Логика выстраиваемой здесь конструкции такова, что четвертый, завершающий тур Картезианских игр должен быть посвящен природе слабых ядерных взаимодействий. Или, формулируя то же самое чуть иначе, хотелось бы увидеть, каким образом сконструированная на основе осциллонов модель для базовых кирпичиков материи, протонов и электронов, включает в себя еще два ключевых ингредиента – нейтрон и нейтрино. То есть частицы, особенно важные в процессах распада и ядерных реакциях, при трансформациях частиц и атомов от одного вида к другому.

На примерно одинаковые по массе протоны и нейтроны приходится 99,9% массы всей известной нам материи, а остальные 0,1% приходятся на электроны. Вопрос о наличии массы у трудноуловимых нейтрино по сию пору остается открытым и дискутируемым, однако сам факт самостоятельного существования этих частиц в природе не вызывает никаких сомнений. Но поскольку нейтрино всегда фигурирует как непременный участник в процессах взаимных превращений протонов и нейтронов друг в друга, логично предположить, что суть необычного «устройства» нейтрино каким-то образом должна быть связана с различиями в конструкции двух этих массивных частиц. Так что более естественно сначала сфокусироваться на нейтроне.

Эксперименты достоверно свидетельствуют, что внутри нейтрона имеются положительные и отрицательные электрические заряды, очевидно, компенсирующие друг друга. Поскольку при бета-распаде нейтрон превращается в протон и электрон, а в процессе так называемого «обратного бета-распада» находящийся внутри ядра протон может захватывать электрон и превращаться в нейтрон, то наиболее естественное предположение очевидно. Нейтрон – это, видимо, некое подобие нейтрального атома водорода, где электрон также вращается вокруг протона, но только по существенно меньшему радиусу. Собственно, примерно так – как о связанном состоянии протона и электрона – поначалу думали в 1932 году и первооткрыватель нейтрона Джеймс Чедвик, и его учитель Эрнест Резерфорд, и автор идеи о протон-нейтронном строении ядра Вернер Гейзенберг.

Правда, тут же были поняты и принципиальные проблемы такой модели. В частности, фундаментальный квантово-механический принцип неопределенности Гейзенберга не допускал нахождения электронов внутри объема с размерами ядра – если не привлекать какие-то еще дополнительные гипотезы… Накладывая те же самые соображения на осциллоновую модель частиц, можно увидеть, что никаких принципиально новых гипотез привлекать не требуется. Если чуть более тщательно рассмотреть все возможные варианты взаимодействия осциллонов на двух мембранах, то оказывается, что помимо аннигиляции осциллонов, движущихся во встречных фазах колебаний в одной точке пространства, возможен также случай «вложенности». То есть соосных или коаксиальных вибраций для противоположно заряженных частиц – примерно как в «чехарде» пары вихревых колец Гельмгольца.

*

Для экспериментального подтверждения этой идеи можно обратиться к недавним результатам [1] Джеральда Миллера и Джона Аррингтона из Аргоннской национальной лаборатории США. Скомбинировав в своей работе две традиционно раздельных области ядерных исследований – упругие и неупругие столкновения частиц – Миллер и Аррингтон сумели значительно изменить устоявшийся взгляд на внутреннее устройство нейтрона. На протяжении десятилетий из экспериментов с упругими (или неразрушающими) столкновениями следовало, что нейтрон – это отрицательно заряженное облако, окружающее положительно заряженную центральную область частицы. Однако теперь установлено, что если принимать в учет не только местоположение зарядов, но и энергетический импульс их переносчиков (как при исследовании неупругих столкновений), то картина выглядит существенно иначе. В самом центре положительно заряженной области обнаруживается отрицательный заряд с высоким импульсом энергии.

Отрицательный заряд в центре нейтрона растет вместе с импульсом его переносчика

Иначе говоря, в общепринятых терминах кварков, заряд в центре нейтрона выглядит положительным лишь тогда, когда наблюдаются кварки с низким значением импульса. Однако заряд оказывается все более отрицательным для кварков с наиболее высоким значением импульса. Для кварковой модели в целом это неожиданное открытие ничего не прояснило, а скорее только добавило неясности… Но как бы там ни было, по-прежнему имеется другой надежно установленный и общепризнанный экспериментальный факт – наличие у нейтрона магнитного момента. Или формулируя иначе, факт движения электрических зарядов внутри нейтральной частицы. А для дальнейшего продвижения физики за пределы Стандартной Модели оказывается весьма важным знать, на каком именно расстоянии, в среднем, эти заряды в нейтроне находятся друг от друга.

Любое различие между позициями положительного и отрицательного зарядов должно сопровождаться наличием у нейтрона ненулевого электрического дипольного момента или кратко ЭДМН – то есть нечто вроде электрического эквивалента полосовому магниту. Однако все, даже самые тонкие эксперименты убедительно свидетельствуют, что ЭДМ нейтрона равняется нулю. В частности, с 1990-х годов измерения ЭДМН с максимально доступной для современной науки точностью проводятся интернациональной командой ученых во французском Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле. Информация о строении частиц добывается здесь не с помощью ускорителей и бомбардировок, а принципиально иначе – из скопления ультрахолодных (находящихся в состоянии очень малой энергии) нейтронов, путем чрезвычайно деликатного возмущения их спинов небольшими электрическими и магнитными полями, а затем наблюдениями за их реакцией на эти возмущения.[2]

Чтобы наглядно представить себе уровень аккуратности, с которой проведены недавние измерения (2006 г.), надо мысленно увеличить нейтрон до размеров нашей планеты, и тогда расстояние между зарядами, доступное экспериментальной проверке, соответствует размерам бактерии, то есть всего лишь несколько микрон. И вот, при столь потрясающей воображение точности измерений, результаты всех экспериментов в Институте Лауэ-Ланжевена свидетельствуют, что ЭДМ нейтрона определенно равен нулю. Иными словами, как бы ни возрастала точность измерений, геометрическое положение центра минусового заряда в нейтроне абсолютно точно совпадает с положением центра плюсового заряда.[3]

**

В силу ряда глубоких теоретических соображений результат с нулевым ЭДМН оказывается для теоретиков крайне «неудобным», поскольку опровергает многие гипотезы о строении вселенной, прежде считавшиеся весьма перспективными. С другой стороны, в сочетании со свежими «неудобными» результатами Миллера и Аррингтона, эти экспериментальные данные могут подтверждать идею о коаксиальной вложенности осциллонов, порожденных с двух сторон мембраны. При самом упрощенном взгляде на эту картину можно считать, что нейтрон представляет собой совместные вибрации протона и вложенного в него по оси времени электрона. Однако с учетом всех известных о нейтроне фактов реальная картина оказывается сложнее.

Во-первых, имеется серьезный набор результатов, свидетельствующих, что нейтрон по своим ключевым свойствам сильно отличается от суперстабильного и по сути дела вечного протона. Общеизвестно, например, что нейтрон, в отличие от протона, в свободном состоянии нестабилен и живет до распада в среднем около 15 минут. Внутри же ядра нейтрон одним своим присутствием вызывает принципиальные перемены даже в протонах. Согласно современным представлениям ядерной физики, протоны и нейтроны внутри ядра постоянно меняются друг с другом местами и свойствами, сосуществуя в виде своего рода промежуточных «резонансов», трансформирующих нуклоны друг в друга. Более того, имеются даже основания предполагать, что нейтрон может находиться в состоянии нейтрон-антинейтронных осцилляций.

Эта замысловатая картина согласованных взаимных превращений нуклонов, обеспечивающих ядру достаточно стабильное существование, по некоторым причинам заставляет вспомнить теорию жонглирования [4] Клода Шеннона. То есть ту практически забытую ныне разработку отца теории информации, которая, на первый взгляд, совершенно никак не связана с передовыми рубежами науки. А сосредоточена целиком на правилах, обеспечивающих бесконечно долгое подбрасывание произвольного числа предметов с помощью заведомо меньшего числа рук. Есть сильное ощущение, что модель осциллонов в сочетании с теорией жонглирования могла бы дать новый взгляд на проблемы стабильности атомных ядер.

Более того, шенноновские исследования в области жонглирования могут, возможно, предоставить еще одну очень важную подсказку – к решению давней проблемы с необъяснимо точным равенством между инертной и гравитационной массой тел. Сконструированный Шенноном робот-жонглер манипулировал мячиками не на подбросах их вверх, а на отскоках от мембраны барабана. То есть ловил мячики не в фазе разгона, а в момент их максимального торможения, когда кинетическая энергия уравнивалась гравитацией. Понятно, что именно так должно быть устроено оптимальное жонглирование предметами. И так же, вероятно, устроено жонглирование осцилляциями частиц на мембранах…

***

Наконец, обращаясь к физике бета-распада и к загадочно-неуловимым частицам нейтрино, следует привести в качестве наглядной аналогии один из любопытных феноменов в физике осциллонов. Но для начала имеет смысл напомнить, что представляет собой, в общих чертах, наиболее известный пример взаимопревращений частиц под названием бета-распад. После того, как нейтрон испускает тяжелый W-бозон с зарядом –1, сам он превращается в протон с зарядом +1. Что же касается короткоживущего промежуточного W-бозона, то он тут же распадается на электрон и электронное (анти)нейтрино – остальные итоговые компоненты бета-распада. Примечательно, что масса W-бозона примерно в 100 раз превышает массу испустившего его нейтрона.

В терминах физики осциллонов для этой картины имеется следующая аналогия. Экспериментаторами, исследующими вибрации в гранулированной среде, уже давно отмечен феномен так называемых «норовистых осциллонов» (rogue oscillon). Суть его в том, что один из обычных прежде «пиков» вдруг неожиданно и самопроизвольно набирает избыточную энергию, выдавая резкий всплеск амплитуды, в несколько раз превышающий норму, и затем распадается. Скудная теория осциллонов пока не имеет подобающего математического объяснения этому явлению. Но несложно углядеть признаки сходства между переходом осциллонов из обычного состояния в «норовистое» и спонтанным бета-распадом нейтрона, в свободном состоянии живущего порядка 886 секунд.

Следуя духу Картезианских игр, сводящих все природные явления к физике вихрей, естественно предположить, что и испускаемая при распаде нейтрона энергия – W-бозон – имеет форму череды вихревых колец. Для первого из них – электрона – ранее уже была обозначена соответствующая форма в виде сферического вихря Хилла. Что же касается остальных колец, отвечающих за нейтрино, то на этот счет уместно вспомнить о сновидениях. Во-первых, потому что изначально частица нейтрино была интуитивно предсказана «сновидцем» Вольфгангом Паули – для объяснения того, куда девается порция энергия, недостающая в процессах распада при излучении электронов. А во-вторых, в известном сне про черепаху и трех ее слонов был выразительный намек на то, что частица нейтрино имеет вид двух коаксиальных вихревых колец, догоняющих друг друга в нескончаемой игре в чехарду.

Эта примечательная осцилляция пары колец, все время изменяющих размеры и взаимное расположение, проходя сквозь друг друга, дает наглядный пример того, что могут представлять собой регистрируемые в экспериментах осцилляции нейтрино и других частиц. Когда в разные моменты наблюдений одна и та же частица может выдавать признаки не только энергетически разных семейств, но и собственной античастицы. Поскольку неординарная физика осцилляций для пары вихревых колец была открыта Германом Гельмгольцем, имеются все основания для того, чтобы называть это явление, очень важное в слабых взаимодействиях, «принципом неопределенности Гельмгольца»… И на этом считать первые Картезианские игры закрытыми – переходя к не менее важным разделам, посвященным физике фотонов и геометрическим свойствам пространства.

[1] G. A. Miller, «Charge Densities of the Neutron and Proton,» Phys. Rev. Lett. 99, 112001 (2007) ; Gerald A. Miller and John Arrington. «Neutron Negative Central Charge Density: An Inclusive-Exclusive Connection». Phys. Rev. C 78, 032201 (2008)

[2] P. G. Harris et al. “New Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron”. New Phys. Rev. Lett. 82, 904 (1999); Philip Harris. “Particle physics chills out”, FRONTIERS — UK particle physics, astronomy and space science, Issue 5, 1999

[3] C.A. Baker et al. “An Improved Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron”, arXiv:hep-ex/0602020, v1: 9 Feb 2006

[4] «Scientific Aspects of Juggling». In «Claude Elwood Shannon: Collected Papers». Edited by N.J.A. Sloane and A. D. Wyner. IEEE Press, 1993 ; Peter J. Beek and Arthur Lewbel, «The Science of Juggling», Scientific American, November, 1995, Volume 273, Number 5, pages 92-97.