О ЕДИНОЙ ПРИРОДЕ ТЕМНОЙ И СВЕТЛОЙ МАТЕРИИ

Михаил Яковлевич Иванов, д.ф.-м.н

"Свою жизненную задачу я усматриваю в следующем: путем возможно более ясной, логически упорядоченной разработки результатов старой классической теории способствовать, поскольку это в моих силах, тому, чтобы в будущем не пришлось открывать заново многое хорошее и все еще пригодное, что, по моему убеждению, содержится в этой теории, как это неоднократно случалось в истории науки".

Л. Больцман, "О развитии методов теоретической физики в новейшее время".

Гравитирующую материю нашей Метагалактики (видимой Вселенной) принято делить на два основных класса: люминесцирующую Светлую Материю (СМ), которую можно регистрировать с помощью электромагнитного излучения (в различных диапазонах частот), и нелюминесцирующую Темную Материю (ТМ), которая не излучает (ни в одном диапазоне частот) и может быть зарегистрирована только благодаря своему гравитационному воздействию на окружающую светлую материю. Процентный состав материи в Метагалактике с достаточной степенью достоверности обоснован многочисленными опытными данными. На долю металлов приходится примерно 0,01 % от массы всей Вселенной, видимая часть привычной нам барионной материи составляет всего около 0,5 % от общего количества зарегистрированной материи, а оценка всей барионной материи, в том числе невидимой (невидимые планеты типа Юпитера, черные дыры и т.п.) дает около 4 % от ее общего количества. Оставшаяся подавляющая часть материи Метагалактики (примерно 96 %) приходится на долю нелюминесцирующей ТМ. Примерно 25 % ТМ от общего количества материи сосредоточено около галактик и их скоплений в форме "шарообразной атмосферы" (гало галактик), другая часть ТМ (около 70 %), как обоснованно полагают, распределена достаточно равномерно в свободном пространстве нашей Вселенной.

Попытки описать природу ТМ в рамках современных моделей теоретической физики (так называемых "стандартных" моделей) не увенчались пока успехом. В то же время экспериментальные достижения науки второй половины XX века позволяют с позиций "старой классической теории" предложить единый теоретический подход к описанию природы темной и светлой материи. Отметим те основные принципиальные экспериментальные достижения, на которые будет опираться излагаемая ниже единая теоретическая модель.

Это, прежде всего, зарегистрированное в 1965 г. американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном Космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ), так называемое "свечение вакуума". Теоретическое предсказание данного излучения было сделано в 1948 г. Георгием Гамовым, учеником ленинградского профессора А.А. Фридмана. Г. Гамовым была также определена температура излучения (около 7 К). Тщательные исследования КМФИ на протяжении последних десятилетий показали, что распределение плотности излучения по частотам такое же как у абсолютно черного тела с температурой Т = 2,735 К.

Вторым важным опытным результатом, которым мы воспользуемся, будет "поляризация вакуума" при прохождении импульса света. В пределе данное явление приводит к рождению электрон-позитронной пары в поляризованном вакууме при столкновении двух достаточно интенсивных электромагнитных импульсов (фотонов). В известной монографии академика Л.Б. Окуня "Физика элементарных частиц" явление поляризации вакуума описывается (в частности, для пространства около электрона) словами: "Электрон, поляризуя вакуум, как бы притягивает к себе виртуальные позитроны и отталкивает виртуальные электроны".

В качестве третьего экспериментального достижения выступает возможность визуализации формы отдельных атомов и молекул с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии. В этом направлении удалось наблюдать близкую к сферической форму отдельных атомов, так называемые ван-дер-ваальсовы сферы. Здесь особо следует подчеркнуть тот важный факт, что подобная визуализация позволила впервые воочию увидеть реальное поляризованное пространство, локализованное около ядер атомов в пределах ван-дер-ваальсовых сфер (в рассматриваемой ниже модели - реально существующую ТМ).

Еще одним важным научным результатом является обнаружение спиралевидной формы многих сложных молекул, в частности, молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (молекул ДНК). Молекулы ДНК содержат всю исчерпывающую (колоссальную по объему) генетическую информацию о будущих поколениях организма. Для записи и хранения подобного объема информации молекула ДНК должна представлять собой уникальный биологический носитель ("чип"), принципиально отличный от используемых в современных компьютерах чипов на кремниевой основе. Интересным аспектом в этой связи является необходимое требование принципа детерминированности процесса хранения информации, т.е. ее четко определенного "стационарного" характера записи и воспроизведения (представьте себе на минуту справедливость квантовых подходов и принципа неопределенности в хранении и воспроизводстве вашей генетической информации).

Опираясь на отмеченные принципиальные экспериментальные достижения второй половины XX века, сделаем попытку рассмотреть вопрос моделирования с единых позиций природы ТМ и СМ.

Темная Материя - новое имя классического эфира.

"Тончайшая материя эфира, заполняющая весь невидимый мир, способна обладать этим движением (движением частиц материи - авт.) и теплотой, но также, что она сообщает это полученное ею от солнца движение также и нашей земле и остальным планетам и нагревает их, так что эфир является той средой, при помощи которой удаленные друг от друга тела сообщают друг другу теплоту", - утверждал М.В. Ломоносов в своем оригинальном трактате "О причине теплоты и стужи". Весьма четкое теоретическое заключение М.В. Ломоносова, высказанное в середине XVIII века, получает, по нашему мнению, наглядное экспериментальное подтверждение в конце XX века открытием ТМ. Полное отождествление светоносной "тончайшей материи эфира" и ТМ лежит в основе дальнейшего изложения и приводит нас вновь к классической механике, в том числе в объяснении единой природы ТМ и СМ.

Для достижения этой цели достаточно принять для материи эфира и ТМ приближение классической газообразной среды суббарионных частиц и считать справедливым для этой среды распределение Максвелла-Больцмана по скоростям.

Считая, что космический фон состоит из ТМ с равновесной температурой Т = 2,735К, и полагая, что плотность излучения космического фона в каждом диапазоне пропорциональна числу частиц этого диапазона, можем сопоставить расчеты по приведенной формуле с экспериментальными данными для КМФИ. В результате такого сопоставления можно вычислить количественную величину массы частиц ТМ (эфира) m = 3,4 10-4 эВ.

Итак, масса частицы ТМ нами определена путем сопоставления расчетов по приведенной выше классической формуле Максвелла-Больцмана с полученными в самом конце XX века тщательными экспериментальными замерами свойств КМФИ. Перейдем теперь к обоснованному определению структуры частицы ТМ, ее заряда и линейного размера.

Важным экспериментально доказанным явлением природы является возможность аннигиляции электрона и позитрона в световые импульсы и обратный процесс рождения электрон-позитронной пары при столкновении световых импульсов (фотонов достаточно высоких энергий). Подобные свойства "физического вакуума", заполненного, как сегодня доказано, ТМ, приводят нас к требованию, чтобы частицы ТМ несли также положительный и отрицательный электрические заряды, в целом оставаясь нейтральными. Естественной простейшей моделью нейтральной суббарионной частицы в этом случае будет электрический диполь, объединяющий два "ультраэлементарных" одинаковых заряда противоположного знака. Принимая во внимание значения массы и заряда электрона, вычисляем величину ультраэлементарного заряда частиц ТМ (около 0,5 10-28 Кл). Оценка характерного линейного размера частицы (диполя) ТМ, сделанная с использованием известных значений массы и размера ядра протона, дает величину порядка 5 10-20 м.

В связи с рассмотренной дипольной моделью частицы ТМ достаточно очевидным становится процесс рождения (или аннигиляции) электрон-позитронной пары в физическом вакууме. Этот процесс представляется как одновременный разрыв большого количества нейтральных диполей в малом объеме пространства под действием достаточно сильных импульсов электромагнитного поля и образование в этом объеме электрон-позитронной пары, разделяющейся под действием магнитного поля. В изложенной версии рождение электрон-позитронной пары удовлетворяет законам сохранения массы и заряда (и, несомненно, также законам сохранения импульса и энергии). Образовавшиеся электрон и позитрон с размером заряженного керна ("ядра") порядка 10-17 м окружены связанным с керном поляризованным пространством (называемым либо "облаком", либо "шубой" электрона) радиусом примерно 5 10-11 м.

Структура электрона и протона.

В полном соответствии с экспериментально подтвержденной поляризацией вакуума находится излагаемая ниже математическая модель структуры электрона и протона. Под "виртуальными" электронами и позитронами поляризованного пространства мы будем подразумевать реальную поляризованную газообразную структуру дипольных частиц ТМ, из которых, как это уже было отмечено, могут образовываться электрон-позитронные пары. В данном случае достаточно прозрачно осуществляем переход от виртуальной интерпретации явления поляризации вакуума к реальной интерпретации. И вновь мы возвращаемся к "старой классической теории".
В рамках рассматриваемого приближения можно вывести конкретные уравнения, описывающие распределение потенциала и концентрации частиц в поляризованных пространствах электрона, позитрона, протона и антипротона.

Принципиально важной особенностью распределения является наличие потенциальной ямы и барьера на внешней границе поляризованного пространства с изломом распределения. При этом на внешней границе сосредотачивается наведенный электрический заряд отрицательной величины, индуцированный заряженным керном электрона при поляризации его "шубы".

Представленные результаты в силу зарядовой симметрии справедливы также для описания структуры поляризованного пространства позитрона (при изменении знака потенциала на противоположный).

Рассмотрим теперь возможность построения на тех же принципах модели протона и антипротона. По аналогии с электроном полагаем, что весь положительный заряд протона сосредоточен в его центре, имеющем оценочный размер, подобный размеру керна электрона, порядка 10-17 м. Это центральное ядро окружено шарообразной "каплей" поляризованной ТМ в жидком агрегатном состоянии. Размер этой капли определяет характерный известный размер протона (около 0,8 10-15 м), в котором сосредоточена практически вся его масса. Вокруг капли протона имеется поляризованное шарообразное пространство ТМ в газообразном агрегатном состоянии, аналогичное поляризованному пространству позитрона. Моделирование структуры двухслойного поляризованного пространства протона выполняется интегрированием уравнения для электрического потенциала с использованием различных уравнений состояния (для жидкой и газообразной фазы ТМ).

Принципиально важным здесь является наличие двух потенциальных ям и двух барьеров при расстояниях порядка 0,8 10-15 м и 5 10-11 м. Построенная структура протона с частичным экранированием его заряда двухслойным поляризованным пространством устойчива и время его жизни не ограничено. В силу зарядовой симметрии структура антипротона повторяет структуру протона (с соответствующими изменениями знака у потенциала и др.).

Структура нейтрона и конфайнмент кварков.

После изложения моделей электрона и протона в присутствии ТМ следующим шагом будет моделирование нейтрона. Здесь достаточно поместить электрон на поверхность жидкой капли ядра протона, где в силу наличия наведенного сосредоточенного положительного заряда на имеющемся потенциальном барьере обеспечивается стационарное состояние электрона кулоновскими силами. Электрон устойчиво "плавает" на поверхности жидкой капли протона на расстоянии 0,8 10-15 м от его центра. Нейтрон электрически нейтрален в силу равенства зарядов протона и электрона, его масса несколько превышает сумму изолированных масс протона и электрона в силу дополнительного наличия "ожиженной" ТМ в суммарной жидкой капле нейтрона (возможно также в результате действия дополнительных гравитационных сил).

Несложно в такой модели рассчитать электрический и магнитный дипольные моменты нейтрона. Моделирование античастицы нейтрона (антинейтрона) в данном подходе состоит в простой смене знака у заряженных составляющих исходных частиц. Положительно заряженный керн в центре нейтрона и отрицательный электрон на его поверхности не в состоянии аннигилировать в силу того, что поляризованное пространство ТМ в жидком фазовом состоянии не позволяет им сблизиться на необходимое расстояние (для возможности аннигиляции). Однако в результате постепенного испарения ТМ с поверхности нейтрона его стабильность (за время полураспада порядка 11 мин) нарушается, и нейтрон теряет электрон (происходит распад нейтрона). При этом избыток массы уносится с поверхности в форме солитона малой амплитуды, отождествляемого с антинейтрино.

Следует специально отметить, что предложенные модели протона и нейтрона хорошо согласуются со стандартной кварковой моделью адронов и объясняют "пленение" кварков адронами (механизм конфайнмента, т.е. невозможности существования кварков вне адронов). По кварковой модели протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Верхнему u-кварку приписывается заряд +2/3, нижнему d-кварку - отрицательный заряд -1/3. Указанная структура подтверждается специальными экспериментами. В предложенной нами механической модели экранированный в центре протона и нейтрона сосредоточенный положительный заряд следует отождествить с верхним u-кварком, поляризованная средняя часть жидкой центральной капли протона и нейтрона отождествляется с нижним d-кварком, на периферии жидкой капли протона доминирует наведенный положительный заряд (снова u-кварк), а на поверхности нейтрона находится захваченный и частично экранированный электрон (d-кварк). Механизм конфайнмента объясняется тем, что частичная экранировка сосредоточенных положительных и отрицательных зарядов протона и электрона возможна только в составе всего протона или нейтрона. И, естественно, нейтрон распадается на протон и электрон.

(Продолжение следует)

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]