Что такое материя?

В.А. Шашлов

Предложена модель строения частиц материи, в рамках которой получен качественный вид спектра элементарных частиц, а также выявлено происхождение присущих частицам физических свойств: массы, заряда, спина.

Цель работы

Целью работы является предложить возможный путь решения самой древней загадки, стоящей перед человеком: «Как устроен Мир?».

Содержание работы

В первой части предложена модель строения частиц материи, как объектов, составленных из 2-х наиболее простых элементов внешнего проективного пространства.

Во второй части получен спектр частиц, как результат всех возможных сочетаний элементов внешнего пространства, из которых построены частицы материи.

В третьей части исследовано происхождение физических свойств частиц материи, как свойств элементов внешнего пространства, из которых построены частицы.

Постановка проблемы

Первая модель строения материи, включающая неделимые частицы («Атомы») и пустое пространство («Великую Пустоту»), была предложена Демокритом. В следующем столетии Аристотель заменил атомы на первоэлементы (воздух, вода, земля, огонь), а «Великую Пустоту» – на «эфир», предположив, что остальные 4 элемента были сотворены из эфира. В первой половине ХVII века модели эфира разрабатывал Декарт и его модели продержались до начала ХХ века, когда эфир был заменен теорией относительности на псевдоевклидово, а затем псевдориманово пространство.

Примечание 1. Сначала молодой и неопытный «открыватель» Специальной теории относительности не понял, что в его теории эфир выступает в форме псевдоевклидова пространства (он и «слова такого не знал»), однако через 16 лет повзрослев, признал существование эфира в форме псевдориманова пространства (после того, как титаническими усилиями создал Общую теорию относительности).

Примечание 2. Несколько лет Эйнштейн считал псевдоевклидово пространство, открытое Минковским, а еще ранее Пуанкаре, «математическим прибамбасом», затеняющим физическую суть «его теории».

Начиная с середины ХХ века место эфира занял «физический вакуум», способный при достаточном вложении энергии, рождать любые частицы в любом количестве.

Что касается второго элемента, входящего в состав материи (т.е. частиц), то в Стандартной модели для образования множества наблюдаемых в эксперименте видов материи используется 24 элементарные частицы: 12 лептонов и 12 кварков.

Примечание. Это достаточно много, и в это число еще не включаются бозоны, посредством которых осуществляется взаимодействие между частицами.

Все эти 24 частицы считаются точечными, однако этим бесструктурным объектам приписываются такие физические величины, как масса, заряд, спин, магнитный момент, четность, цветные заряды (для кварков). Происхождение этих величин остается неизвестным. Исключение делается лишь для массы: для ее объяснения вводится Хиггсово поле, однако это явно непоследовательно: чем масса «лучше» заряда и спина?

Из общих философских позиций ясно, что истинная модель должна с единых позиций объяснять все физические параметры, которыми наделены элементарные частицы. Именно такая концепция строения материи предлагается в данной работе.

Автор предлагает для Субстанции, из которой построена материя, новое наименование: «внешнее проективное пространство». Это наименование подчеркивает, что Субстанция «объемлет» обычное физическое пространство, а также указывает, что Субстанция имеет математическую форму проективного пространства.

В данной работе предлагается расширить само физическое пространство, сделав его замкнутым, наделить это расширенное пространство онтологическим статусом и отождествить с Субстанцией, которая породила все Мироздание.

Внешнее пространство включает в себя бесконечно удаленные элементы, которые отсутствуют в евклидовом пространстве. Включение бесконечно удаленных элементов означает переход к проективному пространству, на основании чего данную модель будем именовать проективная модель строения материи.

В различных разделах физики и космологии требуется использовать не только простейшее 3-мерное вещественное проективное пространство (RP3), но и все возможные обобщения данного пространства: комплексное (СP3) и кватернионное (НP3), причем размерность пространства не ограничивается числом «3»: для обоснования квантовой механики требуется бесконечномерное комплексное проективное пространство СP∞.

Примечание. Наиболее общим является бесконечномерное кватернионное проективное пространство НP∞: именно оно представляет собой исходную Субстанцию, из которой сформировались все элементы, составляющие материальный Мир.

Во всех используемых в физике проективных пространствах бесконечно удаленные элементы качественно отличаются от элементов в конечной области. Это различие выражается в том, что в конечной области пространства имеет место геометрия, группой симметрии которой является более узкая группа, нежели группа проективных преобразований. Эта группа может определять аффинную, евклидову или гильбертову геометрию, соответственно, объемлющее пространство будет являться аффинно-проективным, евклидово-проективным или гильбертово-проективным.

В процессе построения проективной модели строения материи будет использоваться только евклидово-проективное пространство. Способ построения евклидово-проективного пространства указан в работе [1].

I. Как устроены частицы материи?

Рассмотрим 2 элемента евклидово-проективного пространства:

1. замкнутая односторонняя поверхность,

2. совокупность всех прямых, проходящих через одну точку («связка прямых»).

Все частицы материи построены на основе только 3-х простейших типов замкнутых односторонних поверхностей и 3-х видов связок прямых.

Три простейших типа замкнутых односторонних поверхностей – это:

  • односторонняя сфера (сфера с отождествленными диаметральными точками),
  • односторонний тор (бутылка Клейна),
  • односторонний трилистник (поверхность Боя).

Три вида связок существуют потому, что внешнее пространство имеет форму СР3-пространства, в котором выделена одна СР1-прямая (выделение произошло на ранней стадии эволюции Мироздания). Данное СР3\СР1-пространство является 3-связным, поэтому в нем имеется 3 сорта путей, каждый из которых проходит через одну из 3-х компонент связности: эти 3 пути формируют 3 вида связок прямых.

Рассмотрим объект, который получается в результате объединения указанных 2-х объектов, когда центр связки располагается внутри данной поверхности, совпадая с ее геометрическим центром. Основное утверждение данной работы состоит в том, что именно так устроены все частицы материи: в состав каждой частицы входит замкнутая односторонняя поверхность и связка евклидово-проективных прямых.

Данная работа посвящена проверке этой гипотезы: во втором разделе показано, что такое строение частиц материи позволяет получить полный спектр частиц материи, а в третьем разделе показано, что данная гипотеза позволяет объяснить происхождение всех физических свойств, которыми обладают частицы материи.

Итак, исходная гипотеза данной работы: частицы материи представляют собой объекты, полученные в результате объединения связок прямых с замкнутыми односторонними поверхностями во внешнем евклидово-проективном пространстве.

Другими словами, каждая частица материи получается, когда в центр связки вставляется замкнутая односторонняя поверхность. Данная поверхность «стягивает» все пересекающие ее прямые связки, в результате чего возникает единый объект, который в обычном физическом пространстве проявляется как «элементарная частица материи».

Примечание. Данный объект является неделимым: по отдельности, и поверхность, и связка не соответствуют никаким физическим объектам. Вместе с тем, данный объект способен к трансформациям путем замены одного типа центральной поверхности на другой тип, или в результате замены вида связки прямых, – это делает возможным взаимные превращения частиц друг в друга.

Данное строение частиц материи позволяет дать объяснение всем имеющимся у частиц свойствам: эти свойства порождаются свойствами центральных поверхностей и связок прямых. Вместе с тем, набор этих свойств относительно невелик: имеется всего 3 простейших типа замкнутых односторонних поверхностей, и всего 3 вида связок прямых.

Данных 3-х поверхностей и 3-х связок вполне достаточно, чтобы объяснить происхождение всех имеющихся у элементарных частиц физических свойств, а также получить полный спектр существующих частиц материи.

II. Как образуется спектр частиц материи?

В рамках проективной модели строения материи находит объяснение разбиение всех частиц материи на 2 класса: лептоны и адроны.

Весь класс лептонов построен на основе 2-х самых простых односторонних поверхностей: заряженные лептоны – на основе односторонних сфер, а нейтральные лептоны – на основе односторонних торов.

Примечание. В нашем случает торы имеют замкнутую форму, представляя собой 2 концентрические (односторонние) сферы примерно одинакового радиуса.

К каждой из этих поверхностей связка прямых может «присоединиться» одним-единственным способом: когда центр связки в точности совпадет с центром сферы или тора. Различие между этими двумя случаями лишь в том, что в случае сферы прямая пересечет поверхность один раз, а в случае тора – два раза. Это различие приводит к тому, что в связке, которая соединена с односторонней сферой, все прямые могут обладать одноименной ориентацией: либо от сферы, либо на сферу, тогда как в связке, соединенной с односторонним тором, прямые вообще не имеют ориентации.

В случае односторонней сферы, пересекающие сферу прямые изменяют свою ориентацию: если они были направлены на сферу, то после пересечения они также будут направлены на сферу, а если прямые были ориентированы от сферы, то после пересечения также будут ориентированы от сферы.

Связка прямых, ориентированных от сферы, соответствует (+) заряду, а связка прямых, ориентированных на сферу, соответствует (-) заряду. Соответственно, первая из рассматриваемых частиц представляет собой позитрон, а вторая – электрон.

Электрон и позитрон представляют собой одностороннюю сферу, соединенную со связкой проективных прямых, ориентированных либо от сферы, либо на сферу.

Примечание 1. Для получения одноименной ориентации прямых связки важно, что бесконечно удаленная плоскость имеет топологию односторонней сферы, благодаря чему на ней также происходит изменение ориентации.

Примечание 2. Если бы прямая проходила бесконечно удаленную точку без изменения ориентации, то связка прямых, соединенная с односторонней сферой, также оказывалась бы неориентированной, и тогда отсутствовали бы заряды (см. далее).

Напротив, пройдя через односторонний тор, прямые не изменяют ориентацию, поэтому ориентации «прошедшей» прямой и той же самой прямой, которая прошла через бесконечно удаленную плоскость (и изменила свою ориентацию) направлены навстречу друг другу: эти ориентации «гасят» друг друга, и прямая становится не ориентированной.

Вместе с тем, отрезки прямых внутри одностороннего тора (между двумя односторонними сферами) сохраняют определенную ориентацию: эти отрезки могут быть ориентированы либо от центра тора, либо на центр тора. Именно это является причиной различия между нейтрино и антинейтрино.

Нейтрино и антинейтрино – это односторонние торы, соединенные со связкой проективных прямых, у которых ориентированы только отрезки внутри тора.

Примечание. Тем самым, находит объяснение, почему нейтрино являются дираковскими, а не майорановскими.

Наличие не одной, а 3-х «копий» одного и того же заряженного или нейтрального лептона объясняется тем, что составляющие связку проективные прямые могут быть 3-х «сортов», поскольку могут проходить через любую из 3-х компонент связности СР3\СР1-пространства. Поскольку длина прямых, проходящих через эти компоненты различна, то различной будет и натяжение этих прямых, что обуславливает различие масс частиц, в состав которых входят данные связки (см. след. раздел).

При этом, две другие характеристики прямых: вращение и кручение остаются теми же самыми, что и обуславливает тот факт, что однотипные частицы 3-х семейств различаются только величиной своей массы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что в природе может существовать 6 и только 6 заряженных лептонов и антилептонов, а также 6 и только 6 нейтральных лептонов и антилептонов, т.е. в классе лептонов всего 12 частиц.

Следующая по сложности замкнутая односторонняя поверхность – односторонний трилистник (поверхность Боя) – служит центральным кором всего класса адронов.

Каждый адрон получается в результате распределения по лепесткам трилистника одной или 2-х связок ориентированных проективных прямых. В случае одной связки получаются адроны с единичным зарядом, а в случае 2-х связок абсолютная величина заряда может принимать значения 2 или 0 (если связки ориентированы противоположно).

При распределении связки по трем лепесткам поверхности Боя, на каждый лепесток может приходиться 1/3 часть связки. Однако, каждая из этих 3-х долей связки может перейти на другой лепесток, в результате чего с этим вторым лепестком будет связана 2/3 часть связки. Лепестки поверхности Боя, соединенные с 1/3 или с 2/3 долей связки, естественно отождествить с нижними (d) и верхними (u) кварками.

Проективная модель строения материи объясняет, почему существуют кварки и почему имеются кварки 2-х сортов: нижние и верхние, имеющие дробные заряды, абсолютная величина которых может принимать только 2 значения: 1/3 и 2/3.

Каждая из долей связки, соединенная с лепестком поверхности Боя, может проходить через любую из 3-х компонент связности. Это означает, что должно иметь место 3 разновидности нижних кварков (d,s,b) и 3 разновидности верхних кварков (u,c,t).

Как показано в Стандартной модели, любой набор, содержащий 3 из этих 6 кварков, формирует определенный адрон. Вместе с тем, предлагаемая модель отличается от Стандартной модели, и основное отличие в том, что кварки не рассматриваются как первичные (элементарные) частицы, при объединении которых получаются адроны.

Наоборот, простейшими элементами Мироздания выступают поверхность Боя и 3 вида связок, соответствующие прохождению прямых связки через одну из 3-х компонент связности внешнего пространства. При соединении этих элементов, на 3-х лепестках поверхности Боя возникает определенное распределение указанных долей связок, что соответствует определенному набору троек кварков из 6ти кварков (d,s,b,u,c,t).

Кварки образуются при формировании адрона того или иного типа, как результат распределения связок прямых по лепесткам поверхности Боя.

При этом не требуется, чтобы кварки, кроме электрического, обладали еще и «цветным» зарядом, который вводится Стандартной моделью для объяснения «цветного» взаимодействия, объединяющего кварки в адроны. Для объединения кварков в адроны не требуется никакого физического взаимодействия: это геометрическое свойство лепестков поверхности Боя, на основе которой сформирован каждый конкретный адрон.

Примечание. Если «цветные» заряды отсутствуют, то не требуется объяснять, почему адроны являются «бесцветными» (в Стандартной модели для этого вводится специальный постулат, не имеющий никакого теоретического объяснения).

Одновременно получает объяснение подтвержденный в миллиардах опытах экспериментальный факт «пленения» (конфайнмента) кварков. Кварки не могут «вылететь» в свободное пространство, поскольку это соответствовало бы «отрезанию» лепестков поверхности Боя. Однако, «отрезанный» лепесток имеет форму односторонней сферы, вследствие чего образованная на его основе частица будет представлять собой заряженный лептон (а не кварк).

С каждым из 3-х лепестков поверхности Боя может быть соединена 1/3 или 2/3 доли связки прямых, которые порождают 1ое, 2ое или 3ое семейство. Единственное ограничение, чтобы суммарный электрический заряд всех долей был целочисленным, поскольку каждая доля – это часть полной связки, соответствующей единичному заряду.

Сочетание всех перечисленных возможностей дает полный спектр всех адронов.

Примечание 1. При этом автоматически получаются мультиплеты, включающие барионы и мезоны, обладающие близкими квантовыми числами.

Примечание 2. Тетракварки и пентакварки могут быть включены в предлагаемую схему двояким образом: возможностью присоединения к каждому лепестку еще одной доли связки, или включением в физическую картину мира следующей по сложности замкнутой односторонней поверхности Штейнера, содержащей 6 вершин.

Осталось выяснить строение частиц темной материи. В изложенной выше модели остался незадействованным целый класс замкнутых поверхностей, а именно, класс обычных двусторонних поверхностей. Естественно предположить, что частицы темной материи формируются именно на основе замкнутых двусторонних поверхностей.

Простейшими из таких поверхностей являются обычные сфера и тор: на их основе могут быть сформированы 2 наиболее легких типа частиц темной материи. Наблюдения показывают, что в Галактике имеется именно 2 типа частиц темной материи.

Примечание. Возможно, «бозон Хиггса» является нестабильной частицей темной материи, построенной на основе третьей по сложности замкнутой двусторонней поверхности (крендель).

III. Как частицы обретают физические свойства?

Согласно проективной модели строения материи, связка прямых не является исключительно геометрическим объектом, а обладает также физическими свойствами. Таких свойств всего 3: натяжение, вращение и кручение.

1. Масса

В соответствие с изложенной моделью, расположенная в центре связки поверхность стягивает все прямые связки, создавая ее натяжение. Величина этого натяжения определяет степень сопротивления частицы изменению положения во внешнем проективном пространстве: это сопротивление определяет массу частицы.

Масса характеризуется натяжением связки евклидово-проективных прямых.

В зависимости от типа центральной поверхности, а в случае поверхности Боя – также от способа распределения связок по лепесткам поверхности Боя (т.е. от кваркового состава адрона), натяжение связки будет различным. Это обуславливает различие масс разных частиц материи, а также возрастание массы в ряду: нейтральные лептоны – заряженные лептоны – мезоны – барионы.

В рамках проективной модели строения материи находит объяснение происхождение законов Ньютона, если учесть, что внешнее пространство имеет физический смысл обобщенного пространства скоростей.

Если частица занимает фиксированное положение во внешнем пространстве (скоростей), то все прямые связки имеют одинаковое натяжение и не препятствуют частице сохранять это положение, что в обычном физическом пространстве проявляется как движение с постоянной по величине и направлению скоростью, т.е. как состояние прямолинейного и равномерного движения (I закон Ньютона).

Если частица изменяет положение во внешнем пространстве, то сопротивление частицы перемещению в этом пространстве пропорционально не только разности натяжений прямых связки против направления движения и вдоль этого направления (т.е. массе), но и скорости такого изменения (т.е. ускорению). Данное утверждение составляет содержание II закона Ньютона.

2. Заряд

Проективная прямая имеет форму окружности. Наличие у проективной прямой ориентации означает вращение данной окружности в направлении своей ориентации. Особенностью евклидово-проективных прямых является то, что при пересечении бесконечно удаленной плоскости, направление вращения меняется на противоположное.

Если прямая дополнительно встречает на своем пути одностороннюю сферу, то она изменяет ориентацию еще раз. С учетом этих 2-х изменений ориентации, прямая разбивается на 2 полупрямые, выходящие из данной сферы в противоположных направлениях и соединяющихся в бесконечно удаленной точке. При этом обе полупрямые оказываются ориентированными одинаковым образом: либо от сферы к бесконечно удаленной точке, либо от бесконечно удаленной точки к сфере.

Примечание. Изменение ориентации имеет место и на сфере, и на бесконечности.

В обычном физическом пространстве бесконечно удаленные точки отсутствуют, поэтому ситуация выглядит таким образом, что все прямые связки ориентированы либо от сферы, либо на сферу. Отождествив ориентированные евклидово-проективные прямые с электрическими силовыми линиями, получим модель электрического заряда: в первом случае заряд будет положительным, а во втором – отрицательным.

Заряд – это связка одноименно ориентированных (вращающихся в одном направлении) евклидово-проективных прямых.

Примечание. Природу заряда можно понять только признав объективное существование проективного пространства и наличие в нем выделенной бесконечно удаленной плоскости, при пересечении которой ориентация проективных прямых изменяется на противоположную.

3. Спин

Осталось рассмотреть чисто геометрическое (внутреннее) свойство проективных прямых – это свойство кручения. Без кручения проективную прямую вообще невозможно представить, именно поэтому определяемый кручением спин является наиболее фундаментальным свойством частиц материи.

Прежде всего, все евклидово-проективные прямые, составляющие связки, в центре которых располагаются замкнутые односторонние поверхности, также разбиваются на 2 полупрямые, направление кручения которых может быть либо от поверхности к бесконечности, либо от бесконечности к поверхности (для кручения случаи односторонней сферы и одностороннего тора не различаются).

Это означает, что при измерении состояния кручения прямой связки, расположенной вдоль любого пространственного направления (это соответствует измерению спина частицы: спин – это проявление крутящего момента проективной прямой), кручение (и, соответственно, спин) может быть направлено либо вдоль, либо против данного направления [1]. Именно этот результат наблюдается экспериментально: спин частицы материи (фермиона) может иметь только 2 противоположных направления.

Моменты кручения других прямых связки не проявляются, однако, если измеряющий спин прибор (например, устройство Штерна-Герлаха) повернуть на любой угол, то проявится момент кручения другой прямой связки, которая расположена в данном направлении. Это объясняет, почему спин частицы словно «предугадывает» направление, в котором экспериментатор намерен произвести его измерение: благодаря наличию связки закрученных прямых, частица «всегда готова» выстроить спин вдоль любого пространственного направления.

Заключение

Данная работа представляет собой попытку дальнейшего развития понятий «эфир» и «физический вакуум». До настоящего времени явно или неявно предполагается, что эфир (физический вакуум) «заполняет» евклидово (псевдоевклидово) пространство.

Примечание. Хотя остается вопрос: «Как можно заполнить пространство, которое не имеет границ?». Единственным ответом на этот вопрос может служить древняя максима: «Богу и физику-теоретику все возможно» (в древности, вплоть до времен Ньютона, физики-теоретики именовались натурфилософами).

В данной работе предпринята попытка изложить основы проективной модели строения материи, в которой все частицы материи построены из элементов проективного пространства, представляющего собой математическую форму Субстанции Мироздания.

Проективная модель устраняет основной недостаток Стандартной модели, заключающийся в том, что элементарные частицы представляются точечными, и призвана ответить на вопросы, которые в Стандартной модели остались нерешенными.

Проективная модель объясняет происхождение физических свойств и спектр частиц материи. Включение в физическую картину мира проективного пространства позволяет разрешить многие фундаментальные проблемы теоретической физики.

Выводы

1. Частицы материи образуются в результате объединения связок проективных прямых и замкнутых односторонних поверхностей при встраивании поверхности в центр связки.

2. Центральными корами всех частиц материи служат 3 самые простые замкнутые односторонние поверхности: сфера, тор, трилистник.

3. Частицы темной материи имеют такую же структуру, только место односторонних поверхностей занимают двусторонние поверхности.

4. Масса, заряд и спин частиц обусловлены натяжением, вращением и кручением проективных прямых в связке, входящей в состав данной частицы.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Что такое спин? Откуда берутся кванты? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26511, 27.06.2020

Владимир Шашлов.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *