, цирконий-90, см. табл. 41.



Рис. 168


Таблица 41 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), циркония



Далее: Строение последнего стабильного изотопа следующего за цирконием элемента, молибдена — уже рассматривалось ранее (упоминавшийся, 100Mo), поэтому переходим сразу к последнему стабильному изотопу элемента, расположенного далее, т. е. рутения: это — рутений-104, см. табл. 39 и рис. 169.



Рис. 169


Можно провести некоторую аналогию между возможностью перехода протонов из 3d-положения (при образовании рутения-104), и электронной конфигурацией рутения: несмотря на то, что 5s электронная оболочка должна заполняться раньше 4d, более энерговыгодным, согласно наблюдениям, оказывается переход электрона с 5s- на 4d-оболочку, т. е. с образованием электронной конфигурации атомов рутения 5s14d7, вместо 5s24d6 [27].

Аналогичные процессы имеют место и в ядре (т. е. иногда оказывается, что взаимодействия между нуклонами, делают более энерговыгодным нахождение некоторых нуклонов на более высоких энергоуровнях, что мы неоднократно видели, в т. ч. на примере гораздо более лёгких ядер (вплоть до изотопов водорода)).

Далее: Наконец, рассмотрим строение последнего стабильного изотопа следующего элемента, палладия-110, см. табл. 42 и рис. 170. Этот изотоп отличается от последнего стабильного изотопа предыдущего элемента, рутения-104, на целых четыре нейтрона, что объясняется возможностью поворота образуемого альфа-кластера наружу, благодаря двум добавленным протонам (рис. 170).


Таблица 42 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), палладия





Рис. 170


В строении палладия 110 — также проведём некоторую аналогию со строением атомов этого же элемента. В атомах палладия, оказывается более энерговыгодным переход всех (двух) электронов с 5s-оболочки (которая должна заполняться раньше 4d) — на 4d-оболочку, с образованием электронной конфигурации 5s04d10, т. е. полностью заполненного 4d-энергоуровня, вместо 5s24d8 [27]. Т. о. палладий имеет полностью заполненную 4d электронную оболочку, хотя и не является последним 4d-элементом. В некоторой аналогии с этим, в изотопе палладий-110 (как и многих других), нет альфа-частицы 3d-уровня, а протоны переходят на более высокие энергоуровни (что оказывается выгодно, в т. ч. благодаря связыванию дополнительных нейтронов).

Итак, мы рассмотрели, на ряде примеров, наглядное строение ядер тяжёлых элементов пятого ряда таблицы Менделеева. Полученные из простейших соображений, варианты структур ядер и переходов между ядрами, как видно — объясняют различные свойства ядер 5-го ряда элементов (включая времена жизни, энергии связи, способность ядер эффективно связывать то или иное число нейтронов).

Далее:

О строении ядер f-элементов

Рассмотрим ещё более тяжёлые ядра, т. н. f-элементов, или лантаноидов, расположенных в 6-м ряду таблицы Менделеева, см. табл. 43.


Таблица 43

Первые шесть рядов таблицы Менделеева (примечание: в отдельную строку внизу — вынесены лантаноиды (f-элементы))





Первый чётный f-элемент — церий. Возможное строение ядра последнего стабильного изотопа этого элемента, церия-142 — показано на рис. 171, см. также табл. 44.



Рис. 171


Таблица 44 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), церия



В предполагаемой конфигурации ядра церия-142, на рис. 171, протоны из альфа-частиц 3d и 3sp, не задействованных в связывании других альфа-кластеров — перешли на периферию ядра, на более высокие энергоуровни, где могут связать дополнительные нейтроны. На месте же ушедших протонов — остались нейтроны, связанные непосредственно с альфа-частицами, и нейтроны, зажатые между непосредственно связанными нейтронами, т. е. связанные в два шага (см. рис. 171). Зажатые нейтроны, в столь тяжёлом ядре, содержащем почти полторы сотни нуклонов — оказываются стабилизированы, т. к. образующийся т. о. нейтронный мост — препятствует стремлению ядра к спонтанному делению (разрыву ядра электрическим отталкиванием протонов). Этот нейтронный мост, в центральной части ядра, и два аналогичных моста ближе к периферии (рис. 171), «как клей», связывают центральную и периферические части ядра, что выгодно. Связанные в мостах, нейтроны, и приводят к тому, что ядро церия-142 — содержит на целых 26 нейтронов больше, чем протонов, и при этом оказывается (практически) стабильным.

Далее, возможно добавление ещё по два нейтрона, в два положения, где они всё ещё могут быть связаны непосредственно, см. рис. 172. Т. о. сперва получаем церий-144, с относительно высоким (в т. ч. повышенным, в сравнении с соседним нечётным изотопом), временем жизни — около одного года, см. табл. 45. Добавление двух нейтронов и в ближнюю часть ядра (рис. 172) — тоже даёт ядро с повышенной стабильностью, — церий-146 (табл. 45).



Рис. 172


Таблица 45 [8]

Периоды полураспада первых изотопов церия, следующих за последним стабильным



В ядре церия, обратим внимание на экономность расположения альфа-частиц: в центральных областях ядра, нет ни одного альфа-кластера, который бы не служил местом прикрепления другого альфа-кластера. Иными словами, нельзя ни одну альфа-частицу изъять, чтобы ядро не распалось на две части. Все альфа-частицы в ядре, как видно — абсолютно необходимы, т. е. число их — минимально необходимое (протоны от остальных, как уже говорилось — перешли на периферию ядра, для связывания дополнительных нейтронов, а также снижения электрического отталкивания, за счёт увеличения расстояния между протонами в ядре).

На рис. 173 — показано направление связи альфа-частиц в ядре. Т. о. виден как бы скелет ядра, состоящий из сильно связанных друг с другом, альфа-частиц. (В органических молекулах — есть похожее явление, и там тоже говорят о структурном скелете, но состоящем из атомов углерода (т. н. углеродный скелет молекулы)).



Рис. 173


На рис. 174 — показаны альтернативные конфигурации ядра церия-142. Конфигурация на рис. 174-б — очевидно снижает электрическое отталкивание между протонами периферических кластеров и ядром в целом, т. к. располагает их дальше друг от друга, что представляется выгодным.



Рис. 174


Далее: Рассмотрим следующий чётный элемент, неодим. Последний (практически) стабильный изотоп этого элемента, неодим-150 [8], можно построить, как показано на рис. 175.



Рис. 175


Неодим-150 — содержит на 30 нейтронов больше, чем протонов, и в конфигурации на рис. 175-а, в нём можно видеть четыре нейтронных моста. Вообще, ядро может связать и гораздо больше нейтронов: см. например, неодим-160, на рис. 176, см. также табл. 46. На рис. видно, что в два шага, ядро неодима, (геометрически) связывает 40 нейтронов сверх протонов (и фактически, может связать ещё больше, — в «два с половиной» или три шага (пример: 161Nd, табл. 46)). Наглядная геометрия ядра, как видно — определяет возможности ядра по связыванию нейтронов.



Рис. 176


Таблица 46 [8]

Последние известные (чётный и нечётный) изотопы неодима



Далее: Рассмотрим следующий (чётный) f-элемент — самарий. Последний его стабильный изотоп, самарий-154 [8] — связывает столько же нейтронов, сверх протонов, сколько и аналогичный изотоп предыдущего элемента, неодим-150 (в то время как при переходе от церия к неодиму, неодим связывал на 4 нейтрона (сверх протонов) больше, чем церий). Это можно объяснить добавлением протонов, при образовании самария-154 — без появления нового нейтронного моста (он уже образован), притом в дальнюю часть ядра (где имеется относительный недостаток протонов из-за их перехода в ближнюю (= правую) часть), см. рис. 177. Это — несколько восстанавливает симметрию ближней и дальней частей ядра, хотя в целом, ядро ещё остаётся сильно асимметричным (в то время как ядро церия-142 было симметричным).



Рис. 177


У следующего элемента, гадолиния, можно предполагать добавление протонов, наоборот, в ближнюю часть ядра, с переходом протонов из дальней части, и образованием выгодных уравновешенных кластеров трития в ближней и дальней частях ядра, см. рис. 178. Благодаря этому, последний стабильный изотоп этого элемента — эффективно связывает на четыре нейтрона больше самария-154, — это гадолиний-160 [8] (рис. 178). Аналогичный результат, впрочем, можно получить и добавив протоны, наоборот, в дальнюю часть ядра (альтернативная конфигурация), см. рис. 179.



Рис. 178



Рис. 179


Следующий f-элемент, диспрозий, также можно получить, добавляя протоны двояко, см. последний его стабильный изотоп — диспрозий-164 [8], на рис. 180. В осуществлении выбора между различными возможными конфигурациями ядер, может помочь наблюдение (измерение) значений электрических квадрупольных моментов ядер, о чём, подробнее — позже.



Рис. 180


Итак, мы прошлись по вероятному строению ядер f-элементов, от первого элемента, церия, к элементу, расположенному в середине ряда f-элементов, гадолинию, и чуть далее, к диспрозию. Данных примеров, вероятно, вполне достаточно, для некоторого общего представления, хотя тут всё ещё сильно упрощено.

Далее, обратим внимание на то, что из представленных ядер, наибольшей симметрией между ближней и дальней частью ядра, обладал элемент церий, вернее, последний его стабильный изотоп, церий-142 (см. рис. 171). В этом, ядро церия-142 — оказывается схоже с ядром палладия-110 (рис. 170). При этом, у элемента церия, как и у элемента палладия — наблюдается минимальное число стабильных изотопов, по сравнению с соседними элементами — см. табл. 47 и 48. Причина этого минимума, очевидно — связана с симметрией.


Таблица 47 [8]

Число стабильных изотопов и изотопов с периодами полураспада более 13,8 млрд лет, а также изотопов с временем полураспада более года, у церия и смежных чётных элементов



Таблица 48 [8]

Число стабильных изотопов и изотопов с периодами полураспада более 13,8 млрд лет, а также изотопов с временем полураспада более года, у палладия и смежных чётных элементов



Следует смотреть, однако, не только на само наличие симметрии ядра, но и на её качество: так, у церия-142 — видно, что периферические части ядра — как бы перегружены протонами, и т. о. отнять от этого ядра (без потери ядром стабильности), можно только очень малое число нейтронов (см. табл. 44).

В противоположность церию-142, последний почти стабильный и симметричный изотоп элемента олова, олово-126 (см. табл. 49) — оказывается, наоборот, перегружен нейтронами, см. рис. 181. Как видно, на периферии этого ядра располагаются уравновешенные кластеры трития, т. о. олово-126 эффективно связывает, суммарно, столько же нейтронов сверх протонов, сколько и гораздо более тяжёлый, церий-142. Поэтому нейтроны от ядра олова-126 можно легко и долго отнимать (см. табл. 49). В итоге, можно объяснить, почему у элемента олова — самое большое число стабильных изотопов, среди всех элементов в таблице Менделеева — 10 (табл. 49).


Таблица 49 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), а также изотопы с временем полураспада более года, олова





Рис. 181


Строение последних стабильных ядер элементов, расположенных между церием и оловом — показано на рис. 182. (Эти элементы — предшествуют f-элементам, и являются элементами второй половины 5-го ряда таблицы Менделеева, и начала 6-го ряда (барий), см. табл. 43).



Рис. 182


Идём далее:

О строении самых тяжёлых ядер

Рассмотрим строение ядер элементов конца 6-го — начала 7-го рядов таблицы Менделеева, т. е. последних рядов этой таблицы, см. табл. 50.


Таблица 50

Таблица Менделеева (примечание: в отдельные строки внизу — вынесены лантаноиды (f-элементы) и (ниже) актиноиды (тоже f-элементы))





Начнём с такого примечательного элемента как свинец: Свинец — известен тем, что это последний тяжёлый элемент, у которого ещё имеются стабильные изотопы. Следующие за ним, элементы — полоний, радон, и все остальные (кроме тория (Th)), до самого конца таблицы Менделеева — не имеют стабильных / практически стабильных изотопов, т. е. являются в высокой степени радиоактивными.

Вероятное строение изотопов свинца-200 и -202, имеющих максимальную энергию связи среди изотопов свинца (см. табл. 51) — представлено на рис. 183. Как видно, на периферии самого энерговыгодного ядра, свинца-202, имеются кластеры трития, дающие эффективное связывание нейтронов, уравновешиваемых ими. Всего, в ядре свинца-202, эффективно связано — на 38 нейтронов больше, чем имеется протонов в ядре. Наглядная геометрия ядра соответствует именно такой способности ядра к связыванию нейтронов, т. е. все нейтроны тут связаны непосредственно, или в выгодных кластерах трития и в составе нейтронных мостов.


Таблица 51 [18]

Изотопы свинца, с наибольшей энергией связи, и смежные к ним



Примечание: в скобках — значения без округления



Рис. 183


Далее, обратим внимание, что свинец-202, несмотря на максимальную энергию связи — не является стабильным ядром, а оказывается протонизбыточным, см. табл. 52. Дело в том, что для стабилизации ядра — необходимо ещё больше нейтронов, но из структуры свинца-202 на рис. 183, видно, что дополнительные (т. е. добавляемые далее), нейтроны — уже не могут быть связаны непосредственно или в выгодных кластерах и мостах. Поэтому наиболее энерговыгодное ядро — оказывается вытеснено в область протоноизбыточных ядер.


Таблица 52 [8]

Стабильные изотопы и изотопы с периодом полураспада > времени от Большого Взрыва (1,38×1010 лет), а также изотопы с временем полураспада более года, свинца



Далее, идём от свинца-202, к наиболее энерговыгодному изотопу следующего элемента, полония — полонию-206 [18], см. рис. 184. Как видно, в этом ядре, на периферии, с одной стороны ядра — оказывается альфа-частица, что означает рост протонизбыточности. Роста же числа выгодно связываемых нейтронов — не наблюдается (вернее, связывается, дополнительно, столько же нейтронов, сколько и протонов, т. е. два, а значит, избыток нейтронов над протонами — не растёт, оставаясь на уровне 38 нейтронов). Нагромождение альфа-частиц в ближней части ядра — поддерживается одним нейтронным мостом, возможности которого стабилизировать эту часть ядра — весьма ограничены. Неудивительно, что у полония — нет стабильных изотопов, а наиболее долгоживущие имеют период полураспада считанные годы, см. табл. 53 и рис. 185.



Рис. 184


Таблица 53 [8]

Наиболее долгоживущие изотопы полония



Примечание: жирным выделены изотопы с временем полураспада > 1,38×1010 лет



Рис. 185


Для следующего элемента, радона — то же самое, что и у полония-206, наблюдается уже с обеих сторон ядра: это видно на примере наиболее энерговыгодного изотопа, радона-210 [18], показанного на рис. 186.



Рис. 186


А наиболее стабильный изотоп радона, радон-222 — живёт уже всего около четырёх дней [8], и в отличие от изотопов полония, далеко отстоит в ряду изотопов, от наиболее энерговыгодного, радона-210 (в то время как для полония, наиболее долгоживущие изотопы (208, 209), соседствовали с наиболее энерговыгодным (206)). Вероятной простой причиной этому — является начало формирования у радона нового нейтронного моста на периферии ядра. Рассмотрим это подробнее:

Из табл. 54 видно, что от радона-210 до радона-222 — наблюдается сначала спад стабильности ядер (радон-212, -214), а затем рост стабильности, начиная с радона-216. Действительно, радон-216 может иметь хоть слабый, но новый нейтронный мост, см. рис. 187. Этот мост — очень слабый, т. к. нейтроны в нём связаны в два шага, а средний нейтрон — зажат в положении «два с половиной» шага (что было бы равно трём шагам, в отсутствие моста).


Таблица 54 [8]

Изотопы радона — от наиболее энерговыгодного, до наиболее стабильного





Рис. 187


Далее, нейтроны связываются уже в дальней части ядра, что даёт радон-218, -220, и наконец, радон-222, см. рис. 187. Как уже отмечалось, радон-222 — наиболее стабильный изотоп радона, но имеет время полураспада около четырёх дней, что соответствует структуре ядра со слабым, а не сильным, нейтронным мостом.

У элементов, следующих за радоном (и относящихся уже к 7-му (последнему) ряду таблицы Менделеева), — радия и тория, стабильность значительно растёт, что связано с постепенным превращением слабого нейтронного моста в обычный, за счёт добавляемых протонов. Рассмотрим это, подробнее:

Наиболее стабильный изотоп радия, радий-226 [8] — получается из наиболее стабильного, радона-222 — добавлением протонов в слабый нейтронный мост, см. рис. 188. Это добавление протонов — делает нейтронный мост почти полноценным. А образующиеся, при этом, кластеры трития, развёрнутые наружу — способны эффективно связать ещё пару дополнительных нейтронов, т. о. имеем радий-226, как наиболее стабильный изотоп (период полураспада — 1600 лет [8], что на порядки больше, чем у наиболее стабильного изотопа радона-222 (3,8235 дней)).

Далее, рассмотрим наиболее стабильные изотопы тория (табл. 55):

Торий-228, с временем полураспада 1,9116 года — получается добавлением протона в новый нейтронный мост радия-226, что наконец, превращает этот мост в сильный (хотя и увеличивает протоноизбыточность, для данного изотопа), см. рис. 189.



Рис. 188


Таблица 55 [8]

Наиболее долгоживущие изотопы тория



* в сумме (24Ne + 26Ne)



Рис. 189


Для ядра тория-228 свойственно явление кластерного распада, с вылетом кластера — ядра кислорода-20, см. табл. 55. Рассмотрим вероятный механизм этого явления:

На рис. 190 показано, как протон может, «виртуально» (временно), менять своё положение в ядре, в т. ч. создавать ситуацию расположения альфа-частицы на кластере трития, что запрещено в основном состоянии. Такой «виртуальный» переход протонов, показанный на рис., может происходить в верхней или нижней части ядра, или в обеих частях одновременно. В последнем случае — возможен распад, т. к. альфа-частицы периферийной области ядра, оказываются располагающимися на кластерах трития (что запрещено) и т. о. периферийная область ядра становится слабо связанной с остальным ядром, и может вылетать в виде кластера 20O (рис. 190).



Рис. 190


Обратим внимание, что в итоге кластерного распада тория-228, образуется ядро свинца-208 (табл. 55), с выгодными кластерами трития на периферии (рис. 190).

Далее, по аналогии, можно рассмотреть и кластерный распад ядер предыдущего элемента, радия: Для ядер радия-221, -222, -223, -224 и -226, — экспериментально обнаружен кластерный распад с вылетом ядер углерода-14, см. табл. 56.


Таблица 56 [8]

Известные кластерные распады ядер радия



Механизм кластерного распада ядер радия легко представить аналогичным таковому для тория-228. Однако в связи с тем, что новый нейтронный мост в изотопах радия содержит меньше протонов, переход протонов, приводит к вылету более лёгкого кластера (= углерода, а не кислорода), см. рис. 191. На рис., на примере распадов радия-222–226, видно, что после вылета кластера углерода, остаётся, как и в случае распада тория-228, выгодное ядро свинца (= как уже говорилось, последнего элемента, имеющего стабильные изотопы).



Рис. 191


На примерах кластерного распада ядер радия и тория — видно, что наиболее слабым местом в ядре — оказывается альфа-частица, аналогичная невыгодной альфа-частице 3d-энергоуровня (т. е. пересекаемая плоскостью симметрии). Именно она и уходит из ядра, вместе с нуклонами, расположенными за ней.

При этом, также нужно заметить, что конец остающегося ядра — получается выгодным (с кластером трития), а само ядро (свинца) — оказывается в основном состоянии, или близком к основному, что подтверждается экспериментально, и характерно для кластерного распада, т. е. вылетающие кластеры — уносят всю или почти всю энергию распада [29].

Вернёмся теперь к наиболее стабильным изотопам тория, продолжим их рассмотрение (а также разбор кластерного распада, на их примере): На рис. 192 — показано вероятное строение ядра тория-230. Нейтроны периферических областей ядра, в нём можно было бы располагать по-разному, но мы их расположили чуть больше (на два) с дальней стороны ядра, т. к. нейтронного моста там давно не было.



Рис. 192


В целом, ядро тория-230 получается из ядра тория-228, путём прибавления нейтронов, указанных на рис. 193. В результате, происходит переход протонов из дальней части ядра, для более эффективного связывания этих нейтронов, и нейтронов, расположенных напротив их (при этом образуется кластер трития (рис. 192)).



Рис. 193


Такая структура ядра — как раз соответствует кластерному распаду данного ядра с испусканием кластеров более тяжёлого элемента, неона (а не кислорода), см. табл. 55 и рис. 194.



Рис. 194


Наконец, рассмотрим наиболее стабильный изотоп тория, торий-232, имеющий время полураспада 1,4×1010 лет (самое высокое среди всех изотопов элементов, расположенных за свинцом). Время жизни тория-232 — несколько превышает возраст окружающего Мира (примерно 1,38×1010 лет), т. о. этот изотоп является практически стабильным. Возможное строение этого ядра — показано на рис. 192.

Далее: Благодаря представлению о слабых местах в ядре, можно подойти к пониманию и такого канала распада, как спонтанное деление, которое также свойственно в т. ч. ядрам тория (см. табл. 55).

При спонтанном делении, исходное ядро — разделяется на две части, но в отличие от кластерного распада, меньшая из частей — много более массивна. (При этом вылетает ещё некоторое количество «лишних» нейтронов, в т. ч. могущих запускать цепную реакцию, уже индуцированного, деления других ядер).

При спонтанном и индуцированном делении ядер — выделяется самая большая энергия, в сравнении с другими видами распада, т. к. дочерние ядра — имеют значительно большую энергию связи + состоят из большого числа нуклонов.

В качестве конкретного примера этого канала распада, рассмотрим индуцированное деление ядра урана-235, — изотопа элемента, следующего за торием (табл. 50):

Экспериментально установлено, что при бомбардировке т. н. тепловыми (= низкоэнергетичными) нейтронами, ядро урана-235 — легко претерпевает деление на ядра более лёгких элементов, чаще всего — ксенона и стронция, чуть реже — теллура и циркония [30]. Ещё реже — образуются пары различных соседних (к вышеназванным элементам), чётных или нечётных, элементов таблицы Менделеева.

На рис. 195 — показан вероятный механизм (индуцированного) деления ядра урана-235 (для удобства, вместо урана-235, представлено ядро образующегося, при поглощении нейтрона, урана-236 (чётного изотопа)). Видно, что разделение может происходить в одном из слабых мест, по аналогии с механизмом кластерного распада.



Рис. 195


Далее можно учесть возможность перетекания (перехода) протонов уже сформировавшихся кластеров (например, Xe и Sr) — на периферию ядра (что делает более эффективным электрическое отталкивание частей ядра, и уменьшает их сильное взаимодействие (образуется нейтронная перемычка, которая далее разрывается)).

В целом, чёткой границы между спонтанным делением, кластерным распадом и альфа-распадом — нет (в т. ч. по механизму (для альфа-распада, механизм рассматривался на примере 8Be, но подробнее о нём — ещё поговорим, позже)).

Далее: В продолжение рассмотрения строения ядер самых тяжёлых элементов таблицы Менделеева — рассмотрим наиболее энерговыгодные изотопы элементов, следующих за ураном (т. н. трансурановых элементов (см. табл. 50)).

Характерной особенностью трансурановых элементов — является практически полное отсутствие запасов данных элементов на Земле, т. к. их изотопы, имея очень малые времена полураспада, по сравнению с временем существования Земли [8], уже успели полностью или почти полностью распасться.

На рис. 196 — показано строение ядер наиболее энерговыгодных изотопов плутония (см. табл. 57), — первого (чётного) трансуранового элемента. На рис. видно, что нейтроны в данных изотопах — связаны непосредственно (и выгодно), или в составе мостов, что соответствует максимальной энергии связи, точно так же, как это имело место и рассматривалось ранее на примере более лёгких элементов (начиная с изотопов свинца).



Рис. 196


Таблица 57 [18]

Изотопы плутония, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к ним



Далее: Изотопы с наибольшей энергией связи, следующего трансуранового элемента, кюрия (см. табл. 58) — показаны на рис. 197. Наибольшая энергетическая выгода, у изотопов этого элемента, как и у предыдущего — размазана среди нескольких изотопов, очень близких по энергии. В строении ядер этих изотопов — проявляются, опять же, рассмотренные ранее, закономерности, т. е. наибольшая энергия связи ядер, обладающих непосредственной и выгодной, и в составе мостов, связью нейтронов.


Таблица 58 [18]

Изотопы кюрия, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к ним



Примечание: # — данные, полученные из трендов (не экспериментальные данные)



Рис. 197


Из последнего — следует, что способность периферийных областей в ядре, связывать нейтроны — не растёт (или почти не растёт) с увеличением массы ядра. Это как раз соответствует природе ядерных (мезонных) взаимодействий, как короткодействующих сил. Иными словами, ядро сохраняет целостность лишь благодаря скелету из альфа-частиц (и нейтронным мостам), а не из-за непосредственного взаимодействия нуклонов одного конца ядра с противоположным.

В итоге, из-за короткодействия сил, связывающих нуклоны, и практического отсутствия роста этих сил с увеличением числа нуклонов, электрическое отталкивание протонов, накапливаясь — становится в ядрах тяжёлых элементов, сравнимым, по эффективности, с сильным взаимодействием, поэтому тяжёлые ядра оказываются нестабильными (радиоактивными), в т. ч. обретают способность к спонтанному делению, или всё более ускоренному альфа-распаду.

Далее: Из неизменности и предсказуемости строения наиболее энерговыгодных изотопов — легко выяснить строение соответствующих (наиболее энерговыгодных) ядер и гораздо более тяжёлых элементов, имеющихся в таблице Менделеева.

Но рассмотрим, сперва, по порядку, строение ядер следующего элемента: калифорния, расположенного за кюрием (табл. 50). На рис. 198 — представлено вероятное строение ядра наиболее энерговыгодного изотопа калифорния (240), и соседних, близких к нему по энергии, ядер (см. табл. 59).



Рис. 198


Таблица 59 [18]

Изотоп калифорния, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к нему



Обратим внимание, что калифорний-238, представленный на рис. 198 — не склонен к альфа-распаду, а распадается путём спонтанного деления, в отличие от калифорния-240, см. табл. 60. Вероятный механизм этого различия — показан на рис. 199. На рис. видно, что в калифорнии-240, протоны в дальней части ядра — могут, «виртуально», переходить из альфа-кластера, и образовывать кластеры дейтерия, которые затем могут перейти на базовый энергоуровень вне ядра, в виде альфа-частицы (что, в целом, аналогично механизму распада ядра бериллия-8). Для ядра калифорния-238, из-за отсутствия нейтронов в соответствующем положении (в дальней части ядра (см. рис. 198)), такой переход невозможен, поэтому калифорний-238 распадается почти исключительно путём спонтанного деления (табл. 60).


Таблица 60 [8]

Изотопы калифорния-238, -240





Рис. 199


Каналы распада калифорния-238 и -240 — свидетельствуют в пользу представленных конфигураций этих ядер. Эти, наиболее энерговыгодные изотопы калифорния, как и соответствующие рассматривавшиеся изотопы (ядра) предыдущих чётных элементов (кюрия и плутония) — в значительной мере асимметричны.

Асимметрия в ещё большей степени — свойственна более тяжёлым ядрам этих же элементов (что означает переход нуклонов на ещё более высокие энергоуровни, с уменьшением удельной энергии связи ядер, но с ростом стабильности). Вероятное строение таких изотопов плутония и кюрия (для которых известен кластерный распад, в некоторой степени, помогающий подтвердить определённую структуру ядра) — показано на рис. 200 (см. также табл. 61).



Рис. 200


Таблица 61 [8]

Ядра плутония и кюрия, для которых известен / измерен кластерный распад



В целом, на этих, и рассмотренных ранее, примерах, видно, что изотопы всех элементов от радия до калифорния — в высокой степени асимметричны. Экспериментальным подтверждением этой асимметрии — могут служить не только кластерные распады многих изотопов (с т. зр. наглядной геометрии), и спонтанное деление калифорния-238, — но и высокие значения электрических квадрупольных моментов ядер в этой области — см. рис. 201. На рис. особо отмечены некоторые т. н. «магические» и (14, 40) «полумагические» числа нуклонов (называемые так на неклассическом этапе), соответствующие элементам, ядра (изотопы) которых имеют близкие к нулю квадрупольные моменты.



Рис. 201 [31]. Измеряемые квадрупольные электрические моменты некоторых изотопов, в зависимости от числа протонов или нейтронов


Как известно, величина электрического квадрупольного момента, используется для оценки отклонения формы ядра от симметричной. Как видно из рис. 201, (практически) симметричное (недеформированное) строение — характерно для ядер (изотопов) таких тяжёлых элементов как: олово (Z = 50), церий (Z = 58), свинец (Z = 82), строение которых (т. е. изотопов этих элементов) рассматривалось ранее, и действительно было симметричным или близким к таковому.

Асимметрия же, как видно на рис. 201 — характерна для многих ядер (изотопов), в т. ч. растёт в направлении от радия к калифорнию, а также для самария, и др. В целом, большинство элементов в таблице Менделеева (включая радий, торий, уран, плутоний, кюрий, калифорний), имеют ядра (изотопы), с высокими значениями электрических квадрупольных моментов, = находящиеся в состоянии устойчивой (выгодной) деформации (см. рис. 201), наглядным проявлением которой, является асимметрия между правой и левой частями этих ядер.

Далее: Вернёмся к рассмотрению изотопов с наибольшей энергией связи: учитывая практическую неизменность закономерностей связи нейтронов в наиболее энерговыгодных изотопах, переходим от элемента калифорния, сразу к элементу, расположенному на 12 элементов дальше калифорния, — дармштадтию (110-й элемент таблицы Менделеева, см. табл. 50). Ядра наиболее энерговыгодных изотопов, дармштадтия-270 и -272, в симметричной конфигурации — представлены на рис. 202 (см. также табл. 62). Как видно, полностью симметричное ядро дармштадтия-270 — способно связать эффективной связью (т. е. непосредственно, или в составе мостов и выгодных кластеров), на 50 нейтронов больше, чем протонов. (Как и дармштадтий-272 — на 52 нейтрона больше, чем протонов, хотя связь последней пары нейтронов, в дальней части ядра, указанных на рис. — представляется маловыгодной). Т. о. тут, в целом — всё так же, как и у более лёгких элементов: наибольшая энергия связи — соответствует непосредственному, и в составе (сильных) мостов, связыванию нейтронов.



Рис. 202


Таблица 62 [18]

Изотопы дармштадтия, с наибольшей энергией связи, и известные смежные к ним



Примечание: в скобках — погрешности измерений (для последней значащей цифры)


Ядра изотопов дармштадтия — синтезированы в очень малом числе (счёт идёт на отдельные атомы), и плохо поддаются исследованию, т. к. крайне нестабильны (период полураспада наиболее долгоживущего изотопа — всего 14 секунд [8]). Свойства данных, и более тяжёлых ядер (изотопов) — пока весьма малоизучены.

Последний элемент таблицы Менделеева — имеет всего один известный изотоп, и находится на 8 элементов дальше дармштадтия, — это унуноктий (см. табл. 50).

Возможны ли элементы, более тяжёлые, чем Uuo? На сегодняшний день — таких элементов неизвестно. Однако в рамках имеющихся, в настоящее время, представлений, как на неклассическом, так и на постнеклассическом этапе, никаких фундаментальных препятствий для существования более тяжёлых ядер — не видно (хотя время жизни изотопов таких элементов — и оказывается весьма мало).

Далее: Итак, мы рассмотрели, в целом, основные данные о ядерном уровне вещества.

Теперь — можно перейти к рассмотрению более высоких уровней вещества окружающего Мира. Но пока что, возвратимся к дальнейшему рассмотрению более низкого уровня вещества, т. е. уровня элементарных частиц и вакуума. С дальнейшим рассмотрением этого уровня — связано в т. ч. решение вопроса о природе Большого Взрыва (= о происхождении окружающего Мира), где можно, исходя из наглядной геометрии элементарных частиц (в т. ч. как квантов полей), получить об этом некоторые представления.

Большой Взрыв

Большой Взрыв — это явление, произошедшее, по последним оценкам, 13,798 миллиарда лет назад [32], в результате которого, возникли те виды взаимодействий и элементарных частиц, и состояние вакуума, что наблюдаются в нашем Мире сегодня.

Прежде чем говорить о причинах и сущности Большого Взрыва, в рамках постнеклассических, наглядных представлений, рассмотрим, сперва — предшествующие, неклассические (ненаглядные), в рамках которых, впервые появилось и развивалось понятие Большого Взрыва:

Неклассически, Большой Взрыв — представляется как рождение (конечной) Вселенной из ничего (при этом, окружающий Мир — является её (наблюдаемой) частью, или в некоторых случаях, может совпадать с конечной Вселенной в границах (эта (последняя) возможность — ещё не исключена имеющимися наблюдениями)). Наглядно — невозможно представить рождение чего-то из ничего, но именно такой процесс — считается сутью Большого Взрыва, на неклассическом этапе. Как видно, понятия Вселенной и окружающего Мира, тут — могут не разделяться (т. к. окружающий Мир может совпадать в границах с конечной Вселенной, а сама конечность Вселенной — помимо следующей как один из возможных вариантов из уравнений теории относительности (где пространство-время может быть замкнуто само на себя), требуется из-за перехода от классических представлений об «атомах» и пустоте — к представлениям о непрерывных субстанциях: полях / пространстве-времени / энергии, которые, как и все объекты, представляющиеся непрерывными — неизбежно представляются конечными).

Считается, что при Большом Взрыве — появилось само пространство и время. Поэтому о том, что было до Большого Взрыва — в рамках неклассических представлений, говорить бессмысленно (без времени — не существовало момента «до»).

Причины Большого Взрыва, на неклассическом этапе, в целом — неизвестны.

Однако, сам ход Большого Взрыва — был описан, на этом этапе, достаточно подробно: он представлен в виде ряда сменяющих друг друга, стадий, связанных с расширением (конечной) Вселенной (или растяжением пространства-времени), см. табл. 63. Каждая стадия — характеризуется соответствующей температурой и плотностью вещества, что определяет основные процессы, идущие на этой стадии.


Таблица 63 [33]

Периодизация Большого Взрыва



Примечание: остальные (дальнейшие) периоды — опущены


Например, стадия первичного нуклеосинтеза — начинается, когда плотность вещества, и температура соответственно, вследствие расширения (конечной) Вселенной, падают настолько (температура — до 109 K [34]), что становится возможным образование простейших атомных ядер, при столкновениях элементарных частиц (нуклонов): На этой стадии, длившейся примерно с третьей по двадцатую минуты от начала Большого Взрыва [33], возникают условия, чтобы образующиеся ядра — сохранялись, а не расщеплялись высокоэнергетичными фотонами (гамма-квантами) и столкновениями с другими высокоэнергетичными частицами.

В это время — протоны и нейтроны вступают в ядерные реакции, образуя, в подавляющем числе случаев, ядра гелия-4 (т. е. альфа-частицы), составляющие, в конце этой стадии, согласно расчётам [35] — около 8% по числу ядер (или 25% по массе), от ядер водорода. Такое (или почти такое) соотношение элементов водорода и гелия — как известно, наблюдается в межзвёздных (и межгалактических) облаках газа, что свидетельствует о дозвёздном происхождении гелия в этих облаках. (Имеются также следы более тяжёлого элемента, лития, а также изотопа водорода, дейтерия, и изотопа гелия — гелия-3, также обязанные стадии первичного нуклеосинтеза).

После образования атомных ядер, и последующего долгого периода пребывания вещества в состоянии плазмы, стало возможным, в следующую эпоху, образование атомов (вследствие того, что кинетическая энергия электронов, а также плотность вещества — достаточно снизились). Эта стадия — называется рекомбинацией, и заканчивается примерно 377 000 лет после Большого Взрыва [36], когда (конечная) Вселенная (и окружающий Мир, соответственно) — становится прозрачной для излучения. (Это излучение остаётся в качестве реликтового (фонового) излучения, доступного, в современности, наблюдениям).

Далее — происходило образование более высоких уровней вещества (подробнее — это будет рассматриваться позже).

Теперь посмотрим, подробнее, как на неклассическом этапе описываются более ранние стадии Большого Взрыва, т. е. до первичного нуклеосинтеза:

Согласно т. н. традиционной (не инфляционной) модели (общепринятой, как впрочем и инфляционная), о стадиях Большого Взрыва — начинают говорить, с т. н. планковского времени, составляющего невообразимо малое число — 10–43 секунды от начала Большого Взрыва. До этого момента, какие бы то ни было расчёты, основанные на неклассических теориях — считают неприменимыми, а состояние Вселенной — обозначают как сингулярное. В момент времени 10–43 сек — рождается само время (10–43 сек — считается минимальным возможным отрезком времени в природе). Размер видимой части Вселенной (= окружающего Мира, который может совпадать, в границах, с конечной Вселенной), в эту, первую (на неклассическом этапе), стадию Большого Взрыва — умещался, как считается, в масштабе не более, чем порядка 10–33 см [37]. В эту (планковскую) стадию Большого Взрыва — все взаимодействия объединены в одно фундаментальное взаимодействие (т. е. ещё нет ни сильных, ни электрослабых, ни гравитационных сил).

С 10–43 сек, происходит отделение гравитационного взаимодействия. Начинается эпоха Великого объединения, когда электрослабые и сильные взаимодействия объединены в единое поле Великого объединения, отдельно от которого — остаётся гравитация.

Квантами, переносящими взаимодействие Великого объединения — считаются (гипотетические) X- и Y-бозоны, с дробными электрическими зарядами +4/3 и +1/3 соответственно. Массы этих частиц (около 1015 ГэВ) [38] — слишком велики для создания их в ускорителе (коллайдере), в настоящее время. Косвенно же, о возможном существовании таких частиц (в условиях современного Мира — как «виртуальных») — могло бы свидетельствовать обнаружение нестабильности протона (например, распада его на позитрон и нейтральный пи-мезон). Однако эксперименты, на данный момент, показывают, что протон — как минимум, на порядки стабильнее, чем ожидалось в рамках простейшего варианта теории Великого объединения [39] [40]. (Поиски распада протона — продолжаются).

Далее: К концу стадии Великого объединения, занимающей промежуток времени с 10–43 сек по 10–36 сек, температура снижается (вследствие расширения) до 1028 K [41], когда электрослабые и сильные взаимодействия — также отделяются друг от друга.

Начинается эпоха существования электрослабого взаимодействия (10–36 сек — 10–12 сек). В этот период, температура достаточно велика для рождения W- и Z-бозонов, переносящих электрослабое взаимодействие. К концу электрослабой стадии, концентрация энергии снижается ниже порога образования W- и Z-бозонов (около 100 ГэВ), и электромагнитные и слабые взаимодействия — также разделяются.

При этом, открывается нарушение симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействием, описываемое механизмом Хиггса. Благодаря этому механизму, кванты, переносящие электромагнитное взаимодействие — оказываются безмассовыми (т. к. не взаимодействуют с полем Хиггса), а кванты слабого взаимодействия (W и Z) — массивными, что приводит к большим различиям электромагнитного и слабого взаимодействий, в следующую эпоху.

С 10–12 сек, все взаимодействия — уже имеются в том виде, в котором существуют в современном окружающем Мире (т. е. гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое).

Дальнейшие стадии, предшествующие стадии первичного нуклеосинтеза — см. в табл. 63 (на них, подробно останавливаться не будем).

Далее, говоря об основах неклассических представлений о Большом Взрыве — необходимо познакомиться с сутью т. н. инфляционной модели, — более новой и также общепринятой, конкурирующей с традиционным пониманием Большого Взрыва, в отношении описания его самых ранних стадий. (Инфляционная модель — объясняет однородность окружающего Мира / конечной Вселенной, на больших масштабах, в т. ч. высокую однородность реликтового излучения, в то время как традиционная модель с этим практически не справляется).

В инфляционной модели, пространство-время (конечной) Вселенной, за время, соответствующее в традиционной космологии, промежутку с 10–36 сек по 10–32 сек [42], — претерпевает период стремительного (точнее, экспоненциального) раздувания, — т. н. инфляцию (во время которой, объём (конечной) Вселенной возрастает не менее чем в 1078 раз [43]). За инфляцию — ответственно соответствующее поле — т. н. инфлатон. Инфляция — начинается в конце стадии Великого объединения (10–36 сек), когда концентрация энергии (температура) снижается до порога отделения сильного взаимодействия, т. е. нарушения симметрии Великого объединения, что и запускает инфляцию. Инфляционная стадия — заканчивается фазовым переходом растянутого поля инфлатона, а именно — его распадом на сразу разделённые взаимодействия — электрослабые и сильные. При этом, вновь появляется огромная температура и давление, соответствующие, однако, только времени около 10–32 сек в традиционной космологии, что соответствует стадии существования электрослабых взаимодействий (10–36 сек — 10–12 сек). (Эти и другие моменты — объясняются, далее — в постнеклассических (наглядных) представлениях о Большом Взрыве, к которым, наконец, и переходим):

Причины и суть Большого Взрыва

Чтобы увидеть, каким был окружающий Мир в начале, и почему он стал таким как есть, подымемся, забегая вперёд, на уровень выше атомных ядер — и представим наглядное строение атома гелия-4, см. рис. 203.



Рис. 203


Этот объект, атом — пример наиболее энерговыгодного состояния вещества, каковым оно является в современную эпоху, когда все взаимодействия — разделены, симметрия — нарушена, а вакуум — находится в кристаллическом состоянии.

Но так было не всегда:

Обратимся, с т. зр. наглядной геометрии, ко времени до разделения взаимодействий, в т. ч. когда ещё не было сильных (мезонных) взаимодействий. Перейти к этому состоянию, геометрически — очень легко: нужно лишь «надавить» на атом сверху и снизу, что переведёт его в «плоское» состояние, см. рис. 204. При этом, мы видим, что мезонное поле — исчезло. А электрон — занял образовавшееся свободное место («дырку») возле нейтрона.



Рис. 204


Далее, устраним нарушение симметрии между правой и левой частью, см. рис. 205. На этом рис., мы уже пришли к вероятной геометрии состояния, соответствующего времени до начала инфляционной стадии. (Ещё более раннее состояние — ячейка, показанная на рис. 206 (будет рассматриваться, подробнее — позже)).



Рис. 205



Рис. 206


Теперь рассмотрим саму вероятную суть и ход процесса нарушения симметрии = разделения взаимодействий, что соответствует, по времени, стадии инфляции:

Вещество, показанное на рис. 205 — стремится перейти к тому объёмному состоянию (и выгодной геометрии), что оно имеет в современности. Однако, это поднятие из плоского состояния в объёмное — геометрически невозможно, т. к. одна из будущих граней — оказывается лишней, мешающей поднятию, см. рис. 207.



Рис. 207


Чтобы произошёл процесс поднятия, одна из будущих граней — должна отколоться, в процессе поднятия, что ведёт к выгодной геометрии, но с нарушенной симметрией, а отколовшаяся грань — становится в окружающем Мире — электроном. Наглядно, этот процесс — показан на рис. 208. Уже из этого рис. — становится очевидна возможная (геометрическая) причина, почему в современном окружающем Мире существуют электроны, и почему, после образования, между электроном и атомным ядром — остаётся взаимодействие (притяжение), благодаря которому, в дальнейшем, происходит образование атомов, из атомов — молекул, и т. д.



Рис. 208


Далее — рассмотрим процесс поднятия (= разделения взаимодействий, и косвенно, инфляции), в более подробной форме (допуская меньшее число упрощений):

В процессе поднятия из плоского состояния, и откалывания грани (электрона), рождается, сперва, естественно, не сам электрон в чистом виде (и даже не его тяжёлые аналоги, мюон или таон), а ещё более тяжёлые (энергоёмкие) частицы, — например, кванты электрослабого взаимодействия, W-бозоны. Действительно, в процессе поднятия, мало откалывания грани, см. рис. 209. На рис. видно, что в случае простого откалывания грани, у будущего нейтрона — остаётся только два кварка, в то время как нужно три. Чтобы в нейтроне появился третий кварк, недостаёт т. о. ещё одного эпицентра дислокации, а из-за парного рождения частиц (и магнитных осей), необходимо одновременное появление двух таких эпицентров: один из них — становится эпицентром третьего кварка в нейтроне, а второй — остаётся в виде (анти)нейтрино. Т. к. оба процесса — откалывание грани (= будущего электрона), при поднятии, и образование эпицентров для третьего кварка и антинейтрино — происходят одновременно и взаимосвязаны, антинейтрино и электрон — вылетают в виде единой частицы, которую можно отождествить с W-бозоном (последний, как известно, распадается на электрон и антинейтрино (впрочем, так же распадается и пи-минус-мезон)). В целом, поднятие (соответствуя, по времени, инфляционной стадии) — может приводить, как видно, сразу к электрослабой эпохе (т. е. существованию, отделённых друг от друга, электрослабого и сильного взаимодействий (полей)), как следует и из инфляционной (неклассической) модели.



Рис. 209


Причина отсутствия антивещества

В современном окружающем Мире — практически отсутствует антивещество (антипротоны, позитроны и т. п.). Т. о. симметрия между веществом и антивеществом — является нарушенной. Возникает вопрос о причинах её нарушения, а также времени (т. е. стадии) Большого Взрыва, когда она могла нарушиться.

На неклассическом этапе — нет общепринятых (доказанных) представлений о причинах этого нарушения. О содержании процессов, приведших к устранению антивещества из окружающего Мира, на неклассическом этапе — существуют гипотезы.

Но обратимся к наглядным (постнеклассическим) представлениям, см. рис. 210. На рис. видно, что нарушение симметрии между будущими протонами и антипротонами (а также электронами и позитронами) — могло произойти в процессе поднятия (т. е. во время инфляции), завершаясь в стадию электрослабых взаимодействий.

Наглядно, на рис. 210 видно, что если бы нарушения симметрии не было (в виде откалывания грани, т. е. электрона), вместо нейтрона образовалась бы частица с зарядом –1 и спином 1/2, по структуре — соответствующая антипротону.



Рис. 210


Но отрицательный заряд этой частицы — был унесён отколовшейся гранью, электроном, оставив частицу нейтральной (т. е. вместо антипротона — образовался нейтрон). (Примечание: при этом нарушении симметрии, речь идёт не о распаде антипротона до нейтрона, а об отсутствии образования антипротона, и распаде предшествующей «плоской» частицы, при поднятии). Благодаря этому, т. е. нарушению симметрии — и существует окружающий Мир в виде атомов, молекул и т. д. (иначе, вещество и антивещество — проаннигилировали бы друг с другом в излучение).

Далее: Выгода нарушения симметрии (= откалывания грани) — очевидна из геометрии. Но почему при Большом Взрыве, такое нарушение симметрии произошло везде одинаково, т. е. только у правых, а не левых «плоских» частиц («виртуальных», т. к. реальные — появляются уже при распаде (высвобождении энергии) инфлатона). Данный процесс (т. е. откалывание грани всегда в одном и том же месте, с образованием e) — можно представить как спонтанное нарушение симметрии:

Понятие спонтанного нарушения симметрии, и различные примеры таких нарушений — известны ещё на неклассическом этапе: В частности, это понятие — было использовано в теории электрослабых взаимодействий, где спонтанное нарушение симметрии, осуществляемое посредством механизма Хиггса — ведёт к безмассовости фотонов, и придаёт массу остальным частицам. (Можно сказать, при низких энергиях, более энерговыгодно — существование одного безмассового бозона, фотона, нежели существование всех четырёх бозонов объединённого электромагнитного и слабого взаимодействия, в безмассовом состоянии, т. о. при температуре ниже критической, происходит нарушение симметрии, в сторону фотона).

Из более простых примеров спонтанного нарушения симметрии — можно привести явление возникновения намагниченности при остывании изначально расплавленного железа, ниже критической точки. Намагниченность, при этом — появляется в одном из множества возможных, случайных направлений, и т. о. первоначальная симметрия между всеми направлениями (т. е. равноправие направлений) — нарушается спонтанно. Иными словами, выбор определённого направления — происходит самопроизвольно и случайно (а затем распространяется между соседними атомами, образуя значительный участок намагниченности (домен)). (Т. о. видим пример цепной реакции спонтанного нарушения симметрии (вернее, первоначально спонтанное нарушение — вызывает, далее, индуцированное нарушение симметрии у соседних атомов, — появление у них намагниченности в том направлении, которое первоначально было выбрано случайно)).

Ещё пример: в живых организмах на планете Земля — используются почти исключительно L-аминокислоты, вместо D-аминокислот (являющихся, по структурному скелету из атомов, их зеркальными отражениями). Выбор между L- и D-аминокислотами — можно считать произошедшим случайно [44], но энергетически выгодно использование только одного типа аминокислот, а не двух сразу.

Возвращаясь к геометрии вакуума, и нарушению симметрии в нём (в т. ч. вещества и антивещества), видим, что правой и левой «плоским» частицам (рис. 205) — всё равно, какую из будущих граней откалывать, при поднятии. Т. о. выбор между гранями (а также между правой и левой «плоскими» частицами), для нарушения симметрии — может быть случайным (= спонтанным нарушением симметрии).

Но как только первая частица — выбирает отколоть определённую грань (и распадается с образованием будущих нейтрона и электрона), окружающие «плоские» частицы (и геометрия вакуума), начинают распадаться точно так же, и симметрия нарушается во всём объёме поля инфлатона, т. е. не менее чем в границах всего окружающего Мира. (Примечание: размер наблюдаемой области Вселенной = окружающего Мира, в конце стадии инфляции — составляет около двух метров в поперечнике [45]). Происходит цепная реакция спонтанного нарушения симметрии, наглядно — заключающаяся в поднятии из «плоского» состояния, с образованием (будущего) вещества, без образования антивещества.

Итак, в целом, причина отсутствия антивещества в окружающем Мире — может быть представлена как переход первоначальной геометрии вакуума к состоянию с нарушенной симметрией (выгода которого — очевидна из геометрии (упрощённо — из того, что образующиеся частицы (в конечном итоге, протон и нейтрон) — геометрически подходят друг к другу, и плотно соединяются, без дырок)). Но сам выбор между антивеществом и веществом в конечном состоянии — мог быть случаен, т. е. мог произойти по механизму спонтанного нарушения симметрии.

Фазовые переходы вакуума

Понятие фазовых переходов — первоначально возникло в связи с понятием сред (твёрдой, жидкой и газообразной). На неклассическом этапе, понятие фазовых переходов было применено также и к вакууму, но не как к среде (вакуум — рассматривается как нижнее энергетическое состояние всех полей): при этом, фазовыми переходами считаются все последовательные разделения взаимодействий (в т. ч. в стадию инфляции). На постнеклассическом этапе, вакуум — представляется как среда (в современном состоянии — с кристаллической структурой), т. о. понятие фазовых переходов можно применить к вакууму как среде:

При этом очевидно, что вакуум, как и, в общем, любая среда — мог существовать, ранее — не в кристаллическом (= упорядоченном), а в жидком (= полухаотичном (упрощённо)), и даже в газообразном (= полностью хаотичном) состоянии (а также мог иметь кристаллическую решётку, отличающуюся от теперешней). (Косвенно, о возможности фазовых переходов вакуума — может также свидетельствовать отсутствие (необразование) частиц 4-го поколения в современном вакууме: если энергия образования дислокаций 4-го порядка — оказывается превышающей необходимую для фазового перехода вакуума, то вместо них, и частиц 4-го поколения соответственно — образуется лишь участок (пузырёк) новой фазы, переходящий затем в обычную и дислокации лишь 3-го порядка).

Рассмотрим поднятие (и распад поля Великого объединения), на предмет возможной связи с фазовым переходом между состояниями вакуума (двумя кристаллическими, с разным типом решётки, либо жидкой фазой и кристаллической):

Почему первоначальное вещество устремилось к поднятию, вместо того, чтобы существовать в плоском состоянии? Естественно, что плоское состояние — не могло быть изначально неустойчивым (иначе бы оно не образовалось, и не существовало бы ранее). Поднятие из плоского состояния — стало возможным и выгодным, лишь после того, как первоначальная среда (и геометрия вакуума, соответствующая «плоским» частицам), потеряла устойчивость (по некоторой причине, в т. ч. в результате снижения концентрации энергии ниже критического уровня).

Эта неустойчивость — действительно, может быть представлена как начало фазового перехода среды, от кристаллической решётки, соответствующей плоским частицам, к решётке, образующейся в результате поднятия (либо как часть процесса перехода от жидкого — к твёрдому состоянию, — т. е. кристаллизации вакуума). В обоих процессах, происходит нарушение симметрии: при переходе между решётками — симметрия нарушается в процессе поднятия, а при переходе от жидкой фазы к твёрдой — т. к. появляются выделенные направления, понижающие симметрию от сферической до той или иной симметрии кристаллической решётки, всегда имеющей меньшее число плоскостей (осей) симметрии, чем в целом, сферически симметричные, жидкость / газ.

Тип кристаллической решётки вакуума — уже рассматривался ранее, — в виде самой простой из кристаллических решёток (плотноупакованной, где вокруг каждой вакуумной частицы — располагается по 12 других вакуумных частиц). Из геометрических свойств этой решётки — следует невозможность существования «плоских» элементарных частиц в ней (т. е. она не может быть первоначальной решёткой, соответствующей «плоским» частицам), см. рис. 211. На рис. видно, и уже рассматривалось ранее, что в плоскости (на срезе) плотноупакованной кристаллической решётки вакуума — могут существовать треугольники, ориентированные только одним определённым образом (только вверх или только вниз), поэтому частицы в кристаллическом вакууме (протоны, нейтроны, мезоны и т. п.) — обретают объёмное строение, т. е. в виде граней, наклонённых по отношению друг к другу. Однако, чтобы соответствовать такому строению, кристаллическая решётка вакуума — должна обладать уже симметрией не 6-го (на срезе) или 3-го (в целом) порядка (как у плотноупакованной), а 5-го порядка, что можно видеть на примере строения атомных ядер, см. рис. 212. Симметрия 5-го порядка, до недавнего времени — считалась строго запрещённой для кристаллов, но оказалась свойственна т. н. квазипериодическим кристаллам (= квазикристаллам), изучение которых, только начинается, но само их существование — уже стало общепризнанным (о чём говорит в т. ч. Нобелевская премия по химии за 2011 год, за открытие квазикристаллов). Итак, из строения ядер (и сложных элементарных частиц), следует квазикристаллическое строение вакуума.



Рис. 211



Рис. 212


Эта решётка — имеет многие общие свойства с рассматривавшейся ранее, плотноупакованной (которая применима для строения вакуума и элементарных частиц т. о. лишь упрощённо): Квазикристаллическая решётка (с икосаэдральной симметрией (= симметрией 5-го порядка)) — в некотором роде, тоже является плотноупакованной, но в отношении упаковки не сфер, а плотноупакованных (= правильных) тетраэдров из сфер [46] [47]. При этом, правильный тетраэдр, и тетраэдры, соединённые вершинами — являются элементами обеих решёток, см. рис. 213. Число выбитых вакуумных частиц, окружающих выбитую центральную, при объяснении элементарных частиц 2-го и 3-го поколений, в обеих решётках — также одинаково (равно 13 и 55, считая выбитую центральную [48]). В целом, переход от понимания вакуума как простейшей, плотноупакованной решётки, к решётке квазикристаллической, с симметрией икосаэдра (= симметрией 5-го порядка) — лишь небольшое уточнение (переход от упрощённого, временного и удобного представления, к необходимому более точному).



Рис. 213 [V], [VI]. Кубооктаэдр (слева), представляет плотноупакованную решётку; икосаэдр (справа), представляет квазикристаллическую решётку (примечание: в обе фигуры — добавлена центральная точка (частица), которая — является вершиной для тетраэдров, с основаниями в виде (треугольных) граней кубооктаэдра / икосаэдра)


Переход к этому состоянию (т. е. к квазикристаллической структуре вакуума, с объёмным строением сложных элементарных частиц), от предшествующего жидкого / кристаллического состояния вакуума с иной решёткой, можно назвать т. о. причиной поднятия (в процессе которого, происходит нарушение симметрии между веществом и антивеществом, и разделение поля Великого объединения на электрослабое и сильное, как уже говорилось).

Итак, поднятие (и возможно, косвенно, инфляция) — может быть следствием фазового перехода вакуума (с образованием квазикристаллической решётки).

До Большого Взрыва

На неклассическом этапе, рассмотрение Большого Взрыва — начиналось с планковской эпохи. Считалось, что до этой стадии — либо не существовало времени, что т. о. не позволяет говорить о моменте «до», либо имелось т. н. сингулярное состояние (бесконечной плотности (в теории относительности)), перед которым тоже ничего не было (т. е. рождение конечной Вселенной из ничего).

На постнеклассическом этапе — можно, с некоторой вероятностью, говорить о том, что могло быть, до этой, самой первой рассматриваемой стадии (в т. ч. избегая сингулярности), и о том, что окружающий Мир — не возникал из ничего.

Для начала — рассмотрим состояние вакуума, которое являлось устойчивым до поднятия, т. е. (предположительно) — жидкое или иное кристаллическое:

Как уже отмечалось, до процесса поднятия — вещество представляется в виде плоских частиц, или шестигранных ячеек (в т. ч. разделённых надвое). Эти, шестигранные ячейки, соответствующие «плоским» частицам, могут соответствовать прежней кристаллической решётке вакуума или времени, когда жидкое состояние вакуума — достигло точки перехода в кристаллическое (= упорядоченное) состояние (тут они — лишь отражают начальную стадию этого перехода).

Если двинуться ещё дальше в прошлое (к ещё большей концентрации энергии) — так или иначе, можно увидеть фазовый переход вакуума в жидкое (= полухаотичное) и газообразное (= полностью хаотичное) состояния, в которых, все упорядоченные структуры (вернее, регулярная повторяемость этих структур = дальний порядок) — исчезают. Солитоны (= нелинейные волны, дислокации, а значит, и элементарные частицы), в этих фазах — существовать не могут, как и (известные) взаимодействия. Частицы среды вакуума — просто сталкиваются друг с другом и разлетаются, что в сущности, есть существование линейных волн (в некоторой аналогии со звуком). Взаимодействия между этими волнами, движущимися всегда с одинаковой средней скоростью — отсутствуют (как и обычные звуковые волны (и любые линейные волны вообще) — свободно проходят сквозь друг друга). Т. о. на этой стадии — нет никаких взаимодействий, известных в современности, а среда — обладает максимальной симметрией, что соответствует единому взаимодействию, т. е. планковской эпохе или времени до неё.

Газообразное состояние вакуума — может иметь практически любую, т. е. не обязательно низкую, плотность (но чтобы оставаться газообразным — нужна и соответствующая температура (= достаточно высокая концентрация энергии), разрушающая все упорядоченные структуры, т. к. отсутствие последних — и есть газообразность = хаотичность среды). На этой стадии — нет вещества (в смысле, вещества, предшествующего тому веществу, что наблюдается в современном окружающем Мире), а есть только вакуумные частицы и (безмассовые) линейные волны. Т. о. представления о частицах и взаимодействиях, наблюдаемых в условиях современного (кристаллического) состояния вакуума — тут неприменимы.

Если пойти ещё дальше в прошлое (при ещё большем повышении концентрации энергии) — можно увидеть распад самих вакуумных частиц, и т. д. — бесконечно можно двигаться ко всё более глубоким уровням вещества (каждый из которых — имеет начало, и когда-то не существовал или был другим (как и Мир в целом)).

Итак, Большой Взрыв (а также время до Большого Взрыва, т. е. до планковской эпохи) — может представляться как последовательное остывание, падение концентрации энергии в окружающем Мире, в т. ч. связанное с переходами её на образующиеся (самоорганизующиеся) более высокие уровни вещества. Так, энергия движения вакуумных частиц (газовой фазы) — переходит, в конечном итоге, в энергию (массу) покоя элементарных частиц (= солитонов), сами же частицы среды вакуума — в целом, останавливаются (кристаллизация вакуума).

Заметим, что существование, в прошлом, полухаотичной (жидкой) и ещё более примитивных фаз вакуума — является возможным, но не обязательным, т. к. непрерывное падение концентрации энергии, в истории окружающего Мира — это лишь экстраполяция наблюдательных данных (о физическом расширении Мира), в прошлое, т. е. лишь возможное направление. Поэтому также не исключены процессы, в истории Мира, временно повышающие концентрацию энергии:

На неклассическом этапе, подобная возможность имеется в струнных теориях (Большой Взрыв как результат столкновения многомерных струн (бран), что приводит к выделению энергии); также и инфляция, до распада поля инфлатона — характеризуется падением температуры, но дальнейший распад поля инфлатона, вновь разогревает вакуум (наполняет окружающий Мир / конечную Вселенную энергией, в виде реальных частиц).

Вопрос о фазе вакуума, предшествующей процессу поднятия (и возможной инфляции), а также вопросы о более ранних этапах эволюции Мира, вплоть до бесконечно далёких времён — являются, естественно, выходящими за рамки окружающего Мира = доступной наблюдениям части Вселенной, на современном этапе. Но наиболее простые = наиболее вероятные варианты — можно видеть уже сегодня.

Простота окружающего Мира

Попробуем решить следующий вопрос: можно ли назвать окружающий Мир — самым простым из возможных Миров (а значит, и наиболее вероятным)?

Действительно, если рассматривать вакуум, то вакуумные частицы — представляются однообразными (одинаковыми), притом обладающими сферически симметричной формой своих эпицентров, что является самым простым вариантом устройства объектов. Кристаллическая решётка вакуума как плотноупакованная (в которой каждая вакуумная частица окружена 12-ю другими) — также (вероятно) самый простой вариант строения кристаллической решётки.

В итоге, является ли процесс поднятия из плоского состояния (с нарушением симметрии) — самым простым процессом из возможных, которые могли произойти? Будучи связанным с образованием наиболее простой кристаллической решётки, причём наиболее простыми частицами среды вакуума, поднятие, с откалыванием всего одной грани — действительно представляется самым простым процессом, и вариантом образования вещества / кристаллизации вакуума.

Этот вариант, как самый простой — имеет своим следствием, дальнейшее образование таких объектов как атомы. В итоге, существование лёгких элементарных частиц, электронов, образующих электронные оболочки вокруг атомных ядер (где каждый протон — примерно в 1 836 раз массивнее электрона, а нейтрон — в 1 839 раз), — также представляется самым простым вариантом устройства вещества, и окружающего Мира. (В иных условиях, в других (менее вероятных) Мирах — вместо атомов могут существовать совершенно другие объекты).

Благодаря наличию атомов — возможно образование ионов и химические реакции (между атомами), приводящие к появлению молекул, камней, океанов и т. д.

Итак, почему наш Мир таков как есть? Потому что такое строение Мира, которое реализовалось — является наиболее вероятным = наиболее простым, что можно наглядно видеть из геометрии.

Аналогична — причина появления человека в крупной галактике (Млечный Путь), что также реализовалось как наиболее вероятное событие (т. к. число звёзд тут, по сравнению с соседними галактиками — огромно).

Человек мог появиться и в малой галактике, но это — менее вероятно, и не реализовалось. Так — и окружающий Мир, мог быть другим, но получился таким как есть, потому что этот, реализовавшийся вариант его устройства — наиболее прост (= вероятен), согласно наглядной геометрии (элементарных частиц и вакуума).

Далее: Итак, мы рассмотрели, в целом, общую картину Большого Взрыва, в связи с наглядными (постнеклассическими) представлениями об уровне вещества вакуума и элементарных частиц. При этом, детали, которые можно назвать (относительно) частными — были, естественно, опущены, а все процессы — рассматривались упрощённо (а некоторые моменты — ещё будут уточнены, позже). К рассмотрению уровня вещества вакуума и элементарных частиц, мы ещё будем возвращаться, далее, а сейчас — переходим к рассмотрению более высокого уровня вещества окружающего Мира, после атомных ядер, — т. е. атомов:

Атомы

Атом — состоит из ядра и электронов, что можно наглядно видеть, и уже рассматривалось ранее, на примере атома гелия-4 (рис. 203). Беря в расчёт, что электрон не является ни точкой, ни твёрдым шариком, но обладает безграничными размерами, и является волной (на постнеклассическом этапе — нелинейной волной в кристаллической среде вакуума), электрон может, взаимодействуя сам с собой (самодействие) и с атомным ядром, образовывать стоячие волны, — основу атомных (электронных) орбиталей (при этом, в размере любой орбитали должно укладываться целое число т. н. волн де Бройля электрона (что является условием образования стоячей волны)). Это число — было названо главным квантовым числом (n) (одно из первых, открытых в квантовой механике).

Орбитали с одинаковым n — составляют т. н. электронные оболочки атома, см. табл. 64. Из табл. видно, что первая электронная оболочка атома состоит из всего одной, 1s-орбитали, на которой может расположиться два электрона с противоположными спинами, что можно наглядно видеть на рис. 214. Вторая электронная оболочка, как видно из табл. 64 — состоит из одной 2s- и трёх 2p-орбиталей, и содержит уже 8 электронов. Третья — 18. И т. д.


Таблица 64

Число электронов на оболочках в атоме (примечание: s, p, d, f, g — орбитали; их число — указано в скобках)





Рис. 214


Причину, почему на атомных оболочках находится именно столько электронов — можно усмотреть из предположения о симметрии энергоуровней атомных ядер и атомов (как уже, в целом, рассматривалось ранее). С другой стороны, эти числа (2, 8, 18, 32 и 50) — в точности соответствуют увеличению площади сферы, при возрастании её радиуса на одинаковую величину: Например, если радиус сферы, которая соответствует месту, занимаемому 2 электронами, увеличить в два раза — площадь сферы возрастёт в 4 раза (согласно известной формуле S = 4πr2 = πd2), и т. о. на ней будет место для 8 электронов. Если радиус увеличить в три раза — площадь возрастёт в 9 раз, и будет место уже для 18 электронов (третья оболочка). И т. д., в четыре — для 32 (четвёртая оболочка), в пять — для 50 (на этой, пятой оболочке, уже имеются, пока неоткрытые, орбитали энергоуровня g, принадлежащие элементам за пределами (современной) таблицы Менделеева).

Как видно, на каждой сфере = в каждой электронной оболочке, всякому электрону — отводится одинаковый участок площади (например, если на сфере первой оболочки электрон занимает одну условную единицу площади, то на пятой электронной оболочке, он тоже занимает такую же единицу площади, но площадь сферы возросла в 50 раз, что даёт место 50-ти таким электронам). Если попробовать реально расположить электроны на сфере, например, как на рис. 215, — получим лишь отдалённое, сильно упрощённое представление о форме атомных орбиталей.



Рис. 215


Для вычисления формы атомных орбиталей, можно применить уравнение Шрёдингера (волновое уравнение), сформулированное ещё на неклассическом этапе. Это уравнение — есть способ расчёта формы орбитали, исходя из простейших исходных данных, таких как электрическое притяжение электрона и ядра, с учётом волновой природы электрона (описываемой волновой функцией), и т. п.

Уравнение даёт определённые формы т. н. сферических гармоник, которые можно получить и чисто геометрическими уравнениями — уравнениями сферических гармоник (уравнение Лапласа, входящее в состав уравнения Шрёдингера), для определения трёхмерной геометрии математической функции, привязанной к точке симметрии — см. примеры на рис. 216. Уравнение Шрёдингера — лишь конкретизирует случай сферических гармоник, в применении к атому.

1s-орбиталь, вычисленная по этому уравнению — имеет вид симметричной сферы (точнее, шара), с максимальной плотностью вероятности нахождения электрона — в центре ядра, см. рис. 217.



Рис. 216 [VII]. Сферические гармоники (соответствуют орбиталям: 1s (Y0), 2p (Y1), 3d (Y2), 4f (Y3))



Рис. 217 [VIII]. Срезы первых атомных орбиталей


Следующая, 2s-орбиталь, согласно уравнению Шрёдингера — имеет строение в виде вложенных друг в друга сфер, в т. ч. центрального пятна (центральной сферы), см. рис. 217. Понять образование такой формы орбитали, и ещё более сложных форм — можно по аналогии с другими примерами стоячих волн, например, стоячими волнами на поверхности мембраны (барабана), см. рис. 218–220.



Рис. 218 [IX]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 1s (показаны положения мембраны в моменты времени t1, 5 (вверху), t2, 4 (посередине), t3 (внизу))



Рис. 219 [X]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 2s (показаны положения мембраны в моменты времени t1, 5 (вверху), t2, 4 (посередине), t3 (внизу))



Рис. 220 [XI]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 3s (показаны положения мембраны в моменты времени t1, 5 (вверху), t2, 4 (посередине), t3 (внизу))


На любой s-орбитали (впрочем, как и на любой орбитали вообще) — можно разместить, максимально, по два электрона, с противоположными спинами. Помимо s-орбитали, начиная со второй электронной оболочки, становится возможным образование и трёх p-орбиталей. Совокупность p-орбиталей — удобно представить в виде отдельной сферы (= подоболочки), при расщеплении оболочки на подоболочки s (2 электрона) и p (6 электронов). Тогда, p-орбитали — можно увидеть как способ разместить на сфере более двух электронов (в т. ч. обходя принцип запрета Паули): для этого, сфера (вернее, объём, ограниченный сферой) должна как бы вспучиться, разделиться на три части, т. е. три p-орбитали, составляющие сферу лишь в сумме, см. рис. 221 и 222. Действительно, орбитали любой подоболочки (как p (3 орбитали), так и более сложные, d (5 орбиталей) и f (7 орбиталей)) — легко сложить в единое сферически симметричное целое (= подоболочку), просто совместив все орбитали одного уровня друг с другом в пространстве (см. пример на рис. 223).



Рис. 221



Рис. 222 [XII] [XIII] [XIV]. Три p-орбитали (py-орбиталь (ориентирована вдоль координатной оси y), px-орбиталь (посередине), pz-орбиталь (справа))



Рис. 223 [XV]. Совмещение орбиталей 3d-подоболочки


При совмещении орбиталей, видно, что выполняется условие расположения электронов наиболее далеко друг от друга, но без изменения среднего расстояния от ядра, т. е. такое расположение электронов — энергетически выгодно.

Подоболочки, однако, не равнозначны друг другу (по энергии): Упрощая, можно сказать, что электроны, при заполнении оболочки, в последовательности s – p, и далее, p – d и d – f — располагаются всё более тесно друг к другу, как можно видеть уже из рис. 215. Это приводит к энергетической неравнозначности электронов на этих подоболочках: в направлении подоболочки (= подуровня) f — растёт энергия электронов, а энергетическая выгода т. о. падает. При этом, число электронов на подоболочках — соответствует разнице между площадями соседних сфер = оболочек (число электронов: 8 – 2 = 6 (p), 18 – 8 = 10 (d), 32 – 18 = 14 (f), и т. д.).

Более высокую энергию электронов на p (а также на d и f) подоболочках (из-за большей тесноты расположения) — можно представить также как эквивалентную дополнительному движению электрона, по сравнению с покоем относительно ядра, т. е. в виде орбитального момента, или импульса электрона. (Это не означает, что электрон движется по орбитали, но дополнительное движение (дополнительная, по отношению к энергии покоя, энергия электрона) определяет геометрию образуемой им орбитали (p или d, и т. д.)). Орбитальный момент отсутствует у электронов s-подоболочек, и равен единице для электронов p-подоболочки, двум единицам для d, и т. д. (т. е. квантуется). Это — третье (после n и спина) квантовое число электрона в атоме (выясненное на неклассическом этапе).

Если орбитальный момент разложить по проекциям на оси координат (x, y и z) — получим ориентацию орбиталей, относительно друг друга, отражающую стремление электронов располагаться как можно дальше друг от друга (а орбиталей, как сферических гармоник — занимать промежутки между собой, для образования сферически симметричного целого), см. рис. 222. То же самое — и для d-подуровня (рис. 223), и т. д. (Проекция орбитального момента — это четвёртое (последнее) квантовое число, характеризующее состояние электрона в атоме).

Волновая суть p- и d-орбиталей (которые были показаны, в частности, на рис. 217) — тоже может быть понята по аналогии со стоячими волнами на мембране (барабане), см. рис. 224–226. Из рис. легко понять, что орбитали в виде «гантелей», и другие причудливые формы — действительно могут представлять реальную геометрическую форму стоячей волны, которую образует электрон в атоме. Эквивалентом этого, является и традиционная интерпретация, что форма электронной орбитали — отражает распределение плотности вероятности обнаружения электрона (как частицы), в пространстве.



Рис. 224 [XVI]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 2p (показаны положения мембраны в моменты времени t1, 5 (вверху), t2, 4 (посередине), t3 (внизу))



Рис. 225 [XVII]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 3p (показаны положения мембраны в моменты времени t1, 5 (вверху), t2, 4 (посередине), t3 (внизу))



Рис. 226 [XVIII]. Колебание мембраны, соответствующее орбитали 3d (показаны положения мембраны в моменты времени t1, 5 (вверху), t2, 4 (посередине), t3 (внизу))


Далее: Переходя к рассмотрению химических свойств (или связей) атомов, сталкиваемся с образованием следующего, более высокого уровня вещества, — молекул:

Молекулы

Молекулы — объекты, образующиеся благодаря особым электромагнитным взаимодействиям между атомами, — т. н. сильным химическим связям. (Существуют, помимо сильных, и слабые химические связи, — межмолекулярные, важные для понимания ещё более высоких уровней вещества, о которых — чуть позже).

Только сильные химические связи приводят к образованию молекул = сильных систем (= ведущих себя как единое целое, более чем как совокупность атомов).

Сильные химические связи традиционно подразделяют на ковалентные (полярные и неполярные), ионные и металлические, хотя все эти типы связей (как и слабые химические связи (Ван-дер-Ваальса, водородные, т. п.)) — разные крайние проявления одних и тех же закономерностей, лежащих в основе химической связи.

Химические взаимодействия атомов (а все химические взаимодействия — производны от электромагнитного взаимодействия), заключаются в смещении т. н. электронной плотности (в некоторой аналогии со смещением кварковой плотности), внешнего(-их) электрона(-ов), от ядра одного атома к другому, или в середину расстояния между ядрами (атомами), что оказывается энергетически выгодно.

В типичном случае, из двух электронных орбиталей, принадлежащих разным атомам — формируется единая, т. н. молекулярная орбиталь, электронная плотность которой — принадлежит одновременно двум ядрам, т. е. связывает последние.

Геометрическая форма молекулярной орбитали, и энергия связи, обусловленная ей — могут быть рассчитаны при помощи уравнения Шрёдингера, применённого для случая многоцентровой связи (т. е. связи электрона не с одним ядром, а с двумя и более, что имеет место в молекуле). Электрон молекулярной орбитали образует т. о. стоячую волну, электронная плотность которой рассредоточена между двумя или более ядрами. Некоторые примеры таких орбиталей (и = химических связей) — см. на рис. 227.



Рис. 227 [XIX]. Исходные атомные орбитали (1s и 2p), и образуемые из них, молекулярные орбитали


Электронная плотность связующих (наружных) электронов в молекуле, как было упомянуто выше — может разделяться между ядрами (атомами) неравномерно: она смещается в сторону т. н. более электроотрицательного атома молекулы. Электроотрицательность, определяемая как стремление атома принять дополнительный электрон, или не отдавать уже имеющийся — наиболее высока у атомов галогенов и благородных газов, и является наименьшей — у щелочных металлов, см. рис. 228.



Рис. 228 [XX]


Низкую электроотрицательность щелочных металлов — можно понять уже из того, что у атомов этих элементов, электроны впервые начинают занимать более высокую электронную оболочку, расположенную на единицу расстояния дальше от ядра, чем предыдущая (по упоминавшемуся ранее, правилу площади сфер = оболочек). Экспериментальным свидетельством в пользу этого — является наиболее высокий эффективный радиус атомов щелочных металлов, по сравнению с атомами предыдущих элементов в таблице Менделеева, см. рис. 229. При дальнейшем же заполнении оболочки, второй электрон s-подоболочки, и электроны p-подоболочки — добавляются уже на то же расстояние от ядра, что и первый электрон, но из-за одновременного увеличения числа протонов в ядре, притяжение каждого добавляемого электрона к ядру, а также электронов всего атома в целом — возрастает, и атом сжимается (рис. 229). Т. е. сила связи внешних электронов с ядром, в последовательности от щелочных металлов к галогенам и благородным газам — возрастает, = растёт электроотрицательность атома.



Рис. 229 [XXI]


Теперь учтём увеличение плотности расположения электронов: при переходе от s- к p-подоболочке — оно менее значительное, чем от p к d, и от d к f. Поэтому каждый горизонтальный ряд таблицы Менделеева — заканчивается заполнением именно p-подоболочки. Т. е. прежде чем начинает заполняться d-подоболочка, а тем более, f, более выгодным оказывается начало заполнения более высокого энергетического уровня (= следующей оболочки), с её s-подоболочки, поэтому s- и p-подоболочки — всегда располагаются снаружи атома, а d и f — кнутри. При этом, атомы s-, d- и f-элементов — отдают электроны легче, чем p-элементы (во всех случаях, отдаются, прежде всего наружные, т. е. s-электроны).

Итак, наибольшей электроотрицательностью обладают атомы, у которых близка к завершению p-подоболочка, т. е. атомы, расположенные в самой правой части таблицы Менделеева. Высокая электроотрицательность — определяет химические свойства этих атомов, благодаря которым, они образуют блок т. н. неметаллов, см. табл. 65. Неметаллам — свойственно объединяться только в двухатомные и т. п., небольшие по размерам, молекулы, в то время как металлы (s-, d- и f-элементы) — образуют молекулы в виде монокристаллов, атомы в которых связаны т. н. металлической связью.

Атомы металлов, имея низкую электроотрицательность, легко отдают (наружные, s) электроны, с образованием молекулярной орбитали, электронная плотность которой распределена (делокализована) между всеми атомами в монокристалле (а монокристалл — может включать почти неограниченное число атомов).

Неметаллы же, имея высокую электроотрицательность, в нормальных условиях — либо вообще не отдают электроны друг другу (благородные газы), т. е. не образуют молекул, либо отдают их лишь соседним атомам (галогены, образующие мелкие, двухатомные молекулы (F2, и т. п.), как впрочем и некоторые другие неметаллы (O2, и т. п.)), либо (ещё левее, постепенно приближаясь к металлам), образуют цепочки и другие пространственные структуры (S8, Se8, Cn и т. п.).


Таблица 65 [49] , [50]

Таблица Менделеева (слева — металлы (выделены серым), кроме водорода (H), справа — неметаллы, их отграничивают — металлоиды (выделены светло-серым); свойства отмеченных курсивом, элементов, т.  е. 109–111, 113 и 115–118 — не установлены)





Итак, атомы металлов и неметаллов — различаются химическими свойствами, т. к. образуют различающиеся (по размерам и структуре) молекулы. Таким образом, по химическим свойствам (= определяющим образование более высокого уровня вещества — молекул), все атомы можно разделить на три блока: металлы, неметаллы, и занимающие промежуточное положение между ними, металлоиды (= полуметаллы и полупроводники), такие как Si, и т. п. (см. табл. 65). Таблица Менделеева, как видно, организована так, чтобы группировать атомы со схожими химическими свойствами (т. е. отражать закономерную повторяемость химических свойств атомов, при увеличении их массы), при этом, получаются три вышеупомянутых блока, а также вертикальные и горизонтальные ряды, понятные из представлений о порядке заполнения электронных подоболочек (и оболочек) атомов.

Далее: Из представления об электроотрицательности — выясняется и суть такого вида химической связи как ионная:

Ионная связь — реализуется, когда объединяются атомы с сильно (больше чем (примерно) на 1,7) различающейся электроотрицательностью, например, атомы элементов натрия и хлора (см. рис. 228). В молекуле NaСl, электронная плотность связующих электронов, оказывается очень сильно смещена в сторону атома Cl (где электрон занимает вакансию в p-подоболочке). Атом Cl, принимая эту, дополнительную электронную плотность, обретает т. о. значительный, частичный отрицательный заряд, а атом Na, у которого электронная плотность отнимается — соответствующий положительный. Т. о. атомы в молекуле NaCl, приближаются к состоянию двух связанных ионов, Na+ и Cl.

В молекуле NaCl, атом Cl достроил электронную p-подоболочку, за счёт электрона атома Na (при этом, из-за неизменного расстояния от ядра, и роста заряда, заполнение вакансии для p-электрона в атоме Cl очень выгодно). Традиционно также представляют (учитывая частично ковалентный характер любой ионной связи), что и Na — достроил свою, s-подоболочку, за счёт электрона атома Cl (учёт этого важен, но в меньшей степени). В целом, хотя суммарная электронная плотность в молекуле NaCl сильно смещена к атому Cl, представляется, что в образовании связи, в этом (одном из типичных) случае, принимают участие два (т. н. валентных) электрона, образующих общую орбиталь, и т. о. связь, для атомов — взаимовыгодна, см. рис. 230.



Рис. 230


Молекулы с ионной связью (NaCl, и т. п.) — могут объединяться и далее, с образованием более крупной молекулы, т. н. ионного кристалла, в котором, в отличие от монокристалла металла, электроны делокализованы лишь между соседними атомами (например, между ионом Cl, и шестью ионами Na+, окружающими его, см. рис. 231). Хотя делокализация и локальна, ионный кристалл представляет собой единое целое (молекулу), т. к. в нём нельзя выделить индивидуальных молекул (каждый ион взаимодействует с соседними ионами, а соседние ионы — со своими соседями).



Рис. 231 [XXII]. Кристаллическая решётка NaCl (зелёный — Na+, красный — Cl)


Различие в структуре — приводит к тому, что молекулы-ионные кристаллы, в отличие от молекул-монокристаллов металлов — растворимы в полярных растворителях (например, воде), не проводят электрический ток, и т. д. отличаются физическими и (в виде самой внутренней структуры) химическими свойствами.

Далее: В отличие от ионной связи, при ковалентном полярном виде связи, электронная плотность в молекуле смещена не столь резко (различие электроотрицательности у связываемых элементов — менее примерного числа 1,7, но более такого же примерного значения 0,3). Ковалентные полярные молекулы, объединяясь друг с другом, образуют уже т. н. молекулярные кристаллы, т. е. кристаллы, очевидно состоящие из молекул, как относительно самостоятельных частей (структурных единиц). Молекулярные кристаллы — это уже один из примеров более высокого уровня вещества, расположенного выше уровня молекул, а именно — простых молекулярных тел (подробнее о которых — позже).

Далее: При следующем виде химической связи, ковалентной неполярной связи, объединяются атомы с одинаковой (или слабо отличающейся, менее чем на 0,3) электроотрицательностью, так что электронная плотность в молекуле смещается в середину расстояния между атомами (примеры: N2, Cl2 и т. п.), либо делокализуется между несколькими атомами в т. н. ароматических (и некоторых др.) соединениях (см. пример на рис. 232). Крайним проявлением ковалентной неполярной связи, может считаться металлическая связь, — обладающая неограниченной делокализацией электронов.



Рис. 232 [XXIII]. Молекула бензола


Молекулы ковалентных неполярных соединений, соединяясь друг с другом в кристаллы, также сохраняют относительную самостоятельность (не сливаются в единую молекулу), и т. о. образуют молекулярные кристаллы, в которых молекулы связаны относительно слабо (по сравнению с атомами), поэтому молекулярные кристаллы, в отличие от металлических и ионных (= состоящих напрямую из атомов) — легко плавятся, имеют низкую плотность, и т. п., а многие вещества из молекул с ковалентными неполярными связями, при т. н. нормальных условиях — находятся не в твёрдом, а в жидком (Br2) или газообразном состоянии (H2, N2 и т. п.).

Итак, мы рассмотрели основу различных видов (сильных) химических связей. Как видно, различие всех этих видов связей (и образующихся молекул) — происходит из различий в значениях электроотрицательности связываемых атомов, что определяет степень (и направление) смещения электронной плотности в молекулах.

Далее: Рассмотрим, подробнее, вопрос о разнообразии молекул в окружающем Мире:

Помимо разнообразия, связанного с видами химической связи (т. е. молекулы металлов (монокристаллы), ионные кристаллы, двухатомные неполярные молекулы, ароматические и т. п.), для понимания всего имеющегося (и возможного) разнообразия молекул, нужно учесть и более частные источники разнообразия, в т. ч. то, что между собой могут соединяться атомы различных, 118-и элементов таблицы Менделеева (где каждый элемент — химически уникален). Т. о. схожие по структуре, молекулы, но имеющие атомы разных элементов в составе — химически (и физически) различимы, пример: H2O (вода) и H2S (газ сероводород). Кроме того, атомы могут соединяться друг с другом в разном порядке, и разном числе, и с выбором одной из множества возможных геометрических конфигураций. Если учесть эти, относительно частные, вышеперечисленные источники разнообразия молекул, и их сочетания, видно, что разнообразие молекул в окружающем Мире — может быть практически безграничным.

Чтобы не запутаться в этом сложном разнообразии, для удобства, разработана и совершенствуется классификация молекул (общепринятая), — отражающая, прежде всего, общие химические свойства различных типов молекул (т. е. находящая, среди частных химических свойств — общие): Так, все молекулы, согласно этой классификации, сперва, традиционно, делят на органические и неорганические. Органические молекулы, как уже упоминалось ранее — есть те, что имеют углеродный скелет (или хотя бы атом углерода) в составе. Такие молекулы, как известно, имеются в структуре всех известных живых организмов, существующих на Земле. Органические молекулы, далее — делят на различные классы: примеры: спирты, углеводы, карбоновые кислоты, жиры, нуклеиновые кислоты, белки, и мн. др. (не будем на том подробно останавливаться).

Остальные молекулы (не имеющие углеродного скелета) — называют неорганическими. Их известно также множество классов: примеры: (неорганические) кислоты, щёлочи, соли, оксиды, и мн. др. (подробности — также опускаем).

Далее: Вопросы классификации, как и химические реакции молекул, и другие относительно частные вопросы — изучаются, преимущественно, в рамках комплекса химических наук, которым наиболее соответствует изучение молекулярного уровня вещества. Оставляя эти и другие относительно частные вопросы, переходим к рассмотрению следующего, более высокого уровня вещества:

Простые молекулярные тела

Это — следующий уровень вещества, после молекул. Объекты этого уровня — состоят из молекул. Простые молекулярные тела, в отличие от молекул — удобно рассматривать как среды. Они могут быть твёрдые (например, кристалл сахара), жидкие (например, вода, в обычных условиях), или газообразные (например, атмосфера).

Твёрдые молекулярные тела — известны в двух формах: в форме молекулярных кристаллов, и в форме аморфных веществ.

Молекулярные кристаллы, в отличие от ионных кристаллов и монокристаллов металлов (= молекул) — имеют, как уже говорилось, значительно более низкие температуры плавления (из-за относительной слабости межмолекулярных химических связей), а также низкую плотность, и т. п. Вышесказанное — не относится молекулярным кристаллам, образуемым металлами (т. е. поликристаллам, состоящим из связанных молекул-монокристаллов), — которые имеют, в отличие от других молекулярных кристаллов, высокую температуру плавления и плотность, сравнимые с таковыми для ионных кристаллов. Примерами молекулярных кристаллов металлов = поликристаллов — могут служить металлы в самородной форме, и металлические изделия.

Аморфные твёрдые молекулярные тела, в отличие от кристаллов — имеют хаотичную внутреннюю структуру (лишены т. н. дальнего порядка, в расположении элементов своей структуры, свойственного кристаллам). Кроме того, молекулярные кристаллы металлов (поликристаллы), в той или иной степени — тоже близки к аморфным молекулярным телам, хотя традиционно к ним не относятся (степень кристалличности или аморфности, у металлического поликристалла — зависит от величины разупорядоченности монокристаллов, что отражается в таких его физических свойствах как например: степень прочности, и т. п.).

Далее: Жидкие простые молекулярные тела — это различные молекулярные жидкости, которые могут иметь простой или сложный молекулярный состав. Как пример молекулярной жидкости сложного молекулярного состава, можно назвать океан. В среде океана, как растворе — помимо всего прочего, возможно образование мицелл (= сфер из молекул, обладающих гидрофобной и гидрофильной частью), что могло играть роль в возникновении жизни на Земле (об этом — позже), см. рис. 233. Мицеллы, и т. п. — это явления в среде (океане, в данном случае), т. е. зависят от среды, без которой — не существуют, но среда (океан) — не состоит из них.



Рис. 233 [XXIV]. Мицелла


Далее: Атмосфера планеты — газообразное простое молекулярное тело сложного молекулярного состава. Благодаря гравитации планеты, атмосфера представляет собой сильную систему (= ведущую себя как единое целое, более чем как совокупность элементов (все рассматриваемые уровни вещества — являются сильными системами, в то время как слабые — опускаются)). Благодаря неравномерности распределения энергии (= немаксимальной энтропии), атмосферы планет — включают в себя т. н. атмосферные явления (вихри, облака и т. п.).

К какому уровню вещества отнести вихри, облака, ветры и т. п., т. е. явления в среде? К явлениям в среде, относятся и нелинейные волны (солитоны) в молекулярных кристаллах, и элементарные частицы (нелинейные волны) в среде вакуума, и мицеллы в океане. На неклассическом этапе, все такие объекты, в целом — не считались уровнями вещества, или принадлежащими каким бы то ни было уровням вещества. На постнеклассическом этапе, в связи с дальнейшим изучением этих объектов, и изменением представлений об их роли в окружающем Мире, возникает необходимость определить уровни вещества, которым они соответствуют:

Для явлений в среде вакуума, всё просто: явления (нелинейные волны) — это элементарные частицы, а из-за их неразрывной взаимосвязи со средой вакуума, получается уровень элементарных частиц и вакуума. Для молекулярных кристаллов и солитонов в них, можно, для удобства, продолжать называть уровень, просто, уровнем простых молекулярных тел, подразумевая, при этом, более соответствующее, длинное название: простых молекулярных тел и явлений в них.

Аналогично — и для жидких и газообразных молекулярных тел, включая атмосферы планет и океаны (где среда, и явления в ней — рассматриваются в неразрывной взаимосвязи, образуя т. о. единый уровень вещества). В таком случае, атмосфера, как и океан — принадлежат уровню простых молекулярных тел и явлений в них. Т. е. явления (ветры, мицеллы, облака, водовороты и т. д.), будучи не существующими вне среды — образуют единый уровень вещества со средой.

Далее: О разнообразии простых молекулярных тел, можно сказать, что оно может быть ещё более велико, чем разнообразие молекул. Например, атмосфера каждой известной планеты — уникальна, по составу, температуре, давлению, многим явлениям, и т. п. Для удобства, и отражения общих физических свойств, простые молекулярные тела — могут подвергаться классификации: например, атмосфера — по плотности, может быть плотная, разрежённая или сравнимая с плотностью Земной атмосферы. Так же, по различным общим свойствам — классифицируются и жидкие молекулярные тела, например, по размеру: лужа, озеро, океан, по молекулярному составу: вода, бром и т. д., и по др. свойствам. Аналогично — для твёрдых простых молекулярных тел (их классификация, по геометрической форме кристаллов (типу симметрии кристаллической решётки) и составу, разрабатывается, преимущественно, в рамках науки минералогии).

Сложные молекулярные тела

Это — объекты, сильные системы, подсистемами которых являются простые молекулярные тела. Сложные молекулярные тела — это, например, литосферные плиты, горные породы, куски горных пород, в т. ч. многие обычные камни: Так, камни, в которых можно выделить относительно самостоятельные составляющие (в виде вкраплений, прожилок, отдельных кристаллов, и т. п.), — могут быть сложными молекулярными телами, состоящими из простых.

При переходе к жидким и газообразным молекулярным телам, повышение концентрации энергии (повышение температуры, приводящее к плавлению или испарению) — в целом, приводит к снижению уровня вещества до простых молекулярных тел (а дальнейшее нагревание — может также расщепить молекулы, атомы и т. д.). Поэтому жидкие и газообразные сложные молекулярные тела, в общем — отсутствуют.

Уровень планет и звёзд

Прямо за уровнем сложных молекулярных тел, находится уровень вещества планет и звёзд. Граница между планетами и звёздами, при этом — традиционно проводится по наличию или отсутствию термоядерных реакций (= реакций образования более тяжёлых ядер из лёгких), в их недрах, что зависит от массы объекта. Так, термоядерные реакции возможны (идут с достаточной интенсивностью), если объект имеет массу, примерно в 13 раз превосходящую массу Юпитера. Все объекты с массой меньше этого значения (но способные, под действием собственной гравитации, принять шарообразную форму) — называют планетами.

Рассмотрим суть этих объектов окружающего Мира, подробнее:

Планеты

Планета — это сферический объект, образующийся, в отличие от предыдущего уровня вещества — преимущественно благодаря гравитационному взаимодействию, что и обуславливает форму планеты как шарообразную (или близкую к таковой). Это также означает, что любая планета — должна находиться в гидростатическом равновесии, т. е. состоянии, где электромагнитное отталкивание — препятствует дальнейшему сжатию, но недостаточно велико, чтобы помешать обретению планетой сферической формы, под действием гравитации.

Объекты с недостаточной массой для достижения гидростатического равновесия и = обретения сферической формы, планетами — не являются: это — метеороиды, астероиды и ядра комет, в которых т. о. доминируют электромагнитные взаимодействия, подобно тому, как в камнях. Такие объекты — можно отнести, в целом, к предыдущему уровню, т. е. сложным молекулярным телам.

Планеты — находятся уровнем выше сложных молекулярных тел, но из последних (т. е. из сложных молекулярных тел) — может состоять только самая периферическая область небольших, т. н. каменистых, и достаточно остывших планет (где разбросаны камни, могут быть подвижные литосферные плиты, и т. п.).

Благодаря гравитации, для планет характерно слоистое внутреннее строение: гравитация — создаёт градиент давления и (частично) температуры, из-за которых, внутренние области планет — могут деградировать в сторону более низких уровней вещества. Даже в маломассивных и наиболее остывших, т. н. карликовых планетах, внутренние области могут представлять собой единое сложное молекулярное тело (а не совокупность тел). Для более крупных планет, в числе которых — Земля, этому, в целом, соответствует наружная часть мантии. Более глубокие слои, имеющиеся только у достаточно массивных планет (в т. ч. — у Земли) — могут понижать уровень вещества до простых молекулярных тел (предположительно — внутренняя мантия Земли), а центральные области, с высокой вероятностью — представляют собой единую молекулу, — т. н. ядро планеты (наружное, жидкое (расплавленное), и внутреннее, твёрдое), состоящее из атомов металлов (прежде всего — железа, и т. п.), а металлы, как известно, благодаря металлическим связям (и в условиях высокой температуры и давления) — способны соединяться в единую молекулу (монокристалл или расплавленный металл). Итак, в целом, рост концентрации энергии (давления и температуры) — уничтожает (разрушает) более высокие уровни вещества, при движении вглубь планеты.

У планет-гигантов, благодаря ещё большей массе, это выражено ещё в большей степени, и даже наружные слои, под атмосферой — уже могут представлять собой единое простое молекулярное тело, за которым следует строение в виде единой молекулы. Например, у наиболее массивного в Солнечной системе, Юпитера, строение в виде единой молекулы, как известно — начинается сразу под атмосферой и «океаном» из жидкого водорода, — т. н. металлический водород.

Далее: Изменения поверхности и недр планет с течением времени — называют геологическими процессами (многие из них присущи только каменистым планетам). На уровне вещества планет (и звёзд, но пока речь не о них) — возможны такие специфические явления как: землетрясения, движения литосферных плит, образование гор и ущелий, извержения вулканов, эрозия поверхности планеты, погружение тяжёлых элементов вглубь планеты, конвективные потоки в мантии, и т. д. Естественно, что такие явления — были невозможны на предыдущем уровне вещества (уровне сложных молекулярных тел).

Рассмотрим, подробнее, вопрос о разнообразии планет: На сегодняшний день, известны, помимо планет Солнечной системы — уже тысячи планет вне Солнечной системы [51], т. е. обращающихся вокруг других звёзд. Каждая известная планета, для человека — представляется уникальной. Однако выделяя общие свойства, можно объединять планеты в классы, т. е. создать классификацию планет. Общепринятая и устоявшаяся такая классификация — пока, в целом, отсутствует, т. к. изучение планет (в особенности, за пределами Солнечной системы) — практически, только начинается (например, лишь для немногих (внесолнечных) планет — известен (примерный) состав атмосферы, её температура, наличие воды, и т. п. частные свойства, которые могут объединяться в общие (например, схожий состав атмосферы)).

В целом, планеты — можно классифицировать по различным признакам, из которых, многие уже используются: масса, плотность, элементный состав, атмосферное давление у поверхности, возраст планеты, наличие или отсутствие жизни (о которой — ещё будем говорить, позже), эксцентриситет (вытянутость) орбиты, тип звезды и число звёзд в планетной системе, самостоятельность планеты (т. е. не является ли она спутником другой планеты), наличие и объём воды на поверхности, сила магнитного поля, окружающего планету, и ряд других свойств.

Рассмотрим, подробнее, некоторые свойства классов планет, на примере одного из (наиболее известных) классов:

Так, определённая масса и расстояние от звезды, взятые вместе — приводят к выделению такого класса планет, как т. н. горячие Юпитеры. Это — планеты-газовые гиганты, имеющие массу, сравнимую с массой Юпитера, и обращающиеся на малом расстоянии от звезды. На данный момент, это — один из самых многочисленных, класс планет, что связано с относительной лёгкостью их обнаружения.

Близкое расстояние от звезды — должно приводить к таким (специфическим) свойствам данного класса планет, как: нагрев атмосферы планеты извне, приводящий к возникновению более значительных атмосферных явлений, чем у планет Солнечной системы, а также значимой потере газов из атмосферы, уходящих в космос (для некоторых из горячих Юпитеров, эти явления уже подтверждены наблюдениями [52] [53]); большая масса — должна вести к отсутствию каменистой поверхности, а состав атмосферы — может преимущественно включать лёгкие газы, водород и гелий (т. к. планета была, изначально (при своём формировании), достаточно массивна для их удержания). Также предполагается, что горячие Юпитеры — всегда обращены к звезде одной стороной.

В целом, горячие Юпитеры — стали частью окружающего Мира, хотя более подробные данные о них, в т. ч. например, об их внешнем виде — всё ещё находятся на границе Мира, т. е. для планет этого класса, в той или иной мере — ещё ожидают непосредственного наблюдения, и на данный момент — весьма неопределённы (т. е. их описание — имеет вероятностный характер, см. пример на рис. 234).



Рис. 234 [XXV]. HD189733b в представлении художника, с учётом подтверждённого (в 2013 году) синего цвета планеты


Известны (выделены) уже десятки и других классов планет, помимо горячих Юпитеров, однако рассмотрение их — уже (относительно) частный вопрос, поэтому его опускаем, и переходим ко второму компоненту уровня вещества планет и звёзд, — звёздам:

Звёзды

Звёзды, как и планеты — это сферические объекты, обязанные своим существованием, преимущественно — гравитации. Разграничить планеты и звёзды, как уже отмечалось, можно по возможности термоядерных реакций в недрах (для чего объект должен иметь массу более 13-и масс Юпитера (= более 1,24% массы Солнца)).

Заглянув внутрь звёзд, можно обнаружить слоистое строение, как и в случае планет, но благодаря более высоким, чем у планет, давлению и температуре (= концентрации энергии), уровни вещества в звёздах — деградируют до ещё более низких уровней, чем в планетах. Например, существование атомов (а у самых лёгких и холодных звёзд, т. н. коричневых карликов — и молекул) — возможно лишь в наиболее разрежённых, периферийных слоях, — т. н. атмосфере звезды (где атомы или молекулы, хотя и в возбуждённом состоянии, но могут существовать). Но стоит опуститься ближе к «поверхности» — как происходит ионизация, т. е. разрушение атомов до более низких уровней вещества, с образованием плазмы, состоящей из отдельных атомных ядер и электронов, составляющей значительную долю объёма любой (типичной) звезды. (По уровню вещества, плазма — находится ниже, чем даже самые внутренние области (лёгких) планет).

В центральной области звезды — располагается ядро, в котором (или на периферии которого) — протекают термоядерные реакции. Рассмотрим их подробнее:

Суть термоядерных реакций

Термоядерные реакции, или реакции слияния ядер — протекают только при достаточно высоких температурах, недостижимых в недрах планет (отсюда — и название этих реакций: термоядерные). Высокая температура — необходима для того, чтобы придать ядрам (или протонам) достаточно большие импульсы, необходимые для преодоления электромагнитного отталкивания протонов (ядер) друг от друга, т. е. сближения до расстояний, где вступают в силу короткодействующие взаимодействия — мезонные и слабые (дающие разные типы реакций).

Самые неприхотливые к температуре, термоядерные реакции — это реакции т. н. горения дейтерия, = реакции слияния ядра дейтерия с протоном, а также двух ядер дейтерия друг с другом, и т. п., эффективно протекающие при 1 000 000 K [54]. Температура 106 K — достижима уже на начальных этапах эволюции звёзд (формирующихся при сжатии участков межзвёздного газового / газо-пылевого облака).

Горение дейтерия — также практически единственная термоядерная реакция, возможная в недрах наиболее маломассивных звёзд — коричневых карликов. Это — главный источник термоядерной энергии в этих звёздах, который относительно быстро (не более чем за сто миллионов лет [55]) истощается. А т. к. реакции, требующие более высоких температур, в недрах данных звёзд невозможны (из-за малой массы звезды, а значит, недостаточной температуры в недрах) или непродолжительны, коричневые карлики, далее — остывают, при этом, со временем всё больше напоминая планеты, см. табл. 66.


Таблица 66 [56]

Сравнительная характеристика планет, коричневых карликов и более массивных, т.  н. красных карликов, по отношению к термоядерному горению водорода и дейтерия



Часть коричневых карликов (с массами 0,065–0,075 Солнечной), а также обычные (по массе) звёзды (в т. ч. Солнце (= т. н. жёлтый карлик)), и более массивные звёзды — сжигают запас ядер дейтерия на самой заре своего существования (за миллионы лет [57]), но затем, после дальнейшего сжатия и ещё большего гравитационного разогрева недр — переходят к реакциям, более требовательным к температуре — т. н. горению водорода (о чём, подробнее — чуть позже).

В целом, реакции горения дейтерия, как уже было сказано — основной источник (термоядерной) энергии (и части излучения, вторая часть — за счёт гравитационного сжатия) лишь для маломассивных коричневых карликов. Основная реакция горения дейтерия (определённая, исходя из теоретических и экспериментальных данных) — это слияние ядра дейтерия и протона, с образованием ядра гелия-3 и гамма-кванта [58]. На постнеклассическом этапе, исходные и конечные ядра в этой реакции, в т. ч. выгоду образования конечного ядра, можно представить в наглядном виде (как уже, в целом, рассматривалось ранее).

Горение дейтерия в коричневых карликах, как уже отмечалось — может быть относительно непродолжительным (до ста миллионов лет), т. к. запасы дейтерия — ограничены (его содержание в звезде — такое же, как и в межзвёздной газовой или газо-пылевой туманности, т. е. не более порядка 10–5 от ядер водорода [59]). В коричневых карликах с массой более 0,065 массы Солнца, и более массивных звёздах, после истощения запасов ядер дейтерия, наступает дальнейшее гравитационное сжатие звезды, которое приводит к значительно более высоким температурам в недрах (около 107 K), достаточным для протекания реакций горения водорода [54]. Последние — становятся основным источником энергии практически для всех звёзд (в т. ч. Солнца), на протяжении подавляющей части их жизни.

Горение водорода, в звёздах с массой от 0,065 до около 1,5 масс Солнца [60] — начинается (преимущественно) с реакции, обусловленной слабыми, а не мезонными взаимодействиями. В связи с этим, далее может быть рассмотрена:

Геометрия электрослабых взаимодействий

Реакция слабого взаимодействия между двумя протонами, приводящая к превращению одного из протонов в нейтрон — необходимая исходная реакция для горения водорода. Действительно, в звезде, как и в межзвёздной среде — практически нет нейтронов, т. к. нейтроны нестабильны (в среднем за 15 минут, распадаются в протоны). Для образования же ядер, т. е. в т. ч. скрепления протонов между собой — необходимы нейтроны, поэтому они должны вновь образоваться, в чём и заключается роль реакции слабого взаимодействия, превращающей протон в нейтрон, или два протона в ядро дейтерия, с вылетом W+ (= электрослабого) бозона.

Эта реакция, как и другие термоядерные реакции, требует высокой температуры, для преодоления взаимного отталкивания протонов, причём тут необходимы гораздо большие температуры, чем при горении дейтерия, т. к. кроме преодоления взаимного отталкивания, протоны должны вступить в слабое взаимодействие, с превращением протона в нейтрон, вероятность чего — крайне мала.

Попробуем представить реакцию слабого взаимодействия (ведущую к превращению протона в нейтрон), в наглядном виде: Первый этап этой реакции — см. на рис. 235-а. В реакции на рис., результатом является образование т. н. дипротона. Мезонное взаимодействие между протонами, тут — можно считать отсутствующим (т. к. нет нейтронов). Дипротон (как впрочем, и аналогичный ему, динейтрон), как известно, крайне нестабилен (и имеет отрицательную E связи на нуклон).

В подавляющем большинстве случаев, образовавшийся дипротон, далее — мгновенно или почти мгновенно, распадается на свободные протоны, и лишь с очень малой вероятностью, вместо этого — слабое взаимодействие приводит к превращению одного из протонов в нейтрон, см. рис. 235-б. Но какова вероятная геометрия кванта электрослабого взаимодействия, W+ бозона, в этой реакции? И почему эта реакция вообще возможна? Ответы на эти вопросы — поищем в наглядной геометрии: Выгоду реакции в целом — можно представить, исходя из (геометрической) выгоды образующегося ядра дейтерия (как уже рассматривалось ранее). Учтём, далее, не только верхние, но и «нижние» части протонов, как показано на рис. 236. Видно, что реакция превращения протона в нейтрон — не требует физического перемещения протона в верхнюю часть ядра, а производит только (вертикальный) сдвиг протона (что для элементарной частицы, как (нелинейной) волны — может интерпретироваться, как фазовый сдвиг волны), при этом происходит «сжатие» протона до нейтрона, в соответствии с выгодой геометрии образуемого ядра дейтерия (рис. 236).



Рис. 235



Рис. 236. Слева — протон спина –1/2 в дипротоне, с учётом «нижней» (в данном случае — расположена сверху), части; второй протон (т. е. со спином +1/2) — убран (т. о. можно видеть, что эпицентры кварков — располагаются в месте соприкосновения двух половин частицы, на вершинах правильных пирамид (одна из пирамид — для удобства, изъята)); в скобках — то же, вид сверху-сбоку; правее — нейтрон спина +1/2, в ядре дейтерия (нижняя часть (половина) нейтрона — находится ниже плоскости, и не показана), протон (спина +1/2) — для удобства, убран; в скобках — то же, вид сверху-сбоку / ядро дейтерия


Геометрия же кванта электрослабого взаимодействия (вероятная), и геометрия электрослабого поля в целом (возможная) — представлена на рис. 237. В отличие от мезонного поля, для подтверждения именно такой конфигурации Z0-бозона и W-бозонов, существует гораздо меньше экспериментальных данных, чем в случае мезонов (геометрия мезонного поля — может подтверждаться, исходя из строения ядер (изотопов), которых известны уже тысячи, и многие из которых рассматривались ранее, с т. зр. наглядной геометрии). Для электрослабого же взаимодействия — наблюдения весьма малы, и включают распады некоторых частиц (нейтрона, мюона и т. п.), упругое столкновение нейтрино и электрона, с обменом энергией, и немногочисленные др. процессы. Поэтому говорить о наглядном строении электрослабого поля — можно с меньшей вероятностью, но тем не менее, можно. Рассмотрим свойства электрослабых бозонов, вытекающие из предполагаемой их геометрии:

Как и пи-мезон, электрослабые бозоны, в той конфигурации, что представлена на рис. 237 — отражают поле, образовавшееся в процессе «поднятия» (включающего процесс разделения взаимодействий) при Большом Взрыве. Исходя из наглядной геометрии, можно показать, что образование электрослабого и сильного (мезонного) полей — должно было происходить одновременно: если (мысленно) надавить на альфа-частицу сверху, оба поля исчезают одновременно, см. рис. 238.



Рис. 237. Z0-бозон (и W-бозоны) в альфа-частице



Рис. 238


Электрослабое поле — расположено прямо напротив мезонного, являясь как бы его зеркальной противоположностью. Из-за нарушения симметрии (при откалывании грани = электрона), оба поля, геометрически — неравноценны: Если рассмотреть сам квант электрослабого поля (учитывая не только верхние, но и «нижние» части частиц, как показано на рис. 239), то видно, что электрослабый бозон не похож ни на одну из рассматривавшихся ранее, частиц: Эпицентры кварков в нём — не совпадают, а замкнутое движение на «полюсе» — оказывается незамкнутым в «нижней» части частицы (рис. 239). Т. е. верхняя и «нижняя» части электрослабого бозона — не совпадают друг с другом (чего не наблюдалось ни у одной из других элементарных частиц, но что неизбежно следует из занимаемого бозоном, места, в образующейся, в процессе поднятия, выгодной геометрии ядра гелия 4, см. рис. 240). Для существования частицы в таком состоянии, определённо требуется более высокая степень дислоцированности, и сама частица — напоминает сильно возбуждённое, почти «разорванное» состояние мезона. Из этого — можно предположить и причину сильного различия масс электрослабого бозона, и мезона: так, нейтральный пи-мезон — в 264 раза тяжелей электрона, а Z0-бозон — примерно в 178 500 раз, что на три порядка больше. Из высокой массы (и «неправильной» геометрии) — можно также увидеть причину очень короткого времени жизни электрослабых бозонов, и наибольшего короткодействия слабых полей.



Рис. 239



Рис. 240


Итак, мы рассмотрели первую реакцию, из реакций горения водорода в звёздах, что связано с рассмотрением электрослабого взаимодействия (в т. ч. его квантов), и т. о. дальнейшим рассмотрением уровня элементарных частиц и вакуума (что ещё будет продолжено, в отношении электрослабого поля, чуть позже).

Некоторые последующие реакции горения водорода — аналогичны реакциям горения дейтерия (основная из которых — уже рассматривалась ранее), только ядра дейтерия, в случае горения водорода — всё время возникают вновь, в рассмотренной реакции слабого взаимодействия. Основные реакции горения водорода (в звёздах с массой менее (примерно) 1,5 масс Солнца) — представлены на рис. 241. В конечном итоге, из ядер водорода, как видно, образуются выгодные ядра гелия, т. е. альфа-частицы (выгода которых, вытекающая из их наглядного (геометрического) строения, рассматривалась ранее).



Рис. 241 [XXVI]. Горение водорода в т. н. протон-протонной цепочке (преобладает в звёздах с массой менее 1,5 массы Солнца; процентные соотношения реакций — приведены для Солнца); примечания: pp, pep, hep — названия реакций; ppI, ppII, ppIII — разветвления протон-протонной цепочки


В реакции, следующей за реакцией слабого взаимодействия, т. е. во второй реакции на рис. 241, как и в ряде других реакций на этом рис. — наблюдается вылет гамма-кванта (фотона). Фотон, как известно — является квантом электромагнитного поля, входящего в состав электрослабого взаимодействия (= объединяющего электромагнитное и слабое поля), где фотон выступает наравне с рассматривавшимися выше, Z0- и W-бозонами (как уже говорилось — согласно электрослабой теории Вайнберга-Глэшоу-Салама). Согласно этой теории, электромагнитное и слабое взаимодействия (переносимые фотонами и Z0- и W-бозонами соответственно) — являются не более как различными проявлениями единого электрослабого поля, т. к. теряют различия (объединяются), при концентрации энергии выше порядка 100 ГэВ, — достаточной для рождения массивных Z0- и W-бозонов в реальном виде. (Этот же порядок энергии — оказался достаточен и для рождения бозона Хиггса, предсказываемого теорией).

Обратимся к этим, и др. вопросам электрослабого сектора — с т. зр. наглядной геометрии, и т. о. продолжим рассмотрение электрослабого взаимодействия:

Известно, что каждый из Z0- и W-бозонов — может существовать в трёх состояниях, различающихся проекцией спина на направление движения: эта проекция может принимать три значения: +1, –1 и 0. Вероятное наглядное представление этих состояний — можно видеть на рис. 242. Как видно из рис., при рассмотрении более подробной геометрии электрослабого поля, угадываются элементы геометрии тяжёлых атомных ядер (где альфа-частица 3d-энергоуровня, замыкает последний в ядре, и ведёт к снижению энергии связи у Zn (за Ni)), т. о. структура ядер — также может подтверждать геометрию слабого поля, как и ранее — мезонного.



Рис. 242


В отличие от Z0- и W-бозонов, спин кванта электромагнитного поля (фотона), может принимать только два значения: +1 и –1 (т. е. нет 0). Возможное наглядное представление фотона — см. на рис. 243. Согласно наглядной геометрии, фотон — должен быть плоской частицей (как и нейтрино), являющейся плоской, благодаря тому, что она лишена электрических осей (т. е. движений на этих осях), т. к. только при этом условии, фотон может (должен) всегда двигаться со скоростью света (и т. о. имеет наблюдаемую нулевую массу покоя). Состояние, геометрически равноценное фотону, но расположенное в проекции спина 0 — не могло бы двигаться со скоростью света, а значит и существовать (в плоском виде (или было бы нестабильным и обладающим массой покоя)), что можно понять уже из рассматривавшегося ранее, происхождения различий между магнитной и электрическими осями; это состояние — оказывается имеющим характеристики бозона Хиггса (и может быть интерпретировано в качестве бозона Хиггса и поля Хиггса).



Рис. 243


Далее — рассмотрим связь (= родственную природу) электромагнитного и слабого полей: Так, фотон — естественным образом, продолжает ряд Z0- и W-бозонов, представляя состояние, в котором движения на электрических осях — отсутствуют, см. рис. 244.



Рис. 244


Родственная связь квантов слабого и электромагнитного взаимодействия — также видна из механизма действия слабых полей, к рассмотрению которого и переходим:

Известно, что слабое взаимодействие — ответственно за распад нейтрона, заряженных пи-мезонов, и т. п., а также элементарных частиц второго и третьего поколений. Во всех случаях распада — испускается полу-«виртуальный» W+ или W бозон, который далее распадается на электрон и антинейтрино (или позитрон и нейтрино). Некоторые примеры таких реакций распада, т. е. обусловленных слабым взаимодействием — представлены на рис. 245. Как видно, W-бозоны, изображаемые в наглядном виде — способны выполнять функцию квантов, ответственных за эти (т. н. слабые) распады.



Рис. 245


Известно, что Z0-бозон, в отличие от W-бозонов — не участвует в слабых распадах. Т. е. реакции с изменением поколения элементарных частиц, с участием Z0-бозона — являются запрещёнными, см. рис. 246. Вылет Z0-бозона — переводит частицу саму в себя, и может изменять лишь спин, см. рис. 247. (Однако, обмен Z0-бозоном, как известно — необходим для объяснения возможности упругого столкновения нейтрино и электрона).



Рис. 246



Рис. 247


То же самое неучастие в распадах частиц с изменением поколения, свойственно и фотону, см. рис. 248. Неучастие фотона — можно понять из его аналогии с Z0-бозоном (фотон отличается от него лишь тем, что заряд 0 обусловлен не тем, что движения на электрических осях — взаимно скомпенсированы, но уничтожили друг друга (оставив частицу плоской)). Поэтому, по отношению к распадам частиц, Z0-бозон и фотон — ведут себя одинаково (при этом, Z0-бозон и фотон — были неразрывно связаны и неклассически (ненаглядно), где они возникают как суперпозиция = смешивание (ненаблюдаемых) исходных частиц, т. н. W0-бозона и B0-бозона, в процессе нарушения электрослабой симметрии (при концентрации энергии ниже порядка 100 ГэВ, и посредстве механизма Хиггса), см. рис. 249); наглядно же, общность фотона и Z0-бозона, можно видеть на рис. 244.



Рис. 248



Рис. 249 [61] (примечание: θW — слабый угол смешивания)


Итак, мы рассмотрели (наглядную) геометрию электрослабого взаимодействия (в т. ч. электромагнитного и слабого полей, в него входящих), в связи с разбором термоядерных реакций в звёздах. Термоядерные реакции, в т. ч. горение водорода, как уже говорилось, также связано с сильным (мезонным) взаимодействием, более фундаментальным проявлением которого, как известно — представляется глюонное поле. В связи с этим, далее может быть рассмотрен вопрос:

О геометрии сильных (глюонных) полей

Кванты глюонных полей, глюоны — не существуют в свободном виде, и их существование известно лишь из теоретических данных и косвенных наблюдений. Согласно последним, глюоны — предстают как имеющие многие свойства, такие же как у фотонов: глюоны, как и фотоны, являются бозонами (= частицами с целым спином), причём имеют тот же спин 1, всегда движутся со скоростью света = не имеют массы покоя, и т. о. должны иметь две проекции спина на направление движения: +1 и –1 (без 0), и лишены электрического заряда (электронейтральны). Наглядное строение глюона, поэтому, может быть схоже с фотоном.

Однако ряд свойств отличают глюон от фотона: так, глюон — выполняет функцию кванта, при испускании или поглощении которого, меняется «цвет» частицы, но все остальные свойства (кроме спина) — остаются нетронутыми. Также, как уже было сказано, глюон, в отличие от фотона, не может существовать в свободном виде. Возможное наглядное строение глюона, объясняющее в т. ч. способность его изменять «цвет» кварка — см. на рис. 250. Также, такой глюон — способен препятствовать размыканию движения, при отдалении кварков друг от друга, см. рис. 251.



Рис. 250



Рис. 251


Наличие в глюоне электрических осей, но отсутствие замкнутого движения на «полюсе» — делает частицу неполноценной, приближая его строение к строению кварков, и объясняет невозможность существования глюона в свободном виде. Это также объясняет упоминавшийся рост энергии глюонного поля с расстоянием, т. к. при большем отдалении кварков друг от друга, необходимо больше глюонов, чтобы предотвратить размыкание движения в частице.

Как с т. зр. ненаглядных (= неклассических), так и наглядных (= постнеклассических) представлений, можно ожидать наличие 9-и типов глюонов, т. е. разных сочетаний «цвета» и антицвета, см. табл. 67 и рис. 252. Закон сохранения «цветового» заряда, однако — не запрещает трём состояниям с одинаковым «цветом» и антицветом, переходить друг в друга, т. о. возникает их смешивание, переводящее эти, исходные состояния — в три суперпозиции, см. рис. 253. Из трёх суперпозиций на рис., последняя — скомпенсирована по всем трём «цветам», и т. о., как известно, не может переносить «цветовое» взаимодействие. В итоге, вместо 9-и ожидаемых глюонов — остаётся 8 глюонов, показанных на рис. 254.


Таблица 67 [62] , [63]

9 возможных комбинаций «цвета» и антицвета, = ожидаемые глюоны





Рис. 252. Глюоны, наглядно





Рис. 253 [64] (примечание: вверху — исходные состояния, внизу — суперпозиции)



Рис. 254 [64]. 8 известных глюонов


Глюоны — естественным образом, продолжают ряд, объединяющий фотон и Z0- и W-бозоны, представляя частицы, с т. зр. наглядного строения, родственные им, см. рис. 255. Т. о. электрослабое и сильное поля — можно увидеть единым образом = объединить (хотя при обычных энергиях, т. е. в современном окружающем Мире — они, естественно, обладают различающимися свойствами, но как видно, имеют единую суть).



Рис. 255


Итак, мы рассмотрели, в целом, геометрию глюонных (а чуть ранее — электрослабых) полей, в связи с рассмотрением термоядерных реакций в звёздах. К разбору последних, и уровня вещества планет и звёзд в целом, и возвращаемся далее:

CNO-цикл

В звёздах с достаточно высокой массой (более 1,5 масс Солнца), реакции горения водорода могут начинаться уже преимущественно не с реакции слабого взаимодействия, а с реакции сильного (с участием электромагнитного, в виде испускания гамма-кванта) взаимодействия: слияния протона с ядрами элементов C, N, O и (в меньшей степени) F, имеющихся в звезде в виде примесей. Температура в недрах таких звёзд — оказывается достаточно высока для эффективного преодоления отталкивания протона и таких тяжёлых ядер, содержащих много протонов, см. рис. 256.









Рис. 256 [65],[66]. Реакции горения водорода в CNO-цикле


После реакции присоединения протона более тяжёлым ядром, происходит, опять же, реакция слабого взаимодействия (b+ распад, т. е. вылет W+ бозона, далее распадающегося на позитрон и нейтрино), превращающая протон в нейтрон (необходимый для дальнейшего построения ядер), см. рис. 256. Но в данном случае, реакция слабого распада легко осуществима, т. к. не требует образования дипротона, как в менее массивных звёздах.

Дальнейшие реакции — приводят к образованию, в конечном итоге, выгодных альфа-частиц (как и в случае протон-протонной (слабой) цепочки), при этом, ядра C, N, O, F — восстанавливаются, см. рис. 256. Из того, что ядра C, N, O, F не расходуются, являясь т. о. катализаторами реакций горения водорода, совокупность реакций с их участием — и получила название CNO-цикла (как последовательность реакций, замкнутая на себя). (Заметим, что само явление катализа — встречается и на других уровнях вещества, например, в химических реакциях).

Исходные, промежуточные и конечные ядра (изотопы) в этих реакциях (а также вылетающие, в процессе, частицы (нейтрино и позитрон, и фотон)), в наглядном виде — уже рассматривались ранее, поэтому не будем на том подробно останавливаться.

Далее:

Звёздная эволюция

Рассмотрим жизненный путь звёзд, т. е. изменения, происходящие со звёздами, с течением времени. Наблюдениям — доступны звёзды на разных этапах эволюции, что отражается на разнообразии их свойств.

Началу звёздной эволюции предшествуют процессы рождения звезды (формирования её из межзвёздного газового / газо-пылевого облака). Эти процессы — неотделимы от возникновения объектов более высокого уровня вещества — планетных (и звёздных) систем, поэтому будут рассматриваться позже.

Рождение звезды — это время, когда объект отделяется от остальной газовой или газо-пылевой туманности, и обретает гидростатическое равновесие, свойственное уровню вещества планет и звёзд. Для этого — необходим достаточно сильный источник внутренней энергии, т. е. термоядерные реакции. Реакции горения дейтерия, начинающиеся первыми, согласно расчётам — уже способны вызвать остановку (или замедление) гравитационного сжатия [67], т. е. создают гидростатическое равновесие, а также способствуют отделению объекта от остальной туманности [68]; т. о. горение дейтерия может считаться временем рождения звезды.

Горение дейтерия, однако, относительно короткая стадия в эволюции звёзд (занимающая не более сотни миллионов лет, у наименее массивных звёзд (коричневых карликов), и менее, у более массивных звёзд [69]). После выгорания дейтерия, все звёзды (кроме коричневых карликов), сжимаются далее, пока, вследствие роста температуры в недрах, не начнутся реакции горения водорода. Вернее, сжатие звезды и рост температуры продолжаются ещё некоторое время и далее, до тех пор, пока реакции горения водорода не ускорятся и не достигнут достаточной интенсивности, чтобы компенсировать силу гравитации, стремящуюся сжать звезду. В массивных звёздах, эта интенсивность горения водорода (и температура в недрах) — устанавливаются на гораздо более высоком уровне, чем в менее массивных звёздах. Поэтому, массивные звёзды — живут гораздо меньше, чем лёгкие, и исчерпывают запас водорода в центральных областях (ядре) намного быстрее лёгких звёзд: Например, времена жизни звёзд с массами от нескольких до более сотни масс Солнца — исчисляются всего миллионами лет, в то время как маломассивные, т. н. красные карлики (= звёзды с массами 0,075–0,6 массы Солнца [70]) — могут существовать, примерно, от сотни миллиардов, до триллионов лет [71] [72].

Хотя горение водорода — самый продолжительный этап эволюции звёзд (кроме коричневых карликов), в течение которого (от миллионов до триллионов лет) звезда светит ровно и практически не меняется, но рано или поздно, звёзды сжигают свой запас водорода в центральных областях (ядре), и переходят к завершающим этапам эволюции, при которых наблюдаются значительные изменения.

Ни один из красных карликов — ещё не мог дойти до завершающих этапов эволюции, т. к. время жизни этих маломассивных звёзд — должно превышать время, прошедшее от Большого Взрыва (13,8 млрд лет). Не далеки от них и оранжевые, а также жёлтые карлики (в числе которых — Солнце, расчётное время жизни которого — составляет около 10 млрд лет, что также не далеко от времени, прошедшего от Большого Взрыва, и т. о. значительная часть жёлтых карликов (как и оранжевые (= более лёгкие) карлики) — тоже не могли пройти полный путь эволюции).

Звёзды же достигающие завершающих этапов эволюции, претерпевают следующие изменения:

Прекращение реакций горения водорода в ядре звезды, приводит к дальнейшему гравитационному сжатию, и повышению температуры в недрах. Истощение запасов водорода в ядре, и рост температуры в нём — приводят к возможности горения водорода на поверхности ядра (состоящего из ядер гелия), т. о. горение водорода не прекращается, а продолжается в т. н. слоевом водородном источнике.

Перемещение горения водорода из центра ближе к периферии звезды (в слоевой источник) — приводит к расширению ещё более периферических областей, и превращению звезды в красного гиганта [73]. Диаметр звезды в этой стадии, оказывается многократно превышающим исходный размер звезды.

В целом, в фазе красного гиганта, звезда разделяется на более плотное (чем ранее) ядро, и более разрежённую (и протяжённую) периферийную часть.

Гравитационное сжатие центральных областей, и повышение температуры в ядре — происходят до тех пор, пока температура не достигнет около 108 K, необходимых для начала реакций горения гелия [74]. Рассмотрим это явление подробнее:

Горение гелия

Основные реакции горения гелия — это т. н. тройной альфа процесс, превращающий три альфа-частицы в ядро углерода 12, и дальнейшая реакция — слияние альфа-частицы с образовавшимся ядром 12C, дающая ядро кислорода-16. Тройной альфа процесс, как видно — служит начальной реакцией горения гелия в звёздах.

Тройной альфа процесс — состоит из двух реакций, см. рис. 257. В первой реакции, образуется крайне нестабильное, ядро бериллия-8, существование которого менее выгодно, чем даже пребывание альфа-частиц в свободном состоянии. Поэтому эта, первая реакция — идёт с поглощением энергии, а те ядра, что образуются — распадаются за ничтожное время (8,19×10–17 сек). Ядро бериллия-8 необходимо для следующей реакции: присоединения ещё одной альфа-частицы этим ядром, с образованием стабильного, выгодного ядра углерода 12. Эта реакция — приводит к выделению значительной энергии (см. рис. 257).



Рис. 257 [75],[76],[77]. Реакции тройного альфа-процесса


С привлечением наглядных представлений о строении ядер, данные реакции выглядят следующим образом: Причина нестабильности (невыгодности) ядра бериллия-8 — уже рассматривалась ранее, и показана на рис. 258. Как видно из рис., невозможно сохранение целостности альфа-частицы, при её объединении с другой альфа-частицей, при образовании бериллия-8, в отличие от углерода-12. В ядре бериллия-8, могут существовать только дейтериевые кластеры, выгода которых невелика. И наоборот, из наглядной геометрии также усматривается стабильность (выгода) ядра 12C, т. к. оно состоит из выгодных, в т. ч. взаимно уравновешенных, альфа-кластеров, см. рис. 258.



Рис. 258


В целом, слияние трёх альфа-частиц в выгодное ядро углерода, вероятно, можно было бы вывести из наглядной геометрии, ещё до экспериментальных данных (и расчётов) о представленных реакциях, как и предположить невыгодность «двойного альфа процесса», исходя из наглядного строения бериллия-8.

Известно также, что реакция образования ядра углерода-12 имеет т. н. резонансный характер, т. к. энергия этой реакции (слияния ядра бериллия-8 и альфа-частицы) — близка к энергии одного из возбуждённых состояний ядра углерода-12, в котором, ядро 12C изначально и образуется, см. рис. 259. Это — должно значительно ускорять реакцию, позволяя ей эффективно протекать при значительно меньшей температуре, чем могло бы быть (без этого, содержание углерода в окружающем Мире — было бы значительно меньшим, чем наблюдается [77]). Вероятное наглядное представление этой реакции, с учётом её резонансного характера — см. на рис. 260. Возбуждённое состояние углерода-12 на рис., как видно — оказывается схоже с основным состоянием бериллия-8, которое близко к энергии (двух) свободных альфа-частиц, т. о. объясняя близость 12C* к энергии (трёх) свободных альфа-частиц, и показывая (объясняя) резонансный характер реакции слияния ядер 8Be и 4He наглядно. Также, в пользу такого строения ядра 12C в возбуждённом состоянии (спина 0) — свидетельствует схожее время жизни с 8Be (5,37×10–17 сек [21] [8] и 8,19×10–17 сек, соответственно). Далее, возбуждённое состояние ядра 12C — переходит в основное состояние.



Рис. 259 [78]. Базовое и возбуждённые состояния ядра 12C; энергия слияния 8Be + α (и 3α), МэВ



Рис. 260


Далее: После образования ядра углерода-12, как уже говорилось, открывается возможность для реакции слияния альфа-частицы с ядром 12C, с образованием ядра кислорода-16. В ядре 16O, как и углероде-12, как уже рассматривалось ранее, в отличие от бериллия-8, возможны гораздо более выгодные кластеры, чем дейтериевые, что объясняет стабильность и выгоду этого ядра.

Согласно расчётам [79], количество синтезируемых ядер кислорода, в процессе горения гелия — оказывается сравнимо с наработкой ядер углерода.

После появления ядер кислорода-16, открывается возможность и для реакции образования неона-20, а также реакций образования изотопов более тяжёлых элементов (также протекающие путём слияния с альфа-частицей). Однако, вероятности этих реакций — значительно уступают реакциям синтеза ядер углерода-12 и 16O (т. к. для образования более тяжёлых ядер, альфа-частице необходимо преодолевать всё большее электромагнитное отталкивание, что осуществляется с меньшей вероятностью, и требует более высоких температур = кинетических энергий (лишь малая доля ядер гелия обладает таковыми (т. е. достаточно высокими кинетическими энергиями), при температурах горения гелия)).

Заметим, что образование ядра неона-20 — не столь выгодно (даёт меньше энергии), чем кислорода-16, см. рис. 261. Причину меньшей выгоды образования неона-20 — можно усматривать, исходя из его структуры, а именно — из ближне-дальней симметрии, см. рис. 262. Аналогичный минимум выделяющейся энергии — наблюдается при образовании, аналогичного по строению, ядра аргона-36, см. рис. 263 и 264. На рис. также видно, что помимо аналогии структур ядер неона и аргона, ядро кремния — оказывается аналогом ядра углерода-12, и т. о. отличается, наоборот, повышенной выгодой своего образования. Аналогичное сравнение может быть проведено и для ядер кислорода и серы, энергия образования которых также схожа, причину чего можно наглядно видеть из сходства их структур (см. рис. 264).



Рис. 261 [78]. Реакции образования углерода-12, кислорода-16 и неона-20 в альфа процессе



Рис. 262



Рис. 263 [78],[18]. Альфа-процесс (от образования 8Be до 40Ca)



Рис. 264


В целом, образование ядер элементов тяжелее кислорода (в альфа-процессе), при горении гелия — пренебрежимо мало [80] (но существенно в других процессах, о которых — позже).

Далее: После исчерпания запасов гелия в ядре звезды, горение гелия, как и в случае водорода — перемещается на поверхность ядра, с образованием слоевого гелиевого источника. Над ним — располагается, возникший ранее, водородный слоевой источник, однако включаться они могут только попеременно, т. к. горение в слоевом источнике гелия — приводит к расширению периферических областей звезды, и препятствует горению водорода. После истощения слоевого гелиевого источника, сжатие приводит к возгоранию заново водородного слоевого источника, который нарабатывает гелий для гелиевого слоя. В определённый момент, вновь вспыхивает гелиевый источник. (Подобные пульсации (циклы) — имеют типичный период от 104 до >105 лет [81]). В этой фазе эволюции звезды, благодаря низкой гравитации у поверхности и короткопериодичным пульсациям (= не связанным (прямо) с горением слоевых источников), и высокой светимости, происходит сброс значительной части массы с периферии звезды, с постепенным образованием газо-пылевой туманности вокруг звезды (которая, в дальнейшем, рассеивается).

Если звезда недостаточно массивна, то потеря массы — постепенно приводит к затуханию термоядерных реакций, а оставшееся вещество центральных областей сжимается до состояния белого карлика. Рассмотрим суть и строение этого объекта подробнее:

Белый карлик

Белый карлик — это объект уровня планет и звёзд, представляющий собой состояние звезды, на последнем этапе её эволюции. На этом этапе, термоядерные реакции в звезде уже прекратились (вследствие потери значительной части массы), что позволяет называть белые карлики также постзвёздными объектами (или остатками погибших звёзд).

Известные белые карлики (в числе тысяч [82]) — имеют массы от 0,17 [83] до 1,33 масс Солнца [84]. Размеры же белого карлика, как известно, сравнимы с диаметром планеты (в т. ч. Земли), причём, чем больше масса — тем меньше диаметр (170 000 [83] — 10 000 км [85], наиболее частое (среднее) значение — около 15 000 км [86] [87]; для сравнения, диаметр Земли — 12 750 км). Т. о., белые карлики, имея высокую массу при столь малом размере, обладают высокой плотностью вещества и большой напряжённостью гравитационного поля. Гравитационному сжатию этих объектов препятствует лишь давление т. н. вырожденного электронного газа, что было выяснено ещё на неклассическом этапе.

Вырожденный электронный газ — состоит из электронов, расстояния между которыми, из-за высокой плотности вещества, стали сравнимы с длиной волны де Бройля электрона. Объём, требуемый для электрона — определяется взаимодействием электрона как волны, с окружающими волнами, а т. к. все элементарные частицы, с которыми может взаимодействовать электрон, в окружающем Мире, являются волнами, этот минимальный объём оказывается конечным (несмотря на безграничность размера элементарных частиц (и их полей)).

В качестве примера-аналогии, можно представить следующее: при попытке сближения солитонов в обычных кристаллах, одинаковые солитоны-дислокации — не должны сливаться в один солитон с двойной массой (т. к. таковые не образуются, т. е. просто неизвестны); т. о. солитоны должны сохранять целостность, и их объединению противостоит соответствующее давление (отталкивание), аналогично давлению, возникающему в вырожденном электронном газе. (Хотя уровень вещества в этом примере, более высокий, но суть явления — может быть аналогична (так же как и явление катализа, остаётся собой, независимо от того, применяется ли для случая термоядерных реакций, или химических)).

Чем сильнее сближать эпицентры дислокаций (в обычных кристаллах, или элементарных частиц в вакууме) — тем больше энергии требуется, см. рис. 265. (Последнее также следует из квантового соотношения неопределённостей: если координаты элементарных частиц, вследствие сжатия вещества — становятся более определёнными, то растёт неопределённость импульса, т. е. импульс частицы увеличивается). В условиях вырожденного электронного газа, это проявляется в возрастании импульсов электронов, занимающих всё более высокие энергетические уровни в этом газе. При возрастании импульса, уменьшается длина волны электрона, т. е. электрон сплющивается, и может занимать меньшее пространство, по отношению к окружающим частицам, см. рис. 266. В вырожденном электронном газе, электроны — обладают различными импульсами (от нуля, до высоких), располагаясь наиболее выгодным образом по отношению друг к другу (подобно тому, как в электронных оболочках атома, но только тут электронный газ — принадлежит всем атомным ядрам одновременно).



Рис. 265



Рис. 266


В электронный газ белого карлика — погружены ядра тех элементов, что имелись в ядре звезды до её превращения в белого карлика. У более лёгких белых карликов, это — ядра углерода и кислорода, т. е. продукты, происходившего ранее, горения гелия (и меньшая доля других ядер, как более тяжёлых, так и более лёгких). У более массивных белых карликов (образовавшихся из более массивных звёзд), состав смещается в сторону более тяжёлых ядер, образовавшихся в реакциях, которые шли в звезде-предшественнице, уже после завершения этапа горения гелия. К рассмотрению таких реакций и переходим:

Горение углерода и более тяжёлых элементов

В звёздах с массами (примерно) более 8 масс Солнца [88], потери массы при горении слоевых водородного и гелиевого источников — оказываются недостаточны для значимой потери массы. Поэтому, возможно дальнейшее гравитационное сжатие недр звезды, до тех пор, пока концентрация энергии (т. е. температура и плотность вещества) — не оказываются достаточны для возгорания углерода.

Основные реакции горения углерода — представлены на рис. 267. Эти реакции, как и многие другие реакции горения элементов — выведены как основные, опираясь в т. ч. на экспериментальные данные (например, полученные из анализа столкновений атомных ядер в ускорителе). Основным продуктом горения углерода — оказывается неон-20 [90]. После сгорания углерода, ядро звезды состоит т. о., в основном, из кислорода и неона (большая часть кислорода [91], из-за высокого содержания [79], остаётся непрореагировавшей, т. е. сохраняется, при горении углерода), меньшую долю составляют магний, натрий и другие элементы [92].



Рис. 267 [89]. Горение углерода, наиболее частые реакции


Процесс горения углерода — протекает гораздо быстрее, чем горение гелия, а тем более, водорода (имеется в виду выгорание этих элементов в ядре звезды, а не последующее горение в слоевом источнике, окружающем ядро). Звезда с массой, например, 25 масс Солнца, сжигает углерод в центральных областях — всего за 1 000 лет, в то время как гелий — примерно за 1 млн лет, а водород — за 10 млн лет [93]. Чем массивнее звезда — тем короче каждая из этих стадий, а стадии, следующие за горением углерода — ещё короче.

Согласно расчётам [94], в оценке времени горения углерода, становится существенен вклад т. н. нейтринного охлаждения:

В условиях высокой концентрации энергии, в которых протекает горение углерода в недрах звезды — происходит эффективное рождение пар нейтрино и антинейтрино. Из-за своего плоского строения, как уже рассматривалось ранее, нейтрино (и антинейтрино) движутся всегда со скоростью света, и практически не взаимодействуют с другими частицами (взаимодействию также мешает наличие всего одного эпицентра дислокации в составе нейтрино, что запрещает, в отличие от фотона, парное рождение электрических осей, и приводит к известному взаимодействию нейтрино с частицами, только посредством обмена W- и Z-бозонами, что, из-за малой вероятности процесса — и даёт малое сечение взаимодействия нейтрино с веществом). Поэтому, нейтрино — оказывается способно уносить энергию из ядра звезды. Эта постоянная, значимая утечка энергии — заставляет недра звезды сжиматься быстрее, а углерод — гореть интенсивнее.

После выгорания углерода в ядре, и накопления неона, после дальнейшего сжатия, начинаются реакции горения неона, см. рис. 268. Горение неона, как видно — обогащает недра звезды, магнием и кремнием, а также увеличивает содержание ядер кислорода.



Рис. 268 [95]. Горение неона


После исчерпания неона в ядре, звезда сжимается далее, и происходит возгорание кислорода (в т. ч. оставшегося ещё со стадии горения гелия), см. рис. 269. В отличие от горения неона, начальные реакции горения кислорода, как видно, происходят между двумя одноимёнными ядрами, с высокими зарядами, что требует большей концентрации энергии (для преодоления большего электромагнитного отталкивания ядер). Поэтому, горение кислорода начинается после неона, несмотря на то, что неон — более тяжёлый элемент. Сгорание кислорода, в начальных, и следующих за ними, реакциях, приводит к насыщению ядра звезды, кремнием, и близкими к нему, более тяжёлыми чётными элементами [96]. (Кремний образуется и в результате разрушения магния (оставшегося с этапа горения неона), в соответствующей реакции альфа-процесса, которая наиболее эффективно протекает (примерно) тоже на стадии горения кислорода [96]).



Рис. 269 [96]. Горение кислорода, начальные реакции


После дальнейшего сжатия, наступает время последней группы реакций термоядерного синтеза, — т. н. горения кремния. На этой стадии, температура в недрах звезды — оказывается достаточной для фотодезинтеграции ядер кремния, см. рис. 270. Как видно на рис., кремний разрушается до свободных альфа-частиц, в реакциях, обратных альфа-процессу. Образующиеся альфа-частицы — одновременно вступают в реакции с оставшимися ядрами кремния, с образованием, последовательно, более тяжёлых элементов, см. рис. 271. Эта цепочка реакций — идёт с выделением энергии. Однако, реакции на рис. 271 — представлены без учёта растущей выгоды избытка нейтронов над протонами, которая производит сдвиг в конечных продуктах, от никеля-56, к ядрам в районе железа: главными продуктами горения кремния, согласно расчётам [99] т. о. оказываются хром-52 и железо-56 (имеющие избыток нейтронов над протонами).



Рис. 270 [97]. Горение кремния, реакции фотодезинтеграции



Рис. 271 [98]. Горение кремния, реакции синтеза


На этих ядрах, этап горения кремния завершается, т. к. дальнейшие реакции, с образованием более тяжёлых ядер — уже не могут дать энергии, т. е. идут с поглощением энергии. Энергия поглощается и в продолжающихся реакциях фотодезинтеграции (из-за обратимости реакций, и роста температуры, превращающих теперь ядра в районе железа — в совокупность свободных альфа-частиц и нуклонов), а также переходит в возбуждённые состояния ядер [100] и уносится усиливающимся потоком нейтрино (в т. ч. образующихся в реакциях нейтронизации — объединения протона и электрона в нейтрон, с вылетом нейтрино).

Из-за процессов, поглощающих энергию, и отсутствия процессов, идущих с выделением энергии, исчезает давление, противостоящее гравитации, что приводит (по достижении («железным») ядром звезды критической массы), к быстрому сжатию (коллапсу) ядра звезды, а также взрывному горению элементов в периферических областях, и сбросу последних. Суммарно — это т. н. взрыв сверхновой, в результате которого, выделяется огромная энергия (свечение звезды, в это время, становится сравнимо с целой галактикой [101]), а сбрасываемые периферические области звезды обогащают космическое пространство тяжёлыми элементами, а из центральных областей звезды — образуется постзвёздный объект: нейтронная звезда или чёрная дыра (в зависимости от исходной массы звезды [102]). Рассмотрим эти объекты, подробнее:

Нейтронная звезда

Нейтронная звезда — состоит, преимущественно, из нейтронов, и значительно отличается от другого постзвёздного объекта, рассматривавшегося ранее, белого карлика: так, диаметр нейтронной звезды — примерно в 1 000 раз меньше, и составляет от 20 до 30 км (с увеличением массы — уменьшается; массы известных нейтронных звёзд — от около 1,35 до 2,01 масс Солнца, чаще (в среднем) — около 1,4 Солнечных масс) [103] [104] [105]. Основная причина столь значительного, по сравнению с белым карликом, уменьшения диаметра — в том, что длина волны де Бройля нейтрона — меньше, чем у электрона как раз на такой порядок величины (т. к. обратно пропорциональна массе нейтрона, которая, как известно, в 1 839 раз больше массы электрона).

Нейтроны — образуют вырожденный нейтронный «газ», поддерживающий гидростатическое равновесие нейтронной звезды. Нейтронный газ способен противостоять гравитационному сжатию объекта, при массах более высоких, чем у белого карлика. Из-за меньшей длины волны де Бройля нейтрона, центры частиц в этом газе — располагаются более плотно, чем в аналогичном газе из электронов. Плотность вырожденного нейтронного газа, и нейтронной звезды в целом — оказывается сравнима с ядерной (и примерно в 108 раз превосходит плотность белого карлика) [106] [107].

Нейтронная звезда (как впрочем, и белый карлик) — имеет слоистое внутреннее строение, в соответствии с градиентом плотности вещества, обусловленным гравитационным полем. (Этот градиент, как и ранее, разрушает более высокие уровни вещества, при движении вглубь звезды). Рассмотрим это подробнее:

У нейтронной звезды, достаточно остывшей после своего образования, наружный слой (под (тонкой) атмосферой [108]), представлен твёрдой корой, о существовании которой — свидетельствуют наблюдаемые скачкообразные изменения периодов вращения нейтронных звёзд (пульсаров), что может быть связано с явлением, аналогичным землетрясениям, и называемым «звездотрясениями», — которые могут возникать из-за накопления напряжений в коре, вследствие постепенного замедления вращения звезды вокруг своей оси [109].

Тонкая, наружная часть наружной коры нейтронной звезды, а также атмосфера — имеют строение, сходное с внутренним строением обычных звёзд, т. е. состоят из плазмы, где степень ионизации атомов — нарастает с глубиной [110]. Более глубокая часть наружной коры — имеет состав, характерный для вещества белого карлика, т. е. состоит из вырожденного электронного газа и атомных ядер [110] (такое же строение — характерно и для ядра многих обычных звёзд).

С увеличением глубины, атомные ядра в коре нейтронной звезды — становятся всё более нейтроноизбыточными (хотя в условиях, имеющейся тут, достаточно высокой плотности вещества, и соответствующего давления — стабильны). В понимании состояния вещества в этой области — в значительной мере помогает получение (и изучение) нейтронизбыточных ядер в ускорителях. Наглядное же строение ряда нейтронизбыточных ядер — уже рассматривалось ранее.

На определённой глубине, кора нейтронной звезды заканчивается, — когда атомные ядра исчезают, и остаются только несвязанные нейтроны = вырожденный нейтронный «газ», составляющий большую часть нейтронной звезды.

О строении более глубоких, самых внутренних областей нейтронной звезды, в современности, однозначные (общепринятые) представления — отсутствуют. Это — один из примеров объекта, расположенного на границе окружающего Мира, поэтому рассмотрение строения центральных областей нейтронной звезды — оказывается вероятностным, т. е. предполагает ряд возможностей:

Так, например, предполагается возможность существования в центре нейтронной звезды, т. н. кварк-глюонной плазмы [111] (состоящей из u-, d- и s-кварков [112]). Кварк-глюонная плазма — считается полученной (в 2003 году), в экспериментах на ускорителе заряженных частиц [113]. Сущность кварк-глюонной плазмы — может представляться, упрощённо, следующей: элементарные частицы в ней сближены настолько, что расстояния между эпицентрами кварков, у соседних элементарных частиц — оказываются сравнимы с расстояниями между кварками в самих (сложных) элементарных частицах. В результате, кварк начинает принадлежать и соседним частицам, и т. о. кварк-глюонной плазме, и может отдаляться от другого кварка. Нечто подобное происходит, когда молекула с ионной связью, в растворе — разделяется на ионы, которые могут отдаляться друг от друга на любые расстояния, в пределах раствора. Но при испарении раствора, ионы вновь соединяются, образуя молекулы: так и при «испарении» кварк-глюонной плазмы, остаются только элементарные частицы, без свободных кварков (и без связывавших их, свободных, в пределах кварк-глюонной плазмы, глюонов, игравших роль «растворителя»).

В состоянии кварк-глюонной плазмы — велико содержание s-кварков (т. н. странных кварков), т. е. наиболее лёгких кварков второго поколения. Для наглядного представления об образовании s-кварков, вспомним пример со сближением двух солитонов-дислокаций в обычном кристалле, в ходе которого, солитон с двойной массой не образовывался. При дальнейшем сближении солитонов, т. е. затрате дополнительной энергии, могут рождаться пары дислокация-антидислокация, в т. ч. второго порядка (теоретическое предсказание, требует экспериментального подтверждения). В некоторой аналогии, при концентрации энергии (температуре и / или плотности), характерной для кварк-глюонной плазмы, рождаются пары частиц второго поколения, т. е. пары s- и анти-s-кварка.

Вообще, кварк-глюонная плазма предполагается основой строения не только самых внутренних областей нейтронной звезды, но и главным компонентом в строении гипотетических объектов, т. н. кварковых звёзд, которые занимали бы промежуточное положение между нейтронными звёздами и чёрными дырами.

Но вернёмся к нейтронной звезде: В целом, нейтронная звезда, по уровню вещества — аналогична атомному ядру, т. к. состоит, преимущественно, напрямую из элементарных частиц (нейтронов), как и ядро. Не случайно, что средняя плотность нейтронной звезды — схожа с ядерной (1017 кг/м3 [107] (для атомного ядра — 2,3×1017 кг/м3 [114])). В то же время, нейтронная звезда и атомное ядро — разные объекты, т. к. различаются по ряду свойств (по размеру, возможности звездотрясений, доминирующим силам (гравитационное взаимодействие, для нейтронной звезды, либо мезонное, для ядра атома), и т. п.). В целом, нейтронную звезду — удобно считать объектом уровня вещества планет и звёзд, в котором пропущены уровни от атомов (включительно) и выше (в пренебрежении наличием коры и атмосферы, — составляющих весьма малую долю от массы объекта).

В другом постзвёздном объекте, белом карлике, доминирующий уровень вещества — расположен на уровень выше, чем в нейтронных звёздах: это — уровень атомов, т. е. весь белый карлик, по уровню вещества — примерно соответствует одному большому атому. Это — можно увидеть из того, что атомные ядра в белом карлике — полностью ионизированы, а вырожденный электронный газ — принадлежит всем ядрам одновременно, и электроны в нём, обладая различными (не одинаковыми, благодаря принципу запрета Паули) импульсами, располагаются (в постоянном движении) наиболее выгодным образом, по отношению друг к другу (подобно тому как и в электронной оболочке атома).

Так же как нейтронная звезда отличается от атомного ядра, по ряду свойств, белый карлик — тоже отличается от атома (по размеру, многоядерности, доминирующим силам, и т. п.). В целом, белый карлик — тоже удобно считать объектом, принадлежащим уровню вещества планет и звёзд, но с уровнями вещества, которые заканчиваются на уровне атомов, включительно (опять же в пренебрежении наружными слоями, составляющими лишь малую долю от массы объекта).

Чёрная дыра

Если расположить постзвёздные объекты, согласно уровням вещества, слагающим их, — получим следующую последовательность: белый карлик — соответствует атому, нейтронная звезда — атомному ядру, а чёрная дыра, в продолжение последовательности — должна т. о. соответствовать элементарной частице.

Известное теоретическое предсказание о квантовом испарении чёрных дыр — также предполагает её устройство в виде элементарной частицы (т. к. теряемая чёрной дырой, энергия, преимущественно в виде безмассовых элементарных частиц (нейтрино, фотонов и (гипотетических) гравитонов) [115], в которые чёрная дыра, в конечном итоге т. о. превращается — предполагает её устройство без каких-либо уже готовых элементарных частиц в недрах, т. е. в виде элементарной частицы). Об этом также свидетельствует, тоже общепринятая, т. н. теорема об отсутствии волос, гласящая, что у чёрной дыры может быть только минимальный набор свойств (масса, заряд и вращение (спин)), полностью характеризующих чёрную дыру, без возможности каких-либо иных индивидуальных особенностей, по которым чёрные дыры были бы различимы. Кроме того, внутри чёрной дыры предполагается наличие т. н. сингулярности, т. е. состояния с безграничной плотностью (из-за ничем не ограниченного гравитационного сжатия), предполагающее отсутствие дискретной внутренней структуры (слоёв и т. п.), что также говорит о чёрной дыре как об элементарной частице.

Как известно, ничто не может покинуть чёрную дыру, т. к. у неё имеется т. н. горизонт событий (окружающий центральную «сингулярность»). Чуть выше горизонта событий, в области 1,5 его радиуса, называемой фотонной сферой, фотоны — имеют замкнутые траектории, что в целом, также аналогично устройству элементарной частицы. Выше, траектории фотонов становятся уже незамкнуты, хотя и сильно искривляются (такое искривление света известно как гравитационное линзирование). При этом сила, с которой чёрная дыра может искривлять пути фотонов — сравнима с искривлением путей фотонов в обычном веществе (= при преломлении и поглощении света), где оно обязано поглощению и изменению путей фотонов элементарными частицами, т. е. вблизи элементарных частиц, свет может вести себя подобно тому, как вблизи чёрных дыр, что не удивительно.

В целом, несмотря на сходства с элементарной частицей, чёрная дыра, как и другие подобные объекты, относится к уровню планет и звёзд, при этом содержа уровни вещества, заканчивающиеся на уровне элементарных частиц и вакуума.

Итак, в целом, мы рассмотрели уровень вещества планет и звёзд. Но прежде чем переходить к рассмотрению более высокого уровня — планетных и звёздных систем, обратим внимание на следующее: подобно тому, как у белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, ряд уровней вещества — отсутствуют, у Земли — наоборот, существуют дополнительные уровни вещества, вклинившиеся до уровня планет и звёзд, — уровни, связанные с жизнью (живыми существами), также являющиеся частью окружающего Мира. Рассмотрим их, и явление жизни, подробнее:

Жизнь

Жизнь — это процесс, характерным свойством которого является устойчивость, т. к. возникновение и развитие жизни — обязано действию естественного отбора, в ходе которого, отбирались наиболее стабильные объекты (процессы). Иными словами, живые существа — обладают приспособленностью, к некоторой сумме условий окружающей среды, т. к. оказываются явлением в этой среде.

Жизнь — это незамкнутый процесс (в отличие, например, от элементарных частиц, Солнечной системы (где планеты движутся по замкнутым орбитам), и т. п.). Поэтому, для поддержания жизни — необходим постоянный приток энергии в среду, в которой жизнь протекает (аналогично тому, как для вихрей, конвекционных потоков, и т. п. объектов (явлений) известных в различных средах).

Помимо постоянного притока энергии, для поддержания стабильности незамкнутого процесса, т. е. для жизни — для ещё большей её устойчивости, оказывается важна также изменчивость, что для известных живых организмов привело, в ходе естественного отбора, к появлению таких свойств как рост, развитие и размножение, которые требуют т. н. обмена веществ с окружающей средой.

Итак, в целом, жизнь — это устойчивые явления (процессы), открытые (незамкнутые) системы (требующие постоянного притока энергии, для своего существования).

Естественный отбор и случайная изменчивость — приводят к усложнению живых организмов (= эволюции), в т. ч. повышению уровней живого вещества. Однако и наиболее примитивные организмы — тоже могут считаться живыми, хотя и в меньшей степени. (Лишь самые простые, т. н. жизнеподобные объекты (конвекционные ячейки, вихри, растущие кристаллы, и т. п.) — к жизни можно не относить).

Рассмотрим известные уровни живого вещества, = имеющиеся на Земле, подробнее:

Уровни живого вещества

В современном окружающем Мире, в той его части, где известно наличие жизни, т. е. на планете Земля, жизнь содержит ряд уровней вещества, — от примитивных до сложных.

Простейший уровень — молекулярный, представленный живыми молекулами. Это мог быть самый первый, возникший на Земле, уровень живого вещества (о чём, подробнее — позже). В современности, он представлен такими классами живых организмов как вироиды и прионы (организмы, состоящие из одной молекулы — белка (прионы) или нуклеиновой кислоты (вироиды)).

На более высоком уровне — стоят вирусы, — организмы, состоящие из нескольких молекул. Этот же уровень вещества — является сутью простых клеточных органелл (рибосомы, жгутики и т. п.).

Более высокий уровень вещества — представлен одноклеточными прокариотами (бактериями и археями), имеющими примитивные (простые) органеллы в составе клетки.

Далее — следуют протисты, или одноклеточные эукариоты, отличающиеся от бактерий (и архей) — наличием не только простых, но уже и сложных органелл, т. е. ядра, хлоропластов и других органелл, устроенных так же сложно, как и прокариотические клетки (например, митохондрии — в целом, аналогичны бактериям).

Одноклеточные прокариоты и эукариоты (протисты) — можно назвать также и одним, клеточным уровнем живого вещества, в котором, протисты — обрели дополнительный (вклиненный) уровень, связанный со сложными органеллами.

Уже видно, что уровни живого вещества — многочисленны. Но их выделение — основывается на тех же принципах, что и для любых других уровней вещества: объект — представляется принадлежащим уровню вещества, если ведёт себя как единое целое (система) более, нежели как совокупность отдельных элементов. Далее — рассмотрим это и на примере более высоких уровней (живого) вещества:

Клетки — организуются в многоклеточные организмы, как более высокий уровень. При этом, колонии клеток — уровнем вещества (и многоклеточным организмом) не являются, т. к. ведут себя более как совокупность отдельных клеток, нежели как единое целое, т. е. являются слабыми системами (все таковые — занимают промежуточное положение между ближайшими уровнями вещества, например, колония клеток — между клеточным уровнем и уровнем многоклеточных организмов).

Многоклеточные организмы, далее, могут организовываться в стаи / прайды / семьи, где отдельные организмы действуют сообща, как единое целое. Кроме того, у многоклеточных организмов — возникают дополнительные (вклиненные) уровни вещества — органы, системы органов и ткани.

После уровня стай-прайдов-семей, в качестве следующего сильного уровня вещества — может рассматриваться экосистема (например, лес, озеро и т. п.). Она содержит те или иные, различные более низкие уровни живого вещества, но в ней организмы связаны в целостную систему: например, бактерии — разрушают органические остатки, деревья — создают тень для мха, насекомые — опыляют цветы, и т. д. Экосистема т. о. существует как целое, и её части могут быть несамодостаточны.

В понятие экосистемы, всегда включалось также прилегающее неживое вещество, что можно обосновать невозможностью отделить жизнь (явление) от среды (жизнь — явление в среде). Аналогично — и для предыдущих, и для следующего уровня вещества:

Последний (наиболее высокий) имеющийся уровень живого вещества — экосфера (планеты в целом). В ней, экосистемы связаны друг с другом, в т. ч. через обмен организмами (например, перелётные птицы переходят из одной экосистемы в другую, в течение года), в случае природных катаклизмов, разрушенные экосистемы — вновь заселяются, за счёт организмов из других экосистем, и т. д. В целом, видно, что экосфера, во многом ведёт себя как единое целое, и экосистемы в её составе — могут быть несамодостаточными (что особенно видно на примере восстановления экосистем после природных катаклизмов).

Далее: В современности, накоплено довольно большое количество данных (наблюдений) и об истории развития жизни на Земле, в т. ч. её зарождении, и последовательном возникновении новых уровней вещества. Подобно тому, как для окружающего Мира в целом — рассматривается Большой Взрыв и его последствия (в т. ч. возникновение элементарных частиц, атомов, эволюция звёзд, и т. д.) — рассмотрим и вопрос происхождения и развития жизни, в окружающем Мире:

История жизни на Земле

Жизнь появилась на Земле, согласно палеонтологическим данным — не менее (примерно) 3,5 миллиардов лет назад [116] (окаменелости, предположительно (преимущественно) цианобактериальных [117] сообществ (экосистем), см. рис. 272 и 273). Имеются ископаемые-свидетельства наличия жизни и в более ранние сроки [118], однако о правильности интерпретации столь древних окаменелостей (как относящихся к живым организмам), можно говорить лишь с некоторой вероятностью.



Рис. 272 [XXVII]. Окаменелые строматолиты, палеоархейская эра (3,6–3,2 млрд лет назад)



Рис. 273 [XXVIII]. Современные строматолиты


Если принимать во внимание косвенные данные, полученные при изучении современных организмов, можно с большой вероятностью предполагать, что первые живые существа на Земле — являлись молекулярными, причём это могли быть, прежде всего, молекулы РНК (т. н. гипотеза мира РНК). Ископаемые свидетельства о первоначальном мире РНК, пока отсутствуют, но предположение подкрепляется в т. ч. тем, что обнаружена способность РНК к самокопированию без участия белков [119], что уже может подтвердить возможность самостоятельного существования жизни на основе молекул РНК, без белков.

Обнаружение вироидов, в целом, соответствующих таким организмам — ещё одно свидетельство в пользу первоначального мира РНК. Как известно, вироиды — способны размножаться, без синтеза белков (попадая в живые клетки (для вироидов, последние — являются средой, в которой вироиды способны размножаться)). В доисторическом мире РНК, средой для размножения молекулярных РНК-организмов, подобных вироидам — служила среда из неживого вещества (способность молекул РНК к размножению в таких условиях — показана экспериментально [119]).

Естественный отбор наиболее устойчивых молекул РНК, постепенно приводил к их усложнению. Кроме того, в мире РНК мог возникнуть и развиться синтез белков (например, катализирующих образование нуклеотидов, т. е. структурных элементов, необходимых для синтеза РНК). Т. о. могли возникнуть сообщества (экосистемы) взаимосвязанных РНК и белковых молекулярных организмов.

Помимо РНК и (кодируемых ими) белков, в жидкой среде, где развивалась первая жизнь — присутствовали также мицеллы / пузырьки, т. е. сферы из липидов (которые, для удобства, к жизни можно не относить, как и все процессы, которые могли предшествовать возникновению мира РНК). В эти сферы из липидов, так или иначе, попадали молекулы РНК (или и синтезируемые ими, белковые молекулы), что могло привести к формированию более высокого уровня вещества, соответствующего вирусам (размножались эти, первоначальные вирусы, как и организмы мира РНК — в неживой среде, в отличие от современных вирусов).

В ином варианте, с некоторой вероятностью, вирусный организм мог изначально сформироваться путём объединения молекулы РНК и белков, улучшающих способность РНК катализировать реакции [120], подобно тому, как в структуре рибосом [121]. Обо всех этих возможностях, можно говорить лишь с определённой вероятностью (= со значимой долей неопределённости), т. к. палеонтологические данные (окаменелости) и другие (косвенные) данные о том, какими путями развивалась древняя жизнь — ограничены (одно из проявлений границы Мира (вглубь)).

Дальнейшая эволюция — расширяла размер и содержимое вирусного организма, в т. ч. привела к внедрению молекулярных комплексов, аналогичных другим вирусам, в вирусную частицу. Так могли появиться простые органеллы (рибосомы, и т. п.), а организм в целом — начинал т. о. принадлежать более высокому уровню вещества: клеточному (одноклеточные прокариоты). Следы таких организмов (прокариот) — предположительно и обнаруживаются в осадочных породах возрастом около 3,5 миллиарда лет, в виде окаменелостей, по ряду признаков относимых к сообществам цианобактерий и сожительствующих (иных) бактерий или / и архей [117].

Сосуществование различных одноклеточных организмов — приведёт, в дальнейшем, к явлению т. н. эндосимбиоза, в частности — к проникновению бактерий внутрь некоторых одноклеточных организмов, в которых они, со временем — превратятся в сложные органеллы: например, аэробные бактерии — станут митохондриями (утилизирующими кислород, и снабжающими принявшую их клетку, энергией), а фотосинтезирующие бактерии — превратятся в хлоропласты. Это — вероятный путь появления эукариотической клетки, древнейшие ископаемые свидетельства которой, на данный момент, относятся ко времени 1,85 миллиарда лет назад [122].

В пользу эндосимбиоза, как пути происхождения эукариотической клетки, свидетельствует в т. ч. обнаружение данного явления у ряда ныне живущих организмов, а также черты сходства сложных органелл и бактерий.

Переход к следующему уровню — многоклеточности, произойдёт как у прокариот [123], так и у эукариот, однако прокариоты — оказываются способны обрести лишь самую простую многоклеточность, а именно — без образования, в дальнейшем, вклиненных уровней вещества (тканей, органов и систем органов), см. рис. 274 и 275. Впрочем, первыми известными ископаемыми многоклеточными, на сегодняшний день — являются эукариотические многоклеточные (красная водоросль, имеющая возраст около 1,2 миллиарда лет [124]). Имеются определённые свидетельства многоклеточности и в гораздо более ранние сроки [125] [126], в т. ч. у прокариот [127], с проверкой достоверности которых — связана в т. ч. трудность различения их от колоний одноклеточных организмов (слабых систем), в т. ч. обретающих черты сильных систем.



Рис. 274 [XXIX]. Tolypothrix (цианобактерия)



Рис. 275 [XXX]. Myxococcus xanthus (бактерия), плодовые тела


В целом, появление многоклеточности — могло произойти ещё до существования эукариотических клеток. Однако, лишь появление эукариот, и формирование у них многоклеточности, как уже было сказано — является необходимым условием для дальнейшего усложнения организмов, через образование и развитие органов, тканей и систем органов, — которые характерны для более сложных многоклеточных организмов, и отсутствуют у простых (прокариотических) многоклеточных. Первые известные окаменелости сложных (естественно, эукариотических) организмов — известны из т. н. эдиакарской биоты (примерно 575–542 млн лет назад) [128], см. пример — на рис. 276.



Рис. 276 [XXXI]. Spriggina floundersi (вероятное животное), имеет различимый орган — «голову»


Дальнейшая спонтанная изменчивость и естественный отбор, вели к росту разнообразия и сложности организмов, — в т. ч. к освоению новых экологических ниш: толщи воды (у животных — появление и развитие способности плавать), затем — суши, а потом — и воздушного пространства, и т. д., что связано с развитием новых органов и тканей, обладающих новыми функциями (так, при освоении суши, у животных — появились ноги, чтобы ходить, у растений — сосуды, проводящие воду к листьям (а также корни, кора и т. п. органы); при освоении воздушного пространства, у насекомых и птиц — развились крылья). Рассмотрение этих, и т. п. событий — уже (относительно) частный вопрос, поэтому на нём — не останавливаемся, также как и на подробностях периодизации эволюции, геологической истории Земли (влияющей на эволюцию экосистем), и т. п.

Современная живая природа — пришла к очевидной сложности и разнообразию, но в ней сохраняются организмы всех уровней живого вещества, занимая т. о. разные экологические ниши. Так, одноклеточные прокариоты (бактерии и археи) — продолжают существовать, не менее 3,5 миллиардов лет, и распространены почти повсеместно, не претерпев значительных изменений, как уровень вещества. Эволюция т. о. — может рассматриваться лишь для экосферы (и жизни) в целом, как приведшая к текущему множеству уровней вещества и сложным организмам, сосуществующим наравне с простыми (в составе экосферы).

Наконец, появление человека — это переход от жизни, и её эволюции, уже к совсем иному явлению — разуму. В большей степени, нежели с биологической эволюцией, с этим явлением — было связано также формирование уровня живого вещества стай-прайдов-семей (ещё до появления человека), которое требовало достаточно развитой нервной системы (и психики), для взаимодействия особей. Возникновение, суть и эволюция того, что можно назвать разумом (у животных, его зачатки — называются психикой) — входит в предмет соответствующего раздела (философских) знаний — логики, и выходит за рамки темы данной книги (об окружающем Мире в целом).

Далее: Заметим, что эволюция жизни на Земле (в т. ч. её реальность, длительность и характер), а также возраст Земли, и т. п. данные наблюдений — могут быть подвергнуты сомнению, при решении вопросов о реальности, о возможностях познания, и т. п., которые также выходят за предмет данной книги, и рассматриваются в соответствующей, другой области (философских) знаний — теории познания (гносеологии).

Далее: Итак, в целом, мы рассмотрели такое явление (процесс) как жизнь, её возникновение и эволюцию, а также уровни вещества, связанные с жизнью. Далее, можно перейти к уровню, находящемуся выше уровня планет и звёзд (в котором уровни живого вещества рассматривались как вклиненные). Этот, более высокий уровень вещества — составляют:

Планетные и звёздные системы

Планетные (планетарные) системы — это объекты, состоящие из звезды и гравитационно связанных с ней, тел — планет, астероидов, пыли и т. п., обращающихся вокруг неё. Звёздные системы — объекты того же уровня вещества, но состоящие из звёзд, т. е. это — т. н. двойные и кратные (тройные, и т. д.) системы, в которых, на месте возможных планет, располагаются звёзды (такие системы, согласно наблюдениям — широко распространены, например, предполагается, что в них — входят около половины всех звёзд нашей галактики [129]). При этом, некоторые из звёздных систем — могут являться, одновременно и планетными системами (т. е. содержать планеты), и наоборот, планетные системы могут включать более одной звезды. Всего же, звёздных и планетных систем, в настоящее время — известно огромное число (из них, планетных систем — более тысячи [51], а звёздных систем — уже около ста тысяч [130]).

Планетные и звёздные системы, как объекты окружающего Мира и уровень вещества — обладают специфическими свойствами: Так, в звёздной системе — может происходить перетекание вещества с одной звезды на другую (результатом чего может стать, например, т. н. взрыв новой (термоядерный взрыв на поверхности белого карлика) или сверхновой (т. е. достижение белым карликом критической массы, необходимой для возобновления термоядерных реакций, приводящее к взрывному горению элементов и разрушению белого карлика)), и т. д.; в планетной системе, звезда — освещает обращающиеся вокруг неё, планеты, приводя к разнообразным явлениям в среде этих планет (невозможным в случае нахождения планеты вне планетной системы): атмосферным явлениям (вихрям, атмосферным осадкам, электрическим разрядам, и т. д.), явлениям в гидросфере (волнам, течениям, образованию мицелл, и т. п., требующим наличия жидкой среды, поддерживаемой благодаря излучению звезды), химическим реакциям молекул, под действием света (и тепла), и т. п. Нужно также учитывать, что у планет имеется и внутренний источник энергии (гравитационное сжатие, радиоактивный распад элементов, и др.), который может быть более значим для понимания явлений в среде некоторых планет (газовых гигантов, молодых планет, и т. п.).

Рассматривая связь планетных систем и явления жизни — можно обратить внимание на то, что далеко не все современные живые существа на Земле, нуждаются в энергии звезды (Солнца): так, многие организмы (в т. ч. некоторые многоклеточные) — живут на глубине километров под поверхностью [131] [132], и т. о. не зависят от наличия или отсутствия Солнца [133] [134]. Жизнь, в подобном виде — оказывается возможной и на планетах, расположенных на расстояниях от звёзд, не соответствующих условиям, близким к Земным. Также можно представить, что жизнь — явление, не привязанное только к определённым типам молекул, температурам, и т. п. ограниченным условиям, что может быть отчасти подобно тому, как вихри, химические процессы, и др. жизнеподобные явления — возможны в атмосферах / гидросферах / литосферах практически любых планет; однако, чтобы точно ответить на вопрос о возможности жизни на иной молекулярной основе, и при иных условиях среды, необходимо знать потенциал к образованию сложных структур, при таких условиях, что требует наблюдений (и экспериментов (моделирование условий других планет, и т. п.)). Жизнь за пределами Земли, в целом — пока находится на границе окружающего Мира.

Далее: Планетные системы могут различаться друг от друга, по т. н. насыщенности (числу планет), характеру звезды (или звёзд, в системе, например, известны планеты в двойных и кратных звёздных системах, и системах, образованных с участием постзвёздных объектов), и другим свойствам, которые в т. ч. используются в создающейся, в последнее время, классификации планетных систем (рассмотрение последней — уже (относительно) частный вопрос, поэтому его — опускаем).

Системы планеты и её спутников

Объекты, состоящие из планеты и обращающихся вокруг неё, тел (планет-спутников, и др.) — могут рассматриваться как уровень, вклиненный до уровня планетных (и звёздных) систем.

Пока известно немного примеров систем планеты и её спутников, и почти все они — располагаются в пределах Солнечной системы, например, система Земля-Луна, система Юпитера, и т. п. Первая, ставшая известной, внесолнечная, подобная система — Cha 110913–773444 [135].

Системы планеты и её спутников, по многим свойствам — отличаются от планетных и звёздных систем. Так, в отличие от планетных систем, планета, расположенная в центре системы планета-спутники — непрерывно остывает, со времени своего образования, и излучает всё меньше света (и тепла) для планет-спутников, в то время как звёзды (за исключением коричневых карликов), со временем — излучают всё больше энергии: Так, Солнце, согласно расчётам [136], со времени своего образования — постепенно увеличивает светимость, и в современную эпоху светит уже примерно на треть ярче, чем вначале (рост светимости — продолжится и далее, и станет много более резким с приближением к фазе красного гиганта (примерно через 5 млрд лет [137])).

Впрочем, доминирующим источником энергии, получаемой от центральной планеты, планетой-спутником — часто может служить не излучение, а гравитационный (т. н. приливной) разогрев недр, из-за воздействия гравитации центральной планеты, и взаимодействия с гравитационными полями соседних планет-спутников. Известный пример в Солнечной системе — вулканизм спутника Юпитера, Ио, — самый сильный среди всех известных планет, обусловленный, прежде всего, гравитационным разогревом за счёт этих приливных сил, см. рис. 277 и 278. Подобное влияние, в значимой степени, испытывают и многие другие крупные спутники планет-газовых гигантов, в Солнечной системе. Это служит основой явлений в среде этих планет-спутников (вулканизм Ио, возможный подповерхностный океан Европы, Энцелада, и т. п.), а также является предпосылкой для возможности существования жизни (которая, как уже говорилось, требует постоянного притока энергии).



Рис. 277 [XXXII]. Фотография спутника Юпитера, Ио (примечание: на врезках — увеличены вулканические шлейфы)



Рис. 278 [XXXIII]. Поток лавы на Ио (в ИК-свете)


Далее: Системы планеты и её спутников также различаются друг от друга, подобно планетарным (звёздным) системам, и могут быть подвергнуты классификации — по насыщенности, характеру составляющих их, тел, кратности (например, система Земля-Луна может определяться как т. н. двойная планета), и многим другим свойствам. Планеты с кольцами, а также системы, типа Марс-Фобос-Деймос (Фобос и Деймос — не являются планетами) — могут рассматриваться как объекты уровня систем планеты и её спутников, с некоторыми пропущенными уровнями вещества (т. к. эти системы тоже располагаются выше уровня планет и звёзд, и при этом тоже являются сильными системами).

Далее: В современности, накоплено довольно большое число наблюдений, касающихся эволюции планетных и звёздных систем, и (косвенно) систем планеты и её спутников, в окружающем Мире. Рассмотрим эти процессы, подробнее:

Эволюция планетных и звёздных систем и систем планета-спутники

Планетарные и звёздные системы, как известно — формируются при гравитационном сжатии (коллапсе) гигантского межзвёздного облака газа (и пыли). При этом, планетарные и звёздные системы, как правило — не рождаются поодиночке, т. к. сжатие облака (или его части), приводит, сперва — к его фрагментации на более малые участки (т. н. глобулы), сжимающиеся, далее, независимо друг от друга, и дающие начало планетным и звёздным системам. Т. о. формируется, одновременно, как правило, от сотен до тысяч [138], планетных и звёздных систем, объединённых (при рождении) в т. н. рассеянное звёздное скопление (слабую систему) или звёздную ассоциацию (состоящую из практически несвязанных звёзд).

Межзвёздное облако, дающее начало рассеянному звёздному скоплению (или ассоциации), простирается, как правило, на расстояния многих световых лет, и имеет достаточно высокую начальную плотность (из-за которой, значительная часть атомов водорода — соединены в нём в молекулы H2, поэтому это облако также называется молекулярным облаком). В отличие от менее плотных облаков, в молекулярном облаке, напряжённость собственного гравитационного поля — оказывается достаточна, чтобы спонтанно или / и под действием внешних факторов (например, взрыва сверхновой вблизи облака), равновесие между гравитацией и внутренним давлением — могло нарушиться, приводя к гравитационному сжатию облака (или его части). Происходящая, в процессе сжатия, фрагментация облака — ведёт, как уже говорилось, к формированию глобул, видимых, сперва, как тёмные области на фоне остального облака, см. рис. 279.



Рис. 279 [XXXIV]. Глобулы на фоне (в составе) межзвёздного облака


В процессе дальнейшего сжатия, в глобуле происходит разделение вещества на аккреционный диск, вокруг формирующегося центрального объекта — протозвезды (= будущей звезды), см. рис. 280 и 281.



Рис. 280 [XXXV]. Полярные джеты протозвезды HH-34 (направленные в противоположные стороны) — свидетельствуют о наличии аккреционного диска вокруг неё (объект Хербига-Аро)



Рис. 281 [XXXVI]


Благодаря начинающимся термоядерным реакциям (горению дейтерия), центральный объект уже может достигнуть некоторого гидростатического равновесия, в то же время, производя (интенсивный) звёздный ветер, который способствует обретению относительной самостоятельности (т. е. отделению) от остального вещества, содержащегося в аккреционном диске. Это, как уже говорилось ранее — можно считать временем рождения звезды (находящейся на стадии т. н. звезды до главной последовательности (до возгорания водорода)), и планетной (= планетарной) системы (находящейся на стадии протопланетного диска).

Постепенно, происходит перестройка протопланетного диска, благодаря электромагнитным и гравитационным взаимодействиям, ведущая к формированию крупных частиц пыли, сливающихся и разрастающихся до относительно крупных тел (сравнимых с астероидами / кометами) — планетезималей. Дальнейший рост планетезималей, в т. ч. из-за столкновений друг с другом, приводит к формированию некоторого числа т. н. протопланет (отличающихся от планетезималей — достаточно высокой массой для обретения гидростатического равновесия). В конечном итоге, собирание вещества (в т. ч. газа и планетезималей) протопланетами, а также столкновения последних друг с другом, завершают расчистку протопланетного диска, и приводят к формированию самостоятельных объектов — планет (некоторая часть протопланетного диска, при этом, может оставаться нерасчищенной, примеры — пояс астероидов и пояс Койпера, содержащие в т. ч. остаточные протопланеты (последние — могут не рассматриваться как планеты или могут считаться планетами благодаря наличию гидростатического равновесия, в их числе — Церера, Плутон, Эрида и мн. др., также известные (называемые) карликовыми планетами)).

О происхождении планет из аккреционного (в дальнейшем, протопланетного) диска, в частности, свидетельствует расположение орбит планет — в одной плоскости друг с другом, совпадающей с плоскостью вращения звезды — что известно как для планет Солнечной системы, так уже и для других планетных систем [139].

Формирование планет — не имеет чёткой границы с процессами фрагментации межзвёздного облака. Некоторые из участков глобулы или (в дальнейшем) аккреционного / протопланетного диска, в т. ч. протопланеты, при своём росте, могут дать начало планетам-газовым гигантам, или даже превысить массу, необходимую для начала термоядерных реакций, и т. о. становятся звёздами (один из возможных путей формирования двойных и кратных звёздных систем).

Можно также предполагать, что некоторые планеты, в процессе своего образования — могут формировать вокруг себя мини-аккреционные диски, из которых образуются, в дальнейшем, планеты-спутники (об этом, как и в случае планетных систем, свидетельствует в т. ч. расположение орбит многих спутников — в одной плоскости (совпадающей с направлением вращения планеты), в известных системах планета-спутники). Иные пути, вносящие вклад в формирование систем планеты и её спутников — захват спутников извне, а также формирование спутников из выброшенного вещества, в результате столкновения протопланет (например, возможно объяснение формирования Луны как результата столкновения зародыша Земли, с другой (гипотетической), более малой протопланетой, Тейей, либо столкновения двух равноправных протопланет [140]).

В дальнейшей эволюции планетарных и звёздных систем и систем планета-спутники, можно выделить длительный период, когда эти системы пребывают практически в неизменном, стабильном виде (что важно в т. ч. для развития сложной жизни). Этот период, как правило — практически совпадает с временем горения водорода в центральных областях звезды (или одной из звёзд), входящих в планетную или (одновременно) звёздную систему, и составляет, как уже рассматривалось ранее, от миллионов до триллионов лет (в зависимости от массы звезды).

На завершающем этапе эволюции, в результате катастрофических процессов в звёздах, завершающих свою эволюцию, планетные системы, а также системы планеты и её спутников, входящие в состав планетных систем, могут частично или полностью разрушаться (например, звезда на стадии красного гиганта — может поглощать ближайшие к ней, планеты и системы планета-спутники, взрыв сверхновой — способен разрушать планеты, посредством ударной волны, и т. д.).

В целом, мы рассмотрели уровень вещества планетных и звёздных систем и, вклиненный, уровень систем планета-спутники, в т. ч. их эволюцию. Далее, можем перейти к рассмотрению объектов, принадлежащих более высокому уровню вещества, это:

Шаровые звёздные скопления

В отличие от рассеянных скоплений, содержащих, как правило, не более тысяч звёзд, в состав шарового звёздного скопления, входит, обычно, несколько сотен тысяч звёзд [141]. Под действием собственной, достаточно высокой гравитации, эта система звёзд, как видно из названия — обретает форму шара, см. рис. 282.



Рис. 282 [XXXVII]. Шаровое звёздное скопление NGC 7006


Как уровень вещества, шаровое звёздное скопление — обладает рядом новых, своеобразных свойств: так, в центре скопления, где плотность вещества (расположения звёзд) высока, происходит разрушение объектов предыдущего уровня — планетных систем. Последние — исчезают или становятся малы, т. к. орбиты планет в данных условиях, согласно расчётам [142] — неустойчивы (тем больше, чем ближе звезда к центру скопления).

В шаровом звёздном скоплении, звёзды движутся по (сложным) орбитам, под влиянием всех звёзд скопления. Подобно тому, как в планетах, внутри шарового скопления, происходит разделение вещества, под действием гравитации, с образованием слоёв: более массивные звёзды — тонут к центральным областям скопления [141], а более лёгкие (красные карлики [143], и т. п.) — пребывают, большую часть времени, на периферии скопления.

Далее, рассмотрим изменения, которые претерпевает шаровое скопление, с течением времени:

Эволюция шаровых звёздных скоплений

Формирование шаровых скоплений — процесс, который шёл, прежде всего, в начальные времена после Большого Взрыва, когда плотность «межзвёздных» облаков, в окружающем Мире, была выше. О формировании (большинства) шаровых скоплений в столь далёком прошлом, свидетельствуют наблюдения (измерения) возраста звёзд в шаровых звёздных скоплениях: этот возраст, как правило, превышает 10 миллиардов лет [144] (в то время как рассеянные звёздные скопления (слабые системы), которые легко формируются в современности — распадаются, в основном, не более чем за сотни миллионов лет [145]).

Расчёты [146] показывают, что скопление — способно медленно терять своё вещество (т. е. звёзды), в процессе, аналогичном испарению (звёзды в скоплении, случайным образом — обмениваются импульсами, и т. о. появляются звёзды с импульсами, достаточными, чтобы покинуть скопление). В результате потери звёзд, скопление сжимается (при этом, импульсы оставшихся звёзд — возрастают) [147]. Расчёты [148] (и косвенно, наблюдения [149] [150]) показывают, что на определённом этапе сжатия, в центре скопления — происходит формирование тесных двойных звёздных систем, в результате чего, сжатие скопления замедляется и может происходить его повторное расширение, при этом, продолжается испарение. Энергию (импульсы) на это продолжающееся испарение, звёзды теперь получают не за счёт сжатия скопления, а за счёт двойных звёздных систем, которые становятся более тесными, отдавая избыточную гравитационную энергию (в виде роста импульса) окружающим звёздам (и звёздным системам), которые т. о. выталкиваются из центра скопления, на периферию, в т. ч. испаряются. Согласно расчётам, это может приводить, со временем, к полному испарению шарового звёздного скопления (что может занимать от миллиардов до триллионов лет), и ускоряется другими причинами (например, приливным разогревом из-за воздействия гравитационного поля галактики) [151].

Расчёты и наблюдения [152] свидетельствуют о наличии, в современном окружающем Мире, скоплений как на этапе сжатия (т. н. скопления со сколлапсировавшим ядром), так и, возможно, повторно расширившихся скоплений (о чём — уже говорилось ранее), и скоплений на этапе до сжатия (более молодые, в т. ч. формирующиеся [153] [154]).

Шаровые звёздные скопления, входят, далее, в состав объектов более высокого уровня вещества, это:

Галактики

Для понимания галактик, их рассмотрение, можно сразу начинать с их эволюции, т. к. галактики — всё ещё молодые, не до конца сформировавшиеся объекты окружающего Мира, см. рис. 283. Хотя возраст многих современных галактик близок ко времени, прошедшему от Большого Взрыва, однако из-за разницы в масштабе, развитие галактик — идёт медленнее, чем у объектов более низких уровней вещества. Это — можно увидеть, сравнивая аналогичные друг другу процессы, идущие на разных уровнях вещества: так, например, за время одного оборота диска (нашей) галактики (занимающего около 225 млн лет [155]), планеты в планетарных системах, могут совершить многие миллионы оборотов. Поэтому за время существования (нашей) галактики (успевшей совершить всего около 50 оборотов [156]), многие планетарные (планетные) системы — успели не только сформироваться, и пройти длительный период стабильного существования, — но уже и разрушиться, в то время как галактика — даже не достигла стадии стабильного существования (т. е. существования практически в неизменном виде (в т. ч. без коллапсирующих молекулярных облаков, испаряющихся звёздных скоплений, и т. п.)), на которой она, предположительно, будет находиться большую часть своего дальнейшего развития.



Рис. 283 [XXXVIII]. Галактика Андромеды (ближайшая крупная галактика)


Состояние современных галактик — можно, упрощённо, представить как (частично) аналогичное ранним этапам формирования планетарных систем, а именно: этапу наличия аккреционного диска (для галактик с активным ядром), или этапу сразу после разделения аккреционного диска и протозвезды на относительно самостоятельные, протопланетный диск и центральный объект (молодую звезду). Аналогия частична, если учесть, что более низкие уровни вещества, и характер внутренних движений, в планетных системах и галактиках — различны.

Для галактик, центральным объектом — является сверхмассивная чёрная дыра, которая, согласно наблюдениям, присутствует в ядре каждой (или почти каждой) обычной (не карликовой) галактики. Масса центральной чёрной дыры, для различных галактик — находится в пределах, как правило, от 106 до 109 Солнечных масс [157], составляя, впрочем, лишь малую долю от общей массы галактики.

Происхождение и роль центральных сверхмассивных чёрных дыр в галактиках — становится видна из наблюдений галактик, более молодых, чем современные (т. е. расположенных дальше от нас): многие из таких галактик — предстают наблюдателю как т. н. квазары, т. е. содержат квазары = мощные источники электромагнитного излучения (и потоков частиц), образующихся в результате аккреции вещества на центральную чёрную дыру, что приводит к её росту. На этом этапе, очевидно, что центральный объект — ещё не отделился от окружающего вещества, выступающего т. о. в роли аккреционного диска. Данная стадия (аккреции) — может представляться промежуточной между возможной предшествующей стадией протогалактического газового облака (слабой системы), и стадией (молодой) галактики (сильной системы). Заметим, что значимая доля современных (или почти современных) галактик — всё ещё находятся в состоянии аккреции, хотя и несколько ослабленной, — галактики с активными ядрами, которые т. о. всё ещё могут считаться не сформировавшимися как объекты уровня вещества.

Остальные галактики, относящиеся к современным (= расположенные достаточно близко к нам, а значит, видимые в не слишком далёком прошлом), можно отнести, вероятно, к подлинным, хотя и молодым, галактикам, т. к. по имеющимся наблюдениям, они состоят из относительно обособленных друг от друга, центральной сверхмассивной чёрной дыры, и т. н. основного вещества галактики, ранее сформировавшего (или ещё продолжающего формировать) разнообразные объекты более низких уровней вещества: шаровые звёздные скопления (редко), отдельные звёзды и планетарные / звёздные системы. (Последние — образуются, в современности, согласно наблюдениям, почти исключительно в спиральных галактиках, в то время как в эллиптических, процессы звёздообразования и т. п., согласно наблюдениям, уже практически прекратились).

Далее: На сегодняшний день, известно огромное число галактик (область, доступная наблюдению, может содержать более ста миллиардов галактик). Галактики, по ряду различающихся свойств, могут быть разделены (как уже говорилось) на спиральные и эллиптические (а также промежуточные, линзовидные) и неправильные (сталкивающиеся, и др.), а также карликовые, ультракомпактные, гигантские и т. д., однако подробное рассмотрение этих, выделяемых видов галактик — уже (относительно) частный вопрос (поэтому, его — опускаем).

Для отнесения карликовых галактик к уровню вещества галактик, либо к уровню шаровых звёздных скоплений, и к сильным системам вообще — пока недостаточно наблюдательных данных, а также отсутствуют однозначные расчёты внутренней динамики этих объектов. Лишь некоторые карликовые галактики — могут быть, с очевидностью, отнесены к подлинным галактикам (или хотя бы протогалактикам), — из-за обнаружения шаровых звёздных скоплений, а также свидетельств наличия сверхмассивных чёрных дыр, в некоторых из таких галактик [158] [159].

В целом, уровень вещества галактик, на сегодняшний день — всё ещё содержит немало проявлений границы Мира, т. е. требует дальнейших наблюдений.

Группы галактик

В качестве более высокого, чем галактики, уровня вещества, в значительной мере условно, из-за ещё большего масштаба и скудности наблюдательных данных, — могут рассматриваться, гравитационно связанные (т. е. не участвующие в физическом расширении окружающего Мира), группы галактик. Наша галактика — входит в состав одной из таких групп, Местной группы, содержащей две гигантские спиральные галактики (в их числе — Млечный Путь), а также несколько десятков известных карликовых галактик (многие из которых — являются спутниками гигантских), и одну обычную галактику.

Как объекты уровня вещества, группы галактик (в т. ч. Местная группа), ещё в значительной мере не сформировались, о чём свидетельствуют, в частности, многочисленные наблюдаемые явления столкновений галактик в Местной группе (и других группах галактик), и их последствия: В Местной группе, среди примеров таких столкновений, можно назвать, например, столкновение двух карликовых галактик, Большого и Малого Магеллановых облаков, друг с другом, и с галактикой Млечный путь. Наблюдения [160] — также показывают, что Магеллановы облака и Млечный путь — погружены в единое массивное протяжённое облако разрежённого газа (плазмы), окружающее Млечный путь, и т. о. самостоятельность данных (и других подобных) объектов — может быть изначально пренебрежимо мала. Другие примеры столкновений галактик, в Местной группе — это ряд столкновений (слияний) других карликовых галактик с гигантскими галактиками, и возможное (вероятное) будущее столкновение самих гигантских галактик, Андромеды и Млечного пути, примерно через 4 млрд лет [161], а также свидетельства столкновений галактик, происходивших прежде: например, некоторые т. н. звёздные потоки, предполагаемые в т. ч. остатками более несуществующих галактик, а также наиболее крупные шаровые скопления, которые с некоторой вероятностью, могут быть ядрами поглощённых ранее, галактик [162] [163].

В целом, видно, что столкновения, на уровне групп галактик, в современности — частое явление. Есть основания полагать, что все галактики в Местной группе, со временем, сольются друг с другом, с образованием единой галактики. Однако, расчёты внутренней динамики групп галактик (в т. ч. Местной группы), по ряду причин, затруднены и неоднозначны: среди основных причин — недостаточность наблюдений, в т. ч. связанных с проблемой поиска причин скрытой (ненаблюдаемой) массы (также называемой «тёмной материей»). В целом, т. о. пока не известно с достаточной достоверностью, сливаются ли группы галактик в единую галактику, или же (частично или полностью) распадаются, а значит, неизвестно, являются ли (и будут ли) они сильными системами, и уровнем вещества вообще. Лишь с некоторой вероятностью, можно предполагать, что это — сильные системы или будущие сильные системы, и уровень вещества (доводами в пользу чего, служат в т. ч. гравитационная связанность галактик в этих группах, и возможная (несовершенная) аналогия их с планетарными и звёздными системами).

В целом, т. о. требуются дальнейшие наблюдения, и вытекающие из них, более однозначные (достоверные) расчёты. Пока же, группы галактик, во многом — являются объектами, лежащими на границе окружающего Мира.

Тем не менее, в современности, мы можем подняться ещё выше, и увидеть объекты ещё большего масштаба, это:

Скопления галактик

Скопления галактик — последние гравитационно связанные объекты в окружающем Мире. В отличие от групп галактик, скопления состоят из значительно большего числа галактик (от сотен до тысяч [164], не считая карликовых галактик, т. к. последние — в целом, не видны, из-за больших расстояний до скоплений). Группы галактик, при этом — могут входить в состав скоплений галактик, как их (сталкивающиеся и сливающиеся, при этом относительно самостоятельные), части.

Скопления галактик, из-за своей собственной гравитации — в той или иной мере, приближаются к обладанию сферической формой. Основную часть массы скопления, при этом, составляет ненаблюдаемая, скрытая масса («тёмная материя») [165] [166], что в т. ч. приводит к затруднениям в расчётах динамики скоплений, аналогично тому, как и для случая групп галактик, и отдельных галактик.

По своему времени, скопления галактик — являются крайне молодыми (только формирующимися) объектами: о незавершённости формирования скоплений галактик (в т. ч. как уровня вещества), свидетельствуют, в частности, столкновения частей внутри этих скоплений, в т. ч. столкновения отдельных галактик в скоплениях, и скоплений друг с другом, и т. п.

Характерным для скоплений галактик, является также наличие большого количества межгалактического газа: масса этого газа (который, более точно, находится в состоянии разрежённой плазмы), — в несколько раз превышает массу остального видимого вещества в скоплении [165]. Т. о. галактики скопления — погружены в этот газ, и движутся в нём, испытывая его влияние. Также, благодаря межгалактическому газу (плазме), возможны такие специфические явления, характерные для скоплений галактик, как например, поток охлаждения, т. е. поток остывающего газа (плазмы) к центру скопления, который может приводить к интенсивному звёздообразованию (редко) или / и росту сверхмассивной чёрной дыры, в центральной гигантской (или сверхгигантской) галактике скопления [167].

На сегодняшний день, в окружающем Мире, известны тысячи [168] скоплений галактик, как крайне удалённых (они видны более молодыми), так и относительно близких.

Наконец, подымаясь ещё выше скоплений галактик, мы переходим к объектам наибольшего масштаба, известным в окружающем Мире:

Крупномасштабная структура окружающего Мира

Элементами крупномасштабной структуры, являются гравитационно несвязанные системы (т. е. участвующие в физическом расширении Мира), состоящие из скоплений галактик (а также отдельных галактик, их групп, и т. п.), и имеющие вид нитей и стен, разделённых пустотами (войдами).

Эти, нити и стены — очевидно, являются слабыми системами, не имеющими тенденции к образованию сильных систем, т. к. слабая связь скоплений галактик (и т. п.), в этих объектах, по мере физического расширения Мира — становится только слабее. При этом, известно, что объект — является тем более объектом, чем сильнее системность, т. о. нити и стены — со временем, всё менее представляются как (целостные) объекты, и более — просто как совокупность скоплений галактик и т. п. (т. е. объектов более низких уровней вещества).

Характерные размеры нитей и стен — составляют до сотен миллионов световых лет в длину [169] [170]. Наиболее плотные части нитей и стен, а также сами нити и стены, и места их пересечения — также называют сверхскоплениями галактик.

Совокупность всех (пересекающихся) нитей и стен из скоплений галактик и т. п., в окружающем Мире, представляет собой т. н. крупномасштабную структуру окружающего Мира, которая, в целом, однородна, во всех направлениях [170] [169]. (Она — может быть, в некоторой степени, аналогична явлению расширяющейся вязкой жидкости (слизи), которая также склонна образовывать нити и мембраны, при расширении; при этом, роль гравитационного притяжения, в такой жидкости — играют электромагнитные взаимодействия молекул, а в качестве причины расширения — приложенные внешние силы). Эта аналогия, позволяет лучше представить масштаб времени (а именно, молодость и неразвитость объекта — как расширяющейся жидкости (по нашему времени), так и крупномасштабной структуры):

Учитывая разницу в скорости протекания (аналогичных) процессов (а значит, течения времени), на разных уровнях вещества, крупномасштабная структура, по своему времени — наиболее молодой объект в окружающем Мире (вернее, не менее молодой, чем пример краткого существования вязкой жидкости в процессе расширения).

При этом, это — объект не формирующийся, а распадающийся, о чём свидетельствует не только участие крупномасштабной структуры (и всех её элементов, в т. ч. сверхскоплений) в расширении Мира, но и предполагаемое из наблюдений, отсутствие (последние 6 миллиардов лет [171]) гравитационного замедления (физического) расширения окружающего Мира, и наличие, вместо этого, ускоренного расширения (на масштабах выше скоплений галактик).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подведём итоги нашему путешествию к познанию окружающего Мира: мы рассмотрели наш Мир, включая каждый его уровень вещества, и прошли от классической картины Мира, через неклассические представления, к новейшей (формирующейся) постнеклассической картине. Новые подходы, связанные с последней, ещё только начинают применяться, и ещё не использовали, в полной мере, свой потенциал.

Представления о Мире, как никакая другая область (наиболее общих) знаний — зависят от наблюдений (т. к. во Вселенной — возможно (и реализовано) всё, что может быть, а в окружающем Мире — только часть возможного, а какая именно — говорят наблюдения). Поэтому, существуют границы Мира, отделяющие его от (бесконечной) Вселенной: на границе Мира, возможность — не безгранична (как во Вселенной) и не равна конкретному реализовавшемуся варианту (как в окружающем Мире), а промежуточна (как было показано ранее, допускает ряд возможностей, характеризующихся той или иной вероятностью (неопределённостью)).

Рассмотрим, в завершение, подробнее, какое место занимает Теория окружающего Мира (т. е. наиболее обобщённые знания о Мире, = предмет данной книги), среди других областей знания: она — является частью универсальной (негуманитарной) философии (при этом, понятие философия — используется как синоним наиболее обобщённых знаний, в т. ч. получаемых обобщением научных знаний).

Помимо Теории окружающего Мира, универсальная (= негуманитарная) философия, включает в себя следующие разделы:

1. Теория познания (гносеология),

2. Логика,

3. Теория Вселенной (онтология); подразделом последней — и является Теория окружающего Мира, в т. ч. из соображений того, что граница Мира (вширь и вглубь) — и есть (плавная) граница между нашим Миром и (бесконечной) Вселенной.

Граница Мира непостоянна: Мир — зависит от наблюдателя, в т. ч. расширяется, благодаря производимым наблюдателем, наблюдениям (и расчётам), — как вглубь (во внутреннее строение объектов, и к познанию новых уровней вещества малых масштабов), так и вширь (ко всё более крупным объектам). Чем глубже и выше — тем познание становится затруднительнее, однако, теоретически, может быть безграничным в обе стороны: т. о., хотя впереди нас ждёт ещё много открытий, в т. ч. решение вопросов, которые в настоящее время требуют новых наблюдений, но вопросы, в отношении окружающего Мира, вероятно — всегда будут.

Цитируемая литература

1. Mackie, Glen (February 1, 2002). "To see the Universe in a Grain of Taranaki Sand". Swinburne University of Technology. http://astronomy.swin.edu.au/~gmackie/billions.html

2. Christian, Eric; Safi-Harb, Samar (December 1, 2005). "How large is the Milky Way?". NASA: Ask an Astrophysicist. http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/980317b.html

3. A. V. Crewe, J. Wall, J. Langmore (12 June 1970). "Visibility of a single atoms". Science 168 (3937): 1338–1340, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.168.3937.1338

4. "Press Release: The 1986 Nobel Prize in Physics". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 5 Jul 2014. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/press.html

5. Thomas M. Christensen (Spring 2000). "Physics of Thin Films". University of Colorado at Colorado Springs. http://www.uccs.edu/~tchriste/courses/PHYS549/549lectures/image.html

6. "Jerome I. Friedman — Nobel Lecture: Deep Inelastic Scattering: Comparisons with the Quark Model", pp. 730–731. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 23 Jul 2014. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1990/friedman-lecture.html

7. N. Mikheev et al. (June 11, 2010). "Dirac neutrino magnetic moment and a possible time evolution of the neutrino signal from a supernova". Yaroslavl State (P.G. Demidov) University. http://quarks.inr.ac.ru/2010/

8. G. Audi et al. (Dec. 2012). "The Nubase2012 evaluation of nuclear properties". Chinese Physics C, 36 (12): 1157–1286. https://www-nds.iaea.org/amdc/

9. Robert V.F. Janssens, Zheng-Tian Lu (April 27, 2005). "Laser Spectroscopic Determination of the Nuclear Charge Radius of 6He". DNP webpage. http://dnp-old.nscl.msu.edu/current/6He.html

10. Jared Sagoff (January 25, 2008). "Helium-8 study gives insight into nuclear theory, neutron stars". Press Release. Argonne National Laboratory. http://www.anl.gov/articles/helium-8-study-gives-insight-nuclear-theoryneutron-stars

11. Пенионжкевич Ю.Э. (1995). «Физика экзотических ядер». Соросовский образовательный журнал, № 1. http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/exot.htm

12. TUNL Nuclear Data Evaluation Group (29 April 2014). "8He β-Decay Evaluated Data". http://www.tunl.duke.edu/nucldata/GroundStatedecays/08He.shtml

13. National Nuclear Data Center (Aug 1 2014). "Experimental Unevaluated Nuclear Data List (XUNDL)". http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/ensdf/xundl.jsp

14. Neutron News, Vol. 3, No. 3, 1992, pp. 29–37. http://www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/elements/li.html

15. David Lunney (May 3, 2004). "ISOLDE goes on the trail of superlatives". CERN Courier. http://cerncourier.com/cws/article/cern/29077

16. Wilfried Noertershaeuser et al. (17 April 2009). "Nuclear Charge Radii of Beryllium Halo Isotopes at ISOLDE". New Opportunities in the Physics Landscape at CERN, Abstracts book, p. 151 (Abstract ID: 96). http://indico.cern.ch/event/51128/material/3/5

17. Rishi Khatri, Rashid A. Sunyaev (31 May 2011). "Time of primordial 7Be conversion into 7Li, energy release and doublet of narrow cosmological neutrino lines", p. 3. arXiv: http://arxiv.org/abs/1009.3932v2 [astro-ph.CO]

18. National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. "NuDat 2.6". http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/

19. Martin Freer (2010). "Clusters in nuclei". Scholarpedia, 5(6):9652, revision #137031. DOI: http://dx.doi.org/10.4249/scholarpedia.9652

20. Thomas Baumann (19 November 1999). "Longitudinal Momentum Distributions of 8B and 19C: Signatures for One-Proton and One-Neutron Halos", pp. 1, 3. http://www.nscl.msu.edu/~baumann/phd_baumann.pdf

21. National Nuclear Data Center (Aug 29 2014). "Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF)". http://www.nndc.bnl.gov/ensdf/ensdf/ensdf.jsp

22. F. Wamers et al. (20 March 2014). "Exclusive measurements of nuclear breakup reactions of 17Ne". EPJ Web of Conferences, 66, 03094, p. 2. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/epjconf/20146603094

23. R. E. Warner et al. (2004). "Proton removal from 8B, 9C, and 12C on Si at 20–70 MeV / nucleon". Phys. Rev. C 69, 024612, p. 6. http://epubs.surrey.ac.uk/64/

24. Высоцкий М.И. «Теорема CPT». Физическая энциклопедия. / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1988–99. — Том 5 (1998–99), стр. 71.

25. "Atomic Nucleus with Halo: For the First Time, Scientists Measure the Size of a One-Neutron Halo with Lasers". Johannes Gutenberg University Mainz (16.02.2009). http://www.uni-mainz.de/eng/13031.php

26. G. Audi et al. "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties". Nuclear Physics A 729 (2003) 3–128. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf

27. Gary L. Miessler, Donald A. Tarr. Inorganic Chemistry, Third Edition. Prentice Hall, p. 39.

28. R Collé et al. (13 August 2014). "A new determination of the 209Po half-life". J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 41, 105103, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1088/0954-3899/41/10/105103

29. Кургалин С.Д. (2000). «Кластерный распад — новое явление ядерной физики». Соросовский образовательный журнал, № 3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/cldec.htm

30. Japan Atomic Energy Agency, Nuclear Data Center (2013/12/02). "Graph of Fission Product Yields". http://wwwndc.jaea.go.jp/cgi-bin/FPYfig?xpar=z

31. Сарычева Л.И. «Введение в физику микромира — физика частиц и ядер», гл. 8. МГУ. http://nuclphys.sinp.msu.ru/astro/index.html

32. Planck Collaboration: P. A. R. Ade et al. (20 Mar 2014). "Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters", p. 20. arXiv: http://arxiv.org/abs/1303.5076v3 [astro-ph.CO]

33. Walter Alvarez. "13.7 billion years of Cosmic History (logarithmic time scale)". University of California, Berkeley. http://www.chronozoom.com/

34. Barbara Ryden. "Introduction to cosmology". Addison-Wesley, pp. 181–182.

35. Gary Steigman (2007). "Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era". Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 57:463–91, pp. 470, 472. arXiv: http://arxiv.org/abs/0712.1100v1 [astro-ph]

36. G. Hinshaw et al. "Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Data Processing, Sky Maps, and Basic Results". Astrophysical Journal Supplement Series, in press, p. 45. http://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/dr3/pub_papers/fiveyear/basic_results/wmap5basic.pdf

37. Andrei Linde (2007). "Biermann Lectures". Stanford University. Lecture 1. http://www.mpa-garching.mpg.de/lectures/Biermann_07/

38. Paul Langacker (2012). "Grand unification". Scholarpedia, 7(10):11419., revision #127918. DOI: http://dx.doi.org/10.4249/scholarpedia.11419

39. Ишханов Б.С., Кэбин Э.И. «Антиматерия», гл. 18. http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/index.html

40. H. Nishino et al. (Super-Kamiokande Collaboration), 8 April 2009. "Search for Proton Decay via p → e+π0 and p → μ+π0 in a Large Water Cherenkov Detector". Phys. Rev. Lett. 102, 141801, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.141801

41. Barbara Ryden. "Introduction to cosmology". Addison-Wesley, p. 196.

42. John C. Mather (June 30, 2008). "Cosmology: Historical Outline". NASA’s Goddard Space Flight Center. http://www.forth.gr/onassis/lectures/2008-06-30/presentations/Overview_and_historical_perspective_on_Cosmology.pdf

43. Martin Harwit (1998). "Astrophysical Concepts", 3rd ed. Springer, pp. 501–502.

44. Гольданский В.И., Кузьмин В.В. (Январь 1989). «Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни». УФН 157 3–50, стр. 19–30, 32, 35, 38–39, 41–42, 45–46. DOI: http://dx.doi.org/10.3367/UFNr.0157.198901a.0003

45. Barbara Ryden. "Introduction to cosmology". Addison-Wesley, p. 201.

46. Amir Haji-Akbari, Michael Engel, et al. (10 December 2009). "Disordered, quasicrystalline and crystalline phases of densely packed tetrahedra". Nature 462 (7274): 773–777, pp. 773–776. http://www.phy.syr.edu/calendar/NatureGlotzer09.pdf

47. S. Torquato, Y. Jiao (2 Jan 2010). "Analytical Constructions of a Family of Dense Tetrahedron Packings and the Role of Symmetry", pp. 11–13. arXiv: http://arxiv.org/abs/0912.4210v3 [cond-mat.stat-mech]

48. "Cluster". Encyclopædia Britannica. Web. 26 окт. 2014. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/122615/cluster/51984/Clusters-withicosahedral-structures

49. M. Schädel (June 30, 2002). "The Chemistry of Transactinide Elements — Experimental Achievements and Perspectives". Journal of Nuclear and Radiochemical Sciences, Vol. 3, No. 1, 113–120, p. 118. http://www.radiochem.org/paper/JN31/26.pdf

50. Alexander Yakushev et al. (January 23, 2014). "Superheavy Element Flerovium (Element 114) Is a Volatile Metal". Inorg. Chem., 53 (3), 1624–1629, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ic4026766

51. "Catalog". The Extrasolar Planets Encyclopaedia. Dec. 30, 2014. http://exoplanet.eu/catalog/

52. Ignas A. G. Snellen et al. (24 June 2010). "The orbital motion, absolute mass and high-altitude winds of exoplanet HD 209458b". Nature 465, 1049–1051. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature09111

53. Tommi T. Koskinen et al. (6 December 2007). "A stability limit for the atmospheres of giant extrasolar planets". Nature 450, 845–848. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature06378

54. Fred C. Adams (1996). Ben Zuckerman, Matthew A. Malkan, eds. "The Origin and Evolution of the Universe". Jones & Bartlett, p. 47.

55. John S. Lewis (2004). "Physics and Chemistry of the Solar System", 2nd ed. Elsevier Academic Press, p. 600.

56. B.R. Oppenheimer et al. (1999). Vince Mannings, A. P. Boss, S.S. Russell, eds. "Protostars and Planets IV". The University of Arizona Press, p. 1317. http://www.uapress.arizona.edu/onlinebks/PPIV/chap47.pdf

57. Fred C. Adams (2002). "Origins of Existence: How Life Emerged in the Universe". Simon & Schuster, pp. 101–102.

58. Claus E. Rolfs & William S. Rodney (1988). "Cauldrons in the Cosmos: Nuclear Astrophysics". The University of Chicago Press, pp. 338–339, 357.

59. Jeffrey L. Linsky et al. (2006 August 20). "What Is the Total Deuterium Abundance in the Local Galactic Disk?". The Astrophysical Journal, 647:1106–1124, pp. 1106–1107. http://iopscience.iop.org/0004-637X/647/2/1106/fulltext/

60. "CNO cycle". Cosmos — The SAO Encyclopedia of Astronomy. Web. 23 ноя. 2014. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/C/CNO+cycle

61. Franz Muheim (2006). "Junior Honours Nuclear and Particle Physics — Part II: Particle Physics". The University of Edinburgh. Lecture 10, p. 3. http://www2.ph.ed.ac.uk/~muheim/teaching/np3/lect-ZandW.pdf

62. Ишханов Б.С., Кэбин Э.И. «Шпаргалка для отличника (Частицы и ядра) — Глюоны». МГУ. http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/053.htm

63. M.A. Thomson (Lent 2004). "Lecture Courses — Part II, Particle Physics — QCD". University of Cambridge. P. 4. http://www.hep.phy.cam.ac.uk/~thomson/lectures/partIIparticles/pp2004_qcd.pdf

64. Ишханов Б.С., Кэбин Э.И. «Антиматерия». МГУ. Гл. 11. http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant11.htm

65. "CNO cycle". Wikipedia. Web. 29 ноя. 2014. http://en.wikipedia.org/wiki/CNO_cycle

66. Надежин Д.К. «Углеродный цикл». Физика Космоса — Маленькая Энциклопедия / Гл. ред. Р. А. Сюняев, 2-е изд. — М.: Советская Энциклопедия, 1986.

67. F. Palla, H. Zinnecker (2002). A. Maeder, G. Meynet, eds. "Physics of Star Formation in Galaxies". Springer, рp. 25, 43.

68. Fred C. Adams (1996). Ben Zuckerman, Matthew A. Malkan, eds. "The Origin and Evolution of the Universe". Jones & Bartlett, pp. 46–47.

69. F. Palla, H. Zinnecker (2002). A. Maeder, G. Meynet, eds. "Physics of Star Formation in Galaxies". Springer, рp. 43, 45.

70. "Red dwarf star". Encyclopædia Britannica. Web. 30 ноя. 2014. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/494217/red-dwarf-star

71. Philip Massey, Michael R. Meyer (October 2001). "Stellar Masses". Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics. Nature Publishing Group and Institute of Physics Publishing, pp. 1–3. http://www.astro.caltech.edu/~george/ay20/eaa-stellarmasses.pdf

72. Fred C. Adams, Gregory Laughlin, and Genevieve J. M. Graves (2004). "Red Dwarfs and the End of the Main Sequence". RevMexAA (Serie de Conferencias), 22, 46–49, p. 47. http://www.astroscu.unam.mx/rmaa/RMxAC..22/PDF/RMxAC..22_adams.pdf

73. Peter P. Eggleton, John Faulkner (1981). I. Iben Jr. and A. Renzini (eds.). "Why Do Stars Become Red Giants?". Physical Processes in Red Giants, 179–182. Springer, pp. 179–180. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-94-009-8492-9_18

74. O.R. Pols (September 2011). "Stellar Structure and Evolution". Astronomical Institute Utrecht. P. 150. Web. 2 дек. 2014. http://www.ucolick.org/~woosley/ay112-14/texts/pols11.pdf

75. "Triple-alpha process". Wikipedia. Web. 4 дек. 2014. http://en.wikipedia.org/wiki/Triple-alpha_process

76. Kragh, Helge (07 Oct 2010). "When is a prediction anthropic? Fred Hoyle and the 7.65 MeV carbon resonance". University of Aarhus. P. 18. http://philsci-archive.pitt.edu/5332/

77. C.R. Nave. "The Hoyle Resonance". HyperPhysics. Georgia State University. Web. 4 дек. 2014. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/helfus.html#c2

78. Ишханов Б.C., Капитонов И.М., Тутынь И.А. «Нуклеосинтез во Вселенной». — М.: Изд-во Московского университета, 1998. — Гл. 6. http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/n06.htm

79. L. Siess (December III 2007). "Evolution of massive AGB stars — II. model properties at non-solar metallicity and the fate of Super-AGB stars". A &A 476 (2), 893–909, pp. 895–896, 898. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361:20078132

80. Sean G. Ryan, Andrew J. Norton (2010). "Stellar Evolution and Nucleosynthesis". Cambridge University Press, p. 109.

81. Albert A. Zijlstra (7 Nov 1994). "Stellar Evolution and Mass Loss on the Asymptotic Giant Branch", p. 1. arXiv: http://arxiv.org/abs/astro-ph/9411023v1

82. Daniel J. Eisenstein et al. (2006 November). "A Catalog of Spectroscopically Confirmed White Dwarfs from the Sloan Digital Sky Survey Data Release 4". The Astrophysical Journal Supplement Series, 167 40–58, p. 40. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/507110

83. Mukremin Kilic et al. (2007 May 10). "The Lowest Mass White Dwarf". The Astrophysical Journal, 660 1451–1461, p. 1460. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/514327

84. S. O. Kepler et al. (March 11, 2007). "White dwarf mass distribution in the SDSS". Mon. Not. R. Astron. Soc. 375, 1315–1324, p. 1315. DOI: http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2966.2006.11388.x

85. Ишханов Б.C., Капитонов И.М., Тутынь И.А. «Нуклеосинтез во Вселенной — Белый карлик». — М.: Изд-во Московского университета, 1998. http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/n10a.htm

86. Shipman, H. L. (Feb. 15, 1979). "Masses and radii of white-dwarf stars. III — Results for 110 hydrogen-rich and 28 helium-rich stars". The Astrophysical Journal, 228, 240–256, p. 255. http://adsabs.harvard.edu/abs/1979ApJ...228..240S

87. P.-E. Tremblay and P. Bergeron (2008 January 10). "The Ratio of Helium — to Hydrogen-Atmosphere White Dwarfs: Direct Evidence for Convective Mixing". The Astrophysical Journal, 672 1144–1152, p. 1144. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/524134

88. L. Siess (March III 2006). "Evolution of massive AGB stars — I. Carbon burning phase". Astronomy and Astrophysics 448 (2), 717–729, pp. 724–725. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361:20053043

89. Carlos A. Bertulani (2007). "Nuclear Physics in a Nutshell". Princeton University Press, pp. 363–364.

90. L. Siess (December III 2007). "Evolution of massive AGB stars — II. model properties at non-solar metallicity and the fate of Super-AGB stars". A &A 476 (2), 893–909, pp. 895–896. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361:20078132

91. C. de Loore, C. Doom (1992). Edited by C. de Loore. "Structure and Evolution of Single and Binary Stars". Springer, p. 95.

92. L. Siess (December III 2007). "Evolution of massive AGB stars — II. model properties at non-solar metallicity and the fate of Super-AGB stars". A &A 476 (2), 893–909, p. 899. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/0004-6361:20078132

93. Marco Limongi, Oscar Straniero, and Alessandro Chieffi (2000 August). "Massive Stars in the Range 13–25 M: Evolution and Nucleosynthesis. II. The Solar Metallicity Models". ApJS 129 (2), 625–664, pp. 626–627. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/313424

94. Marco Limongi, Alessandro Chieffi (October 3–5, 2007). "Presupernova evolution of massive stars", in proceedings of "XXIII Trobades Científiques de la Mediterrània", p. 8. http://pos.sissa.it/archive/conferences/060/018/SUPERNOVA_018.pdf

95. Marco Limongi, Alessandro Chieffi (October 3–5, 2007). "Presupernova evolution of massive stars", in proceedings of "XXIII Trobades Científiques de la Mediterrània", pp. 4, 7. http://pos.sissa.it/archive/conferences/060/018/SUPERNOVA_018.pdf

96. Marco Limongi, Alessandro Chieffi (October 3–5, 2007). "Presupernova evolution of massive stars", in proceedings of "XXIII Trobades Científiques de la Mediterrània", p. 5. http://pos.sissa.it/archive/conferences/060/018/SUPERNOVA_018.pdf

97. Marco Limongi, Alessandro Chieffi (October 3–5, 2007). "Presupernova evolution of massive stars", in proceedings of "XXIII Trobades Científiques de la Mediterrània", p. 6. http://pos.sissa.it/archive/conferences/060/018/SUPERNOVA_018.pdf

98. Woosley, S.E., Heger, A., & Weaver, T.A. (7 November 2002). "The evolution and explosion of massive stars". Rev. Mod. Phys. 74 (4), 1015, p. 1034. http://users-phys.au.dk/jcd/explosion/reprints/woosley_etal_02.pdf

99. Marco Limongi, Oscar Straniero, and Alessandro Chieffi (2000 August). "Massive Stars in the Range 13–25 M: Evolution and Nucleosynthesis. II. The Solar Metallicity Models". ApJS 129 (2), 625–664, pp. 631–632, 641. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/313424

100. Adam Burrows (October 19, 2012). "Perspectives on Core-Collapse Supernova Theory", p. 4. arXiv: http://arxiv.org/abs/1210.4921v1 [astro-ph.SR]

101. Ишханов Б.C., Капитонов И.М., Тутынь И.А. «Нуклеосинтез во Вселенной». — М., Изд-во Московского университета, 1998. — Гл. 10. http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/n10.htm

102. Adam Burrows (October 19, 2012). "Perspectives on Core-Collapse Supernova Theory", pp. 7, 11. arXiv: http://arxiv.org/abs/1210.4921v1 [astro-ph.SR]

103. Z. Arzoumanian et al . (February 15, 2009). "X-ray Timing of Neutron Stars, Astrophysical Probes of Extreme Physics". arXiv: http://arxiv.org/abs/0902.3264v1 [astro-ph.HE]

104. Bulent Kiziltan et al. (18 Nov 2010). "The Neutron Star Mass Distribution", pp. 1, 5. arXiv: http://arxiv.org/abs/1011.4291v1 [astro-ph.GA]

105. John Antoniadis et al. (26 April 2013). "A Massive Pulsar in a Compact Relativistic Binary", Science 340 (6131), structured abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.1233232

106. "White Dwarf ". Cosmos — The SAO Encyclopedia of Astronomy. Web. 16 дек. 2014. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/W/white+dwarf

107. "Neutron Star". Cosmos — The SAO Encyclopedia of Astronomy. Web. 16 дек. 2014. http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/N/Neutron+Star

108. Kadomsev, B. B. (2010). "On the Pulsar". World Scientific, pp. 86–87.

109. S. Dall'Osso et al. (2003 December 10). "The Glitches of the Anomalous X-Ray Pulsar 1RXS J170849.0–400910". The Astrophysical Journal, 599 : 485–497, pp. 495–496. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/379213

110. D.G. Yakovlev et al. (6 Dec 2000). "Neutrino Emission from Neutron Stars", pp. 5–6. arXiv: http://arxiv.org/abs/astro-ph/0012122v1

111. M. Baldo (2011). A. Bracco, E. Nappi, eds. "From the Big Bang to the Nucleosynthesis". IOS Press, p. 89.

112. Mark G. Alford et al. (21 Jan 2008). "Color superconductivity in dense quark matter", p. 6. arXiv: http://arxiv.org/abs/0709.4635v2 [hep-ph]

113. M. Gyulassy (26 September 2003). "The Quark-Gluon-Plasma Is Found at RHIC". Columbia University. http://nt.phys.columbia.edu/people/gyulassy/Talks/2003/Gyulassy_Kemer03.pdf

114. Nave, C. R. "Nuclear Size and Density". HyperPhysics. Georgia State University. Web. 19 December 2014. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/Nuclear/nucuni.html#c4

115. Don N. Page (15 January 1976). "Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole". Phys. Rev. D 13, 198, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.13.198

116. Thomas N. Taylor, Edith L. Taylor, Michael Krings (2009). "Paleobotany: The Biology and Evolution of Fossil Plants", 2nd ed. Academic Press, pp. 47–54.

117. Thomas N. Taylor, Edith L. Taylor, Michael Krings (2009). "Paleobotany: The Biology and Evolution of Fossil Plants", 2nd ed. Academic Press, pp. 49–50, 52, 55, 57.

118. Kevin D. McKeegan et al. (July 2007). "Raman and ion microscopic imagery of graphitic inclusions in apatite from older than 3830 Ma Akilia supracrustal rocks, west Greenland", Geology 35 (7), 591, p. 593. http://sims.ess.ucla.edu/PDF/McKeegan_et_al_2007_Geology.pdf

119. James Attwater, Aniela Wochner & Philipp Holliger (20 October 2013). "In-ice evolution of RNA polymerase ribozyme activity". Nature Chemistry 5, 1011–1018, p. 1011. http://physwww.mcmaster.ca/~higgsp/4S03/Attwater2013.pdf

120. Walter Gilbert and Sandro J. de Souza (1999). Raymond F. Gesteland, Thomas R. Cech, John F. Atkins, eds. "The RNA World", 2nd ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press, pp. 226–227. http://rna.cshl.edu/content/free/chapters/09_rna_world_2nd.pdf

121. Enrique Meléndez-Hevia (30 Nov 2009). "From the RNA world to the DNA-protein world: clues to the origin and early evolution of life in the ribosome". Journal of Biosciences 34 (6), 825–827, pp. 826–827. http://www.ias.ac.in/jbiosci/dec2009/825.pdf

122. Stefan Bengtson (Dec 2002). "Origins and Early Evolution of Predation". Paleontological Society Papers 8, pp. 293–294. http://www.nrm.se/download/18.4e32c81078a8d9249800021552/Bengtson2002predation.pdf

123. Maldener, Iris, and Muro-Pastor, Alicia M (18 October 2010). "Cyanobacterial Heterocysts". In: eLS. John Wiley & Sons. Abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/9780470015902.a0000306.pub2

124. Nicholas J. Butterfield (Sep 2000). "Bangiomorpha pubescens n. gen., n. sp.: implications for the evolution of sex, multicellularity, and the Mesoproterozoic/Neoproterozoic radiation of eukaryotes". Paleobiology 26 (3), 386–404, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1666/0094-8373(2000)026<0386:BPNGNS>2.0.CO;2

125. Abderrazak El Albani et al. (01 July 2010). "Large colonial organisms with coordinated growth in oxygenated environments 2.1 Gyr ago". Nature 466, 100–104. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature09166

126. Nicholas J. Butterfield (Jan 2005). "Probable Proterozoic fungi". Paleobiology 31(1):165–182, abstract. DOI: http://dx.doi.org/10.1666/0094-8373(2005)031%3C0165:PPF%3E2.0.CO;2

127. Richard K. Grosberg and Richard R. Strathmann (2007). "The Evolution of Multicellularity: A Minor Major Transition?". Annu. Rev. Ecol. Evol. Syst. 38:621–54, p. 622. http://www-eve.ucdavis.edu/grosberg/Grosberg%20pdf%20papers/2007%20Grosberg%20%26%20Strathmann.AREES.pdf

128. Guy M. Narbonne (January 7, 2005). "The Ediacara Biota: Neoproterozoic Origin of Animals and Their Ecosystem". Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 33:421–42, p. 421. http://geol.queensu.ca/people/narbonne/NarbonneAREPS2005Final.pdf

129. Charles J. Lada (2006 March 20). "Stellar Multiplicity and the Initial Mass Function: Most Stars Are Single". The Astrophysical Journal, 640:L63–L66, L63. http://iopscience.iop.org/1538-4357/640/1/L63/fulltext/

130. B.D. Mason and W.I. Hartkopf (2008). S. Hubrig, M. Petr-Gotzens, A. Tokovinin (Eds.). "Multiple Stars Across the H-R Diagram". Springer, pp. 151–152.

131. Borgonie G. et al. (2 June 2011). "Nematoda from the terrestrial deep subsurface of South Africa", Nature, 474, 79–82, pp. 79–81. http://www.princeton.edu/geosciences/people/onstott/pdf/Borgonieetal11-Hmephisto.pdf

132. Roberto Danovaro et al. (2010). "The first metazoa living in permanently anoxic conditions". BMC Biology 8 : 30, pp. 1–2. DOI: http://dx.doi.org/10.1186/1741-7007-8-30

133. Thomas Gold (1 July 1992). "The deep, hot biosphere". Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89(13), 6045–6049, p. 6045. http://www.pnas.org/content/89/13/6045.full.pdf+html

134. J. Thomas Beatty et al. (Jun 28, 2005). "An obligately photosynthetic bacterial anaerobe from a deep-sea hydrothermal vent". Proc Natl Acad Sci USA 102(26): 9306–9310, pp. 9306–9307, 9309. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1166624/

135. "A Planet With Planets? Spitzer Finds Cosmic Oddball". NASA News & Features 29 Nov. 2005. http://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/spitzerf-20051129.html

136. Ignasi Ribas (26 February 2010). A. G. Kosovichev, A. H. Andrei & J.-P. Rozelot, eds. "The Sun and stars as the primary energy input in planetary atmospheres". Proceedings of the International Astronomical Union, 5:3–18, p. 4. DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S1743921309992298

137. K.-P. Schröder and Robert Connon Smith (May 1, 2008). "Distant future of the Sun and Earth revisited". Mon. Not. R. Astron. Soc. 386, 155–163, pp. 156, 158. DOI: http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2966.2008.13022.x

138. "Open Clusters". Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Web. January 6, 2015. http://www.cfa.harvard.edu/research/oir/open-clusters

139. Roberto Sanchis-Ojeda et al. (25 July 2012). "Alignment of the stellar spin with the orbits of a three-planet system". Nature 487, 449–453. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature11301

140. "NASA Lunar Scientists Develop New Theory on Earth and Moon Formation". NASA News & Features 30 October 2012. http://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/moon_formation.html

141. "Hubble Yields Direct Proof of Stellar Sorting in a Globular Cluster". HubbleSite News Release October 24, 2006. http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2006/33

142. Sigurdsson, Steinn (1992 November 1). "Planets in globular clusters?". The Astrophysical Journal, 399 : L95 — L97, L95 — L97. http://adsabs.harvard.edu/doi/10.1086/186615

143. "Hubble sees faintest stars in a globular cluster". Hubble News 17 August 2006. http://www.spacetelescope.org/news/heic0608/

144. G. Meylan, D.C. Heggie (10 Oct 1996). "Internal Dynamics of Globular Clusters", pp. 6–8. arXiv: http://arxiv.org/abs/astro-ph/9610076v1

145. Сурдин В.Г. (2001). «Судьба звездных скоплений». Природа, № 4, стр. 49. http://www.ras.ru/publishing/nature.aspx

146. Matthew J . Benacquista and Jonathan M. B. Downing (4 March 2013). "Relativistic Binaries in Globular Clusters", Living Rev. Relativity 16, 4, p. 17. Web. 5 January 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.12942/lrr-2013-4

147. Сурдин В.Г. «Динамика звёздных систем». — М.: МЦНМО, 2001. — С. 26. http://window.edu.ru/resource/872/27872

148. J.P. Ostriker and C. Thompson (2004). Bahcall, John N.; Piran, Tsvi; Weinberg, Steven (Eds.). "Dark matter in the universe", 2nd ed., World Scientific, pp. 45–46, 51.

149. Matthew J . Benacquista and Jonathan M. B. Downing (4 March 2013). "Relativistic Binaries in Globular Clusters", Living Rev. Relativity 16, 4, pp. 7, 18–21, 23–24. Web. 5 January 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.12942/lrr-2013-4

150. "Vampires and collisions rejuvenate stars". Hubble News 23 December 2009. http://www.spacetelescope.org/news/heic0918/

151. Сурдин В.Г. «Динамика звёздных систем». — М.: МЦНМО, 2001. — С. 26–29. http://window.edu.ru/resource/872/27872

152. Djorgovski, S. George (October 1998). "The Dynamic Lives of Globular Clusters". Sky and Telescope, Volume 96, Number 4, pp. 39–41. http://www.astro.caltech.edu/~george/ay20/globcl-sgd-st.pdf

153. Gallagher, J. S.; Grebel, E.K. (2002). D. Geisler, E.K. Grebel, and D. Minniti, eds. "Extragalactic Star Clusters: Speculations on the Future". IAU Symposium Series, Vol. 207, pp. 751–752. http://adsabs.harvard.edu/abs/2002IAUS..207..745G

154. Keith M. Ashman, Stephen E. Zepf (2008). "Globular Cluster Systems". Cambridge University Press, p. 124.

155. "Year". Encyclopædia Britannica. Web. 10 янв. 2015. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/652370/year

156. William H. Waller (2013). "The Milky Way: An Insider's Guide", Princeton University Press, p. 245.

157. "Massive Black Holes Dwell in Most Galaxies, According to Hubble Census". HubbleSite News Release January 13, 1997. http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1997/01/text/

158. Amy E. Reines et al. (09 January 2011). "An actively accreting massive black hole in the dwarf starburst galaxy Henize 2-10". Nature 470, 66–68. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature09724

159. Anil C. Seth et al. (17 September 2014). "A supermassive black hole in an ultra-compact dwarf galaxy". Nature 513, 398–400. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature13762

160. "NASA'S Chandra Shows Milky Way is Surrounded by Halo of Hot Gas". Chandra X-ray Observatory News Sept. 24, 2012. http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/H-12-331.html

161. "NASA's Hubble Shows Milky Way is Destined for Head-On Collision". Hubble Science Feature 31 May 2012. http://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/milky-way-collide.html

162. G. Meylan et al. (August 2001). "Mayall II = G1 in M31: Giant Globular Cluster or Core of a Dwarf Elliptical Galaxy?". The Astronomical Journal 122, 830–841, pp. 839–840. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/321166

163. Eva Noyola et al. (2008 April 1). "Gemini and Hubble Space Telescope Evidence for an Intermediate-Mass Black Hole in ω Centauri". The Astrophysical Journal, 676 : 1008–1015, pp. 1008–1009. DOI: http://dx.doi.org/10.1086/529002

164. "Hubble pinpoints furthest protocluster of galaxies ever seen". Hubble Science Release 10 January 2012. http://www.spacetelescope.org/news/heic1201/

165. Rene Fassbender (approx. 2006). "Probing Dark Matter & Dark Energy with Galaxy Clusters". The Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics. http://www.mpa-garching.mpg.de/lectures/ADSEM/SS06_Fassbender.pdf

166. "Hubble finds ring of dark matter". Hubble Science Release 15 May 2007. http://www.spacetelescope.org/news/heic0709/

167. "Phoenix Cluster Sets Record Pace at Forming Stars". Chandra X-ray Observatory News August 15, 2012. http://chandra.harvard.edu/press/12_releases/press_081512.html

168. Darling, David. "Abell cluster". The Encyclopedia of Science. Web. 21 January 2015. http://www.daviddarling.info/encyclopedia/A/Abell_cluster.html

169. Alison L. Coil (June 21, 2012). "Large Scale Structure of the Universe", pp. 37–38. arXiv: http://arxiv.org/abs/1202.6633v2 [astro-ph.CO]

170. Brian Dodson (September 16, 2012). "Australian study backs major assumption of cosmology". Gizmag. http://www.gizmag.com/universehomogeneous-300-million-light-years/24149/

171. "The Great Space Coaster: Astronomers Measure the Universe's Deceleration before Dark Energy Took Over". SDSS-III Press Release November 13, 2012. https://sdss3.org/press/lyabao.php

Информация об изображениях

I. Original image (28 May 2006) by original author: Quark67, with modifications (latest — 3 Jan 2013, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Synthese%2B.svg (source)) by Kyle the hacker, Quark67, TMg, N.Mori, adapted by Eternus (4 April 2015): image created from zero in Inkscape 0.91 after the same visual pattern. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

II. Image credit: Arpad Horvath (16 March 2006, see http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_proton.svg (source)), adapted by Eternus (4 April 2015): aligning / changing places of some elements, change of font. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ (about this license)).

III. Image credit: Arpad Horvath (16 March 2006, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Quark_structure_pion.svg (source)), adapted by Eternus (4 April 2015): aligning / changing places of some elements, change of font. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ (about this license)).

IV. Image credit: Roshan220195 (29 June 2012, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Periodic_Table_2.svg (source)), modified by Eternus (4 April 2015): removing last three periods of table, adding bottom border, aligning / changing places of some elements, changing design of arrows, change of font. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

V. Left image credit: Tomruen (9 October 2010, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:3-cube_t1.svg (source)), changed by Eternus (9 April 2015): rotated, central point added. This work is in the public domain.

VI. Right image credit: Tomruen (26 April 2011, see http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Icosahedron_t0_A2.png (source)), modified by Eternus (5 December 2015): cropped, central point added. This work is in the public domain.

VII. Image by P.wormer (6 December 2010, see https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Representative-spherical_harmonics.png (source)). This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

VIII. Image credit: FlorianMarquardt (14 Oct 2002), with modification (4 July 2009, see https://en.wikipedia.org/wiki/File:HAtomOrbitals.png (source)) by Falcorian. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

IX. Frames, extracted by Eternus (2015), from file Drum vibration mode01.gif. Original file — by Oleg Alexandrov (16 January 2008, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode01.gif (source)). This work is in the public domain.

X. Frames, extracted by Eternus (2015), from file Drum_vibration_mode02.gif. Original file — by Oleg Alexandrov (16 January 2008, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode02.gif (source)). This work is in the public domain.

XI. Frames, extracted by Eternus (2015), from file Drum_vibration_mode03.gif. Original file — by Oleg Alexandrov (8 June 2008, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode03.gif (source)). This work is in the public domain.

XII. Left image credit: Dhatfield (25 September 2008). This work is in the public domain. Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:P2M0.png

XIII. Central image credit: Dhatfield (25 September 2008). This work is in the public domain. Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:P2M1.png

XIV. Right image credit: Dhatfield (25 September 2008). This work is in the public domain. Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:P2M-1.png

XV. Image credit: Sven (30 June 2006, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:D_orbitals.svg (source)), modified by Eternus (4 December 2015): cropped, change of font. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

XVI. Frames, extracted from file Drum_vibration_mode11.gif and cropped by Eternus (2015). Original file — by Oleg Alexandrov (16 January 2008, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode11.gif (source)). This work is in the public domain.

XVII. Frames, extracted from file Drum_vibration_mode12.gif and cropped by Eternus (2015). Original file — by Oleg Alexandrov (12 January 2008, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode12.gif (source)). This work is in the public domain.

XVIII. Frames, extracted from file Drum_vibration_mode21.gif and cropped by Eternus (2015). Original file — by Oleg Alexandrov (12 January 2008, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Drum_vibration_mode21.gif (source)). This work is in the public domain.

XIX. Image credit: Patricia.fidi (27 December 2006), with modifications (latest — 6 July 2012, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Electron_orbitals.svg (source)) by Mathieu Perrin, Quibik, Quaerendo, changed by Eternus (9 December 2015): cropping, aligning / changing places of some elements, dividing line added, change of font, cleaning of code. This work is in the public domain.

XX. Автор изображения: Tigran Mitr am (13 октября 2008, см. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%86%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C.jpg (источник)). Рис. передан в общественное достояние.

XXI. Image credit: StringTheory11 (2012), with modifications (latest — 18 August 2014, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Empirical_atomic_radius_trends.png (source)) by Soerfm, Quenhitran, changed by Eternus (2015): cropping. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ (about this license)), 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)), 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ (about this license)), 2.0 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/ (about this license)) and 1.0 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/1.0/ (about this license)).

XXII. Image credit: Prolineserver (3 November 2007, see http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ionlattice-fcc.svg (source)), adapted by Eternus (11 April 2015): cropping, cleaning of code. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

XXIII. Image credit: Vladsinger (11 August 2009, see http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Benzene_Orbitals.svg (source)), changed by Eternus (9 December 2015): text moved down, cropping, cleaning of code, change of font, changing design of arrow. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

XXIV. Image credit: SuperManu (12 October 2007, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Micelle_scheme-en.svg (source)), changed by Eternus (11 April 2015): translated to russian, cleaning of code, style of text changed. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)), 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ (about this license)), 2.0 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/ (about this license)) and 1.0 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/1.0/ (about this license)).

XXV. Image credit: NASA, ESA, M. Kornmesser (11 July 2013). This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported license (for details, please visit http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ (about this license)). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:HD_189733_b_deep_blue_dot.jpg

XXVI. Image credit: Dorottya Szam (5 May 2006). This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/ (about this license)). Source: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proton_proton_cycle.png

XXVII. Image credit: Didier Descouens (30 July 2011). This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ (about this license)). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stromatolithe_Pal%C3%A9oarch%C3%A9en_-_MNHT.PAL.2009.10.1_.jpg

XXVIII. Image credit: Paul Harrison (March 2005). This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stromatolites_in_Sharkbay.jpg

XXIX. Part of original image by original author Matthewjparker (22 January 2013, see http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tolypothrix_%28Cyanobacteria%29.JPG (source)), extracted by Eternus (18 January 2016). This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

XXX. Image credit: Michiel Vos (November 1, 2005). This work is licensed under a Creative Commons Attribution 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ (about this license)). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Myxococcus_xanthus.png

XXXI. Image credit: Merikanto (20 May 2007). This work is licensed under a Creative Commons Attribution 2.5 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ (about this license)). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Spriggina_Floundensi_4.png

XXXII. Image credit: Courtesy NASA/JPL-Caltech. Source: http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA00703

XXXIII. Image credit: NASA/JPL/University of Arizona (31 May 2000, see http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA02550 (source)), cropped.

XXXIV. Author: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Bok_globules_in_IC2944.jpg

XXXV. Image credit: ESO (17 November 1999). This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ (about this license)). Source: https://www.eso.org/public/images/eso9948b/

XXXVI. Original image by original author: Worldtraveller (1 October 2005, see https://en.wikipedia.org/wiki/File:HH_object_diagram.png (source)), adapted by Eternus (19 January 2016): translation to russian. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ (about this license)).

XXXVII. Image credit: ESA/Hubble & NASA (12 September 2011). This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ (about this license)). Source: http://astropix.ipac.caltech.edu/avm_image/11693

XXXVIII. Image credit: Adam Evans (18 September 2010). This work is licensed under a Creative Commons Attribution 2.0 Generic license (for details, please visit https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/ (about this license)). Source: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Andromeda_Galaxy_%28with_halpha%29.jpg


В оформлении обложки использованы части работ автора Adam Evans (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Andromeda_Galaxy_%28with_h-alpha%29.jpg), по лицензии CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/); Vladsinger (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Benzene_Orbitals.svg), по лицензии CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/); «A glacier next to the Großglockner», автора Tadas Balčiūnas (https://www.flickr.com/photos/99429139@N06/9615208755/in/photostream/), по лицензии CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/); «wet pebbles on beach, Oxnard, CA cropped», автора Martin LaBar (https://www.flickr.com/photos/martinlabar/5859682260), по лицензии CC BY-NC 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/).


Изображения, не имеющие ссылки в квадратных скобках после номера рис. — созданы автором (Этэрнус (англ. — Eternus)), в 2015 году (кроме рис. 236, 242–243, 250 и далее — 2016 год), и доступны по следующим лицензиям (на выбор): Creative Commons Attribution 3.0 Unported (см. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/ (об этой лицензии)), Creative Commons Attribution 4.0 International (см. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ (об этой лицензии)).


Оглавление

  • ВВЕДЕНИЕ
  •   Границы Мироздания
  •   Вглубь вещества
  •   Уровни вещества
  • КЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
  •   Первая классическая картина Мира
  •   Вторая классическая картина Мира
  •   Ньютон и представление о силе
  •   Третья классическая картина Мира
  • НЕКЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
  •   Теория поля
  •   Поля 19-го века
  •   Магнитные поля
  •   Электрические поля
  •   Гравитационные поля
  •   Поля 20-го века
  •   Ядерные поля
  •   Слабые поля
  •   Глюонные поля
  •   Объединение полей
  •   Квантовая механика
  •   Что такое квант?
  •   Квантовые представления о полях
  •   «Виртуальные» частицы
  •   Теория относительности
  •   Пространство-время
  •   Геометродинамика
  •   Струнные теории
  •   Искривления пространства и времени
  •   Скорость света
  •   Принцип относительности
  •   Принцип эквивалентности
  •   Теория элементарных частиц
  •   Виды элементарных частиц
  •   Простые и сложные элементарные частицы
  •   Элементарность элементарных частиц
  •   Реакции элементарных частиц
  •   Поколения элементарных частиц
  • ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
  •   Природа вакуума
  •   Сущность элементарных частиц
  •   Структура вакуума
  •   Порядок и хаос в вакууме
  •   Происхождение электрического и магнитного полей
  •   Строение электрона и позитрона
  •   Строение кварков и сложных элементарных частиц
  •   Поле, на постнеклассическом этапе понимания
  •   Строение нейтрино
  •   Спин и геометрия вакуума
  •   Сущность глюонных полей
  •   Причины существования поколений элементарных частиц
  •   Причины различия масс электрона, мюона и таона
  •   Объёмное строение сложных элементарных частиц
  •   Основы постнеклассической ядерной физики
  •   Строение ядра дейтерия
  •   Устройство изотопов ядер первого ряда таблицы Менделеева
  •   Конфигурации нейтронизбыточных изотопов водорода
  •   Конфигурации нейтронизбыточных изотопов гелия
  •   Объяснения закономерностей радиоактивных распадов
  •   Распады изотопов гелия
  •   Роль мезонов в ядерных взаимодействиях
  •   Строение ядер изотопов второго ряда таблицы Менделеева
  •   Строение ядер изотопов лития
  •   Строение протонизбыточных изотопов второго ряда таблицы Менделеева
  •   О сути чётности квантовых состояний
  •   Чётность квантовых состояний ядер
  •   Строение стабильных ядер
  •   Об энергетических уровнях в ядрах
  •   О строении ядер третьего и четвёртого рядов таблицы Менделеева
  •   О трансляционной симметрии в ядре
  •   О строении ядер элементов 5-го ряда таблицы Менделеева
  •   О строении ядер f-элементов
  •   О строении самых тяжёлых ядер
  •   Большой Взрыв
  •   Причины и суть Большого Взрыва
  •   Причина отсутствия антивещества
  •   Фазовые переходы вакуума
  •   До Большого Взрыва
  •   Простота окружающего Мира
  •   Атомы
  •   Молекулы
  •   Простые молекулярные тела
  •   Сложные молекулярные тела
  •   Уровень планет и звёзд
  •   Планеты
  •   Звёзды
  •   Суть термоядерных реакций
  •   Геометрия электрослабых взаимодействий
  •   О геометрии сильных (глюонных) полей
  •   CNO-цикл
  •   Звёздная эволюция
  •   Горение гелия
  •   Белый карлик
  •   Горение углерода и более тяжёлых элементов
  •   Нейтронная звезда
  •   Чёрная дыра
  •   Жизнь
  •   Уровни живого вещества
  •   История жизни на Земле
  •   Планетные и звёздные системы
  •   Системы планеты и её спутников
  •   Эволюция планетных и звёздных систем и систем планета-спутники
  •   Шаровые звёздные скопления
  •   Эволюция шаровых звёздных скоплений
  •   Галактики
  •   Группы галактик
  •   Скопления галактик
  •   Крупномасштабная структура окружающего Мира
  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  • Цитируемая литература
  • Информация об изображениях

    Вход в систему

    Навигация