Размышления ядерщика о механизмах холодного ядерного синтеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размышления ядерщика о механизмах ХЯС

Евгений Андреев

Институт Физики НАНУ, Киев, Украина



Аннотация

Проблема понимания механизма сближения заряженных ядер на фермиевские расстояния в реальных процессах ХЯС уже много лет является камнем преткновения для большого массива теоретических моделей. Представляется, что без учета особенностей ядерных сил и р-р взаимодействия, описать прохождение протона через Кулоновский барьер соседнего ядра не получится.

Автор склонен думать, что эта трудность преодолевается гипотезой о возможности рождения протона (первичный нуклеосинтез) внутри уже существующего атома водорода за счет введенной извне энергии. Фактически задача сводится к анализу и обобщению моделей первичного нуклеосинтеза ядерной астрофизики, которые должны учитывать внутреннюю структуру барионов.

На основе этой гипотезы ранее была предложена модель нуклеосинтеза (Лавина), которая успешно объясняет элементные соотношения во всех земных минералах и трансмутаций в экспериментах ХЯС. Однако она неполна и нуждается в расшифровке кварковой структуры протона.

Физическим аналогом понятия «кварки», из которых образованы все ЭЧ, может служить одиночная ячейка пены Фермиевского масштаба из сверхтекучей ядерной жидкости, которая содержит в себе трехмерные геометрические образы многих понятий КХД (конфайнмент, струны, «мешок», цветность и т.д.).

Архитектура такой среды может обладать трехмерным самоподобием (фрактальностью), что ярко проявляется в пространственной организации атомов в конденсированном состоянии (атомная пена). Экстраполяция этого свойства от атома водорода к протону приводит к выводу о возможности сопоставления конкретных геометрий ячеек пены с U и D - кварками.

Силы поверхностного натяжения вызывают специфическое поведение жидкости в каналах пены, которое можно трактовать как оператор рождения ЭЧ или коллапс волновой функции. Детализация кварковой структуры протона позволяет понять особенности p-p взаимодействия, показать причину нецентральности ядерных сил. Такой подход является ключевым в механизме первичного нуклеосинтеза в ядерной астрофизике и может оказаться полезным в практике ХТЯ

Пока это даже не модель. Это взгляд, философско-физический подход, в котором первичные понятия вскрывают физический смысл явлений окружающего мира, предлагают нестандартное мировоззрение, выносимое на обсуждение и критику физического сообщества.

заряженный холодный ядерный синтез



Annotation

Reflections of a nuclear scientist on the mechanisms of CNF. Eugen Andreev, Institute of Physics NASU, Kiev, Ukraine

The problem of the mechanism of the convergence of thermal protons at Fermi distances in real CNF processes has become a stumbling block for a large array of theoretical models. It seems that without taking into account the peculiarities of nuclear forces and p-p-interaction, in particular, it will not be possible to penetrate through the Coulomb barrier.

The author hypothesizes that this difficulty can be overcome by self-assembly of a new proton (primary nucleosynthesis) inside the existing hydrogen atom due to energy introduced from outside. Those. the problem is reduced to the analysis and generalization of models of nuclear astrophysics, which should take into account the internal structure of baryons.

On the basis of this hypothesis, a model of primary nucleosynthesis (Avalanche) is proposed, which successfully explains the elemental ratios in all terrestrial minerals and transmutations in CNF experiments. However, the model also requires deciphering the quark structure of the proton.

The physical analogue of the concept of "quarks", of which all EPs are composed, can be a single cell of the Fermi-scale foam (Ideal Foam IF), which contains three-dimensional geometric images of many QCD concepts (confinement, strings, "bag", chromaticity, etc.).

The IF architecture can have three-dimensional self-similarity (fractality), which is clearly manifested in the spatial organization of atoms in a condensed state (atomic foam). Extrapolation of the fractality property from a hydrogen atom to a proton makes it possible to compare the geometries of foam cells with U and D - quarks.

The surface tension forces in the IF cause a specific behavior of the SNF in the channels, which can be interpreted as a collapse of the wave function. Using the p-p interaction as an example, the reason for the non-centrality of nuclear forces is shown. This approach is the key to the mechanism of primary nucleosynthesis and may be useful in the practice of CNF.

It's not even a model yet. This is a view, a philosophical-physical approach, in which primary concepts reveal the physical meaning of the phenomena of the surrounding world, offers a non-standard worldview, submitted for discussion and criticism of the physical community.



Избранные особенности протекания реакций ХЯС в разных средах

Здесь обращено внимание только на некоторые особенности протекания реакций ХЯС, имеющие значение для логики рассуждений, а именно: взрывной характер процесса, локальность избыточного энерговыделения и появления новых элементов, инициация реакций вводимой энергией в различных видах и формах, появление твердотельных образований в газовой фазе (вне основной реакционной матрицы). Многочисленные модели и теоретические представления мало помогают в преодолении экспериментальных трудностей, решаемых, в основном, за счет интуиции..

Мы склонны думать, что в рамках стандартной ЯФ решения не существует, и предлагаем нетрадиционный подход: механизм ХЯС может быть понят в терминах кварковой структуры протона и первичного нуклеосинтеза. Перечислим утверждения с более-менее убедительными аргументами:

1. Все феномены ХЯС связаны так или иначе с изотопами водорода.

2. Структура, атомный состав решетки и поверхность «катализаторов» играют важнейшую роль в инициации процесса.

3. Реакции происходят при относительных скоростях субстратов много меньших, чем в известных ядерных преобразованиях.

4. Среди продуктов наблюдаются новые элементы с часто нарушенным изотопным составом, но отсутствуют обычные высокоэнергетичные частицы.

5. ЭМ-кванты от ИК до мягкого рентгена - обязательные спутники ХС.

6. Известные законы сохранения не нарушаются.

7. Выделяемая энергия имеет ядерное происхождение, хотя нужна «энергетическая инициация» в достаточно произвольной форме.

В своей логике мы будем максимально использовать уже наработанные наукой знания. Главные фильтры - принципы простоты и образности. Настоящая статья предназначена для читателя с аналитическим складом ума независимо от его профессиональной ориентации. В первую очередь, сообществу экспериментаторов и теоретиков, занимающихся актуальнейшей для практики этой тематикой. Естественно и исследователям субмикромира, которым интересны ответы на вопросы не только «как?», но и «почему? Не секрет, что у многих научных направлений существуют серьезные проблемы дальнейшего развития, которые принципиально не могут быть решены в рамках существующей научной парадигмы и ее общепризнанной формализации - Стандартной Модели. Особенно это касается ядерной физики и физики элементарных частиц.

Специфика попытки единого описания наблюдаемых явлений природы, диапазон масштабов их протекания, разнообразие профессиональных сленгов потенциальных читателей и их психологических особенностей восприятия новой концепции - заставляют использовать и нестандартный метод изложения.

Статья не является строго научной, а представляет собой сборник мыслей и размышлений. Трехмерный геометрический образ и его динамика наиболее адекватны человеческому сознанию. Именно поэтому мы считаем, что на первом этапе наиболее приемлемым способом донесения новых общих идей для узкопрофильных специалистов может быть геометрический подход. Кроме словесных описаний, сделан упор на представление обсуждаемых понятий в виде рисунков, графиков и аллегорий, цель которых вызвать соответствующий образ в сознании читателя.

Геометрия Декарта использована для описания квазистатических структур или «мгновенных» состояний с учетом Планковских ограничений на времена и протяженности. Это замечание важно при геометрическом представлении структур Фермиевского масштаба с точностью 10^-20 от их характерных размеров.

Математическая же детализация интуитивных выводов не проста. Для строгого аналитического описания эволюции потоков инерционной идеальной жидкости требуется решение универсального (безмасштабного) гидродинамического уравнения Громеки-Лэмба. Оно прекрасно подходит у описанию поведения идеальной инерционной жидкости, но трудности его использования велики.

Граничные условия задаются исключительно трехмерной геометрией пены. К сожалению, до сих пор неизвестно, существует ли его гладкое решение в трёхмерном случае, начиная с заданного момента времени. Кажущаяся простота взаимосвязей между небольшим количеством переменных не снимает трудностей строгого решения уравнения из-за непростой геометрии потоков с ветвлениями. Возможно, выход состоит в совместном использовании идеологии кватернионов для упрощения граничных условий. Именно эти трудности обуславливают используемый стиль изложения.

Современное видение ядерных преобразований

За более чем полвека экспериментов с атомными ядрами наработано гигантское количество достаточно точных данных о характеристиках почти 2500 нуклидов. Все они сведены в непрерывно пополняющуюся базу данных «Atomic Data and Nuclear Data Tables» [1], которая графически отображена на рис. 1а.

Наглядность мозаики энергетических параметров 287 стабильных и 2386 нестабильных изотопов улучшается в трехмерной системе координат (представление Z,dA,W) - «Ядерный Гамак» (рис. 1 b).



Рис.1. а) Общепринятое представление характеристик известных изотопов атомных ядер.

По вертикальной оси отложен заряд ядра (атомный номер химического элемента) а по горизонтальной - его масса (массовое число).

b) - трехмерное представление этих же характеристик - Ядерный гамак. Основными параметрами являются атомный номер (ось Х), масса изотопа (ось Z) и разность нейтронов между реальным и «оптимальным» числом в изотопе с минимальной массой (ось Y).

На ближнем склоне находятся нейтрон-дефицитные изотопы, на дальнем - нейтрон-избыточные.

На левом склоне слияние любых двух изотопов сопровождается выделением энергии, на правом - для рождения любого изотопа нужна избыточная энергия.

Вдоль нулевой линии расположены изотопы стабильных элементов (черные метки) с минимальной энергией. На ближнем и дальнем склонах наиболее вероятными являются ⁺ и ^- распады соответственно. Легко видеть, что на левом склоне изотопам энергетически выгодно сливаться в более тяжелое ядро. Если в реакцию каскадного слияния вступают протоны и при этом не происходит диссипации энергии - создаются условия для синтеза тяжелых ядер вплоть до трансуранов.

Таким образом, энергетический рельеф поверхности наглядно определяет путь эволюции (слалом горнолыжника) произвольного изотопа, если он каким-либо образом возник.

О первичном (астрофизическом) нуклеосинтезе

Все ядерные преобразования можно разделить на 2 класса:

1. Прямые ядерные реакции с характерными временами протекания ~10^-22 сек.

2. Реакции через составное ядро. Энергия возбуждения распределяется между его нуклонами. Время жизни составного ядра бывает в 10¹⁰ раз больше! В реакциях с медленными нейтронами времена жизни бывают в 10²⁰ раз больше!

Развитие нового подхода требует серьезных физических обоснований. Одним из них явилось чувство неудовлетворенности состоянием теории происхождения химических элементов и ее увязкой с земными реалиями. Действительно, для описания всей совокупности наблюдаемых ядер химических элементов (всего 287 стабильных изотопов) пришлось создать более 10 типов моделей их происхождения, каждая из которых в состоянии описать только по 25-30 ядер.

1) Н-процесс - превращение водорода в гелий по реакциям водородного и углеродного цикла;

2) б -процесс - совокупность гелиевых реакций (3·⁴He ¹²C с выделением энергии);

3) s-процесс - медленный процесс нейтронного захвата в "выгоревших" ядрах звезд-гигантов;

4) r-процесс - быстрый процесс нейтронного захвата при вспышках сверхновых;

5) p-процесс - образование обойденных ядер при реакциях с участием протонов;

6) X-процесс - образование Li, Be и B в плазме посредством реакций скалывания;

7) Нейтронизация ядер - превращение ядер в нейтронную жидкость;

8) Испускание нейтрино и антинейтрино при гравитационном коллапсе;

9) Нейтринная игнитация - поджигание нейтринным излучением;

10) Образование обойденных ядер - взаимодействие нейтрино в коллапсирующей звезде.

Общей чертой перечисленных моделей является сопряжение динамических процессов (преобразования ядер при больших относительных скоростях движения) со статическими (⁺, ^- и - распады). Молчаливо подразумевается, что внутренняя энергия ядер тем или иным способом заключена в кинетической энергии субядерных структур. Имеется в виду либо «хаотическое» движение (ядерная температура) либо «упорядоченное» (гидродинамические модели).

При слиянии ¹H или ²H с произвольным легким ядром, выделяемая энергия всегда положительна и ее величина достигает десятков МэВ, что много больше соответствующего кулоновского барьера. Моделей же рождения протона практически нет, поскольку непонятно, что такое кварк.

Самые общие современные рассуждения по этому поводу заключаются в следующем. В свободном состоянии кварки могут существовать только в очень горячей плазме с температурой T>10¹¹ К ("кварковый суп"). При меньшей температуре возникает конфаймент свободных кварков. Затем кварки начинают соединяться, образуя протоны и нейтроны. И только потом включаются вышеперечисленные механизмы первичного нуклеосинтеза.

Классика интересующего нас р-р слияния дает следующие величины:

p + p > D + e⁺ + ; W = 2,23 МэВ, у = 10^-47 см² .

Это чрезвычайно малая величина вероятности такого процесса, и она опровергается практикой ХЯС. В другом понимании именно этой реакции и может быть заключена «изюминка» феномена.

Процесс каскадного слияния - «Лавина»

Основная идея: каскад последовательных слияний может происходить при относительных скоростях реагентов близких к нулю. Если энергия долгоживущего возбужденного ядра (одного из субстратов) больше Кулоновского барьера, все ограничения на взаимодействия снимаются! После каждого акта слияния возможны только две альтернативы: продолжить его с ближайшим соседом в окружени, или прервать каскад последовательных реакций и преобразовать внутреннюю энергию нуклида в формирование оболочек новорожденного атома и теплоту. Естественно, что вероятности ответвления в тот или иной канал сильно зависят от внешних условий и энергетических соотношений. Схематически процесс изображен на рис. 2.

Рис. 2. Принцип последовательного слияния долгоживущих возбужденных ядер на примере нуклеосинтеза ¹⁶О.

Промежуточные нуклиды могут возникнуть и на ближнем или дальнем «склонах» «Гамака». Тогда они могут самостоятельно трансформироваться за счет ^- или ⁺ распадов в более стабильные образования и «стечь» вдоль градиента энергетической поверхности в направлении минимума.

Изотопам на правом склоне (тяжелым ядрам) энергетически выгодно делится на два или несколько «осколков». Изотопам на левом склоне (легким ядрам) энергетически выгодно слиться в более тяжелые структуры. Если бы не существовал определенный барьер между ядрами, наш окружающий мир обеднел бы до крайности. Все ядра эволюционировали бы в область глобального минимума до тех пор, пока не остались бы только некоторые химические элементы.

Теперь рассмотрим, что произойдет, если два произвольных легких ядра будут сближены на расстояние действия ядерных сил при скоростях, близких к нулевым. Важен тот факт, что запасенная ранее в потенциальной форме первичная энергия взаимодействующих ядер не уменьшается.

Напротив, за счет структурных перестроек в новое, более тяжелое ядро, дополнительно высвобождающаяся энергия суммируется с энергией исходных субстратов. Если рассмотреть энергетический баланс практически любой пары легких ядер, окажется, что выигрыш за счет слияния настолько значим, что нерастраченная энергия конечного ядра много выше кулоновского барьера для этих ядер с близкими значениями электрического заряда. Напомним, что с достаточной степенью точности энергия кулоновского взаимодействия пары ядер описывается простым соотношением.

E(MeV) = 1,16·Z₁·Z₂/(M₁/3+M₂/3)

Здесь E- высота кулоновского барьера в MeV; (Z₁, M₁) и (Z₂ ,M₂) - зарядовые и массовые числа пары взаимодействующих ядер.

Этот алгоритм универсален для синтеза ВСЕХ изотопов ВСЕХ элементов. В среде Maple-11 создана простая компьютерная программа для восстановления «траекторий» лавинного слияния для 2386 изотопов. Каждая «Лавина» - это локальное взрывное выделение энергии при близких к нулю относительных скоростях субстратов. Максимум выделяемой энергии реализуется при локализации конечного ядра в глобальном минимуме «Гамака».

Таким образом, вместо 10 моделей первичного нуклеосинтеза - ОДНА! Этот факт позволяет надеяться в ее успешное использование для описания первичного нуклеосинтеза.

«Лавина» в планетарном синтезе элементов

Работоспособность модели наглядно демонстрируется элементным составом земных минералов. Анализ частоты встречаемости конкретных элементов в образцах однотипных руд, отобранных из разных месторождений планеты, показывает наличие устойчивой корреляции соседства определенного набора химических элементов. Для иллюстрации утверждения, на рис. 3 представлен график зависимости частоты встречаемости элементов в 153 U-содержащих рудах. Наиболее показательно присутствие вольфрама и свинца. Это указывает на то, что соседство не случайно и не следует из общепринятых астрофизических моделей формирования планет. Отсюда почти однозначный вывод - земная кора могла сформироваться по механизму первичного нуклеосинтеза, а не путем конденсации готовых элементов из околосолнечного пространства.

Рис. 3. Следы цепочки «Лавины» в 153 рудах U-месторождений. По вертикальной оси показана частота встречаемости отдельных элементов. Легко видеть, что именно эти нуклиды участвуют в рождении всех изотопов урана.

Для иллюстрации выпишем детали последнего каскада слияния урана через изотопы Pb.

Таблица 1

Рождение 234U, 235U, 238U с участием изотопов Pb.
26Al+208Pb или 27Al + 207Pb = 234Am* 25Mg+209Pb или 26Mg + 208Pb = 234Pu* 24Na+210Pb или 26Na + 208Pb = 234Np* 234U	29Si + 206Pb или 28Si + 207Pb = 235Cm* 26Al + 209Pb или 27Al + 208Pb = 235Am* 25Mg + 210Pb или 26Mg + 209Pb = 235Pг* 24Na + 211Pb или 26Na + 209Pb = 235Np* 235U
32S + 206Pb или 30S + 208Pb = 238Bk* 32Si + 206Pb или 30Si + 208Pb = 238Cm* 26Al + 209Pb или 27Al + 208Pb = 238Am* 25Mg + 210Pb или 26Mg + 209Pb = 238Pu* 24Na + 211Pb или 26Na + 209Pb = 238Np* 238U	В этой таблице символ обозначает + распад, * - возбужденное состояние нуклида.

Таким образом три стабильных изотопа урана геологического происхождения рождаются с участием трех изотопов Pb как обязательного спутника U, при наличии легких Na, Mg, Al, Si. Сходные комбинации получаются для вольфрама и других, указанных на рис. 3 элементов. Подчеркнем, что такие процессы возможны только при наличии долгоживущих высоковозбужденных ядерных состояний.

Закономерности изотопного суммирования не нарушаются ни для одного из 2636 проанализированных минералов Земной коры, что позволяет нам говорить о возможном единстве механизмов первичного нуклеосинтеза, ХЯС и геонуклеосинтеза.

«Лавина» в экспериментах низкотемпературного синтеза

В качестве второго наглядного примера разберем результаты анализа отработанного топлива хорошо известного генератора А. Росси [2]. В квалификации экспертов [3], проводивших исследования, сомневаться не приходится, поэтому приведенным данным можно доверять. На рис. 4 показана микрофотография «ядерной золы» испытуемого реактора и ее элементный спектр.

Запишем возможный каскад реакций слияния, когда конечный элемент - медь, а промежуточные -боле легкие элементы из списка. У меди два стабильных изотопа ⁶³Cu и ⁶⁵Cu.

Рис. 4. Элементный спектр отработанного топлива, его микроскопическое изображение и относительное содержание элементов [3]. Сверху показаны каскады реакций слияния, приводящие к появлению новых атомов. Справа - относительное содержание новорожденных химических элементов.

Таблица 2 - Схема общих и отличающихся этапов в каскадах слияния водорода в медь

Общие каналы для 63Cu, 65Cu; 1H+1H+e- 2H*; 2H*+1H + e-3H*; 2H*+2H* 4He*+2H*6Li*; 4He*+3H*7Li*; 4He* +4He* 8Be*; 7Li*+7Li*14C*; 7Li*+2H*9Be*; 8Be*+7Li*15N*; 9Be*+9Be*18O*;
Каналы только для 63Cu ;	Каналы только для 65Cu
8Be*+8Be*16O*; 15N*+16O*31P*; 18O*+14C*32Si*; 32Si*+31P* 63Cu + Q;	2H*+3H*5He*; 4He*+5He*9Be*; 9Be*+7Li15N; 15N*+18O*33P*; 18O*+14C*32Si*; 32Si*+33P* 65Cu + Q;

Из этой таблицы видно, что создание условий для рождения ⁵He* вызывает ветвление каскада с конечным изотопом ⁶⁵Cu. Обращаем внимание, что избыточная энергия Q выделяется как в форме теплоты, так и в форме жесткого ультрафиолета и рентгеновских квантов при превращении новорожденных ядер в новорожденные атомы.

Еще раз подчеркнем, что алгоритм «Лавины» настолько универсален, что может описать единообразно появление в достаточно мягких условиях любого известного нуклида без нарушения законов сохранения.

Проблемы начала «Лавины»

Радужность продемонстрированных успехов модели омрачается туманностью представлений о механизме рождения первичного протона. В рамках выдвинутой гипотезы начало слияния может реализовываться следующим образом:

¹H^new+¹H > ²He*+ e^- > ²H*.

Новорожденный внутри атома водорода протон ¹H^new взаимодействует с протоном атома водорода решетки, образуя промежуточный нуклид ²He* (типа Куперовской пары). Такое состояние неустойчиво, при захвате внешнего электрона один из протонов трансформируется в нейтрон, образуя дейтрон ²H* с энергией возбуждения 1.44 МэВ (общеизвестная энергетика реакции). Такой дейтрон имеет очень большое время жизни (в идеальных условиях - бесконечность), т.к. энергия развала составляет 2.23 МэВ и вариантов трансформации у него нет.

При кулоновском барьере соседнего ядра меньше 1.44 Мэв (а это справедливо для атомов вплоть до железа) слияние с ним происходит с вероятностью «1» при тепловых относительных скоростях. Дальнейшее развитие процесса было описано выше как «Лавина».

Таким образом, у нас остается неизвестным только один этап - рождение обладающего массой протона из вводимой в систему энергии в виде теплоты. Мы прекрасно осознаем всю необычность этого предположения, но смелости придают высказывания великих физиков о возможной истинности «безумных идей».

А оно заключается в следующем. Необходимо скорректировать основания физики атомного ядра и ЭЧ, расшифровав понятия КХД: конфайнмент, кварк, глюон … Это можно сделать, признав реальность существования в нашем материальном мире идеальной пены (Ideal Foam - IF).

Базовая гипотеза

Все структуры Фермиевского масштаба образованы из сверхтекучей ядерной жидкости. Обоснованием единственности служат взаимопревращения «элементарных частиц».

Огромное число таких экспериментальных фактов позволяют думать о реальности некоторой единой субстанции, эволюционирующей таким образом, что результат мы воспринимаем как частицы или соответствующие поля. Для примера продемонстрируем некоторые типы наблюдаемых в экспериментах преобразований.

Взаимопревращения «видимого» вещества и поля:

а) «поля» и «лептонного» вещества: г e⁺ + e^-; e⁺ + e^- г + г или г + г + г;

b) «адронного» и «лептонного» вещества: n⁰ p⁺+e^-+ н

Взаимопревращения «адронного» вещества и «поля»: р⁰ г+г; г + p⁺ Д⁺ p⁺ р⁰;

Таким образом, единственность состоит в том, что разновидности «видимого вещества» - "адронное", "мезонное", "лептонное" и кванты соответствующих полей (включая гравитационное поле) состоят из единой субстанции, введенной в моделях тяжелых ядер, сверхтекучей ядерной жидкости - SNM (Superfluid Nuclear Matter) [4].

Каким же образом из такой (идеальной) жидкости сконструировать «элементарные» образования, сформулированные в Стандартной Модели? Принцип соответствия Н. Бора - один из основных в методологии науки, поэтому любое нововведение должно уточнять представляющиеся правильными существующие представления. Особенно этот вопрос касается ненаблюдаемых кварков с их «пленением» внутри барионов.

Кварковая модель сделала революционное упрощение нашего понимания природы, подтверждая один из основных философско-методологических принципов - принцип простоты или «лезвие Оккама».

В первоначальной формулировке теории [5] предполагалось существование всего трех кварков, описываемых группой симметрии SU(3). Гелл-Манн обозначил кварки произвольными буквами u, d и s. Сила кварковой модели заключалась в том, что она при помощи простой процедуры сложения правильно предсказывала все квантовые числа известных адронов. Ее дальнейшее развитие потребовало введения дополнительных характеристик кварков (цвета, ароматы), а невозможность их экспериментального обнаружения стимулировало развитие ряда близких по духу моделей.

Очень интересными кажутся модель «мешка (пузыря)» с внутренним давлением и резкими стенками, обеспечивающими невылетание (конфайнмент или инфракрасное рабство) [6], и струнная модель Венециано [7]. Одним из главных свойств струн является постоянное натяжение, которое заставляет их концы стремиться сжаться с постоянной силой.

В адронной модели мешка существуют также и «пустые мешки», являющиеся не физическими адронами, а аналогами морских кварков Дирака во всем космосе.

Непредвзятый взгляд на эти достаточно успешные подходы к описанию трехкварковой структуры протона просто не оставляет других возможностей для их образного представления, кроме как в виде пенообразной (ячеистой) среды из сверхтекучего флюида (рис. 5).

Рис. 5. Образная аналогия между кварками и ячеистой структурой пены. Кварк - ячейка пены специфической конфигурации. Глюоны - каналы Плато-Гиббса во влажной пене. Партоны - узлы ветвления в трехмерной сети каналов пены. «Цвета» и «ароматы» - геометрические характеристики (числа и типы) граней полиэдральной ячейки.

Отдельную ячейку пены можно сопоставить с понятием «конституентный кварк», ее почти плоские грани в виде многоугольников, отделяющие соседние ячейки друг от друга - с термином «брана». Каналы в зонах контакта 3-х ячеек «влажной» пены (внутри барионов) - это «глюоны» или «струны» вне образований, подпадающих под определение видимой материи. Узлы в местах контакта 4-х ячеек - это «партоны».

Структура пены как источник наглядных образов для основных понятий КХД

Подчеркнем, что эта идея не нова, хотя психологически очень трудна для восприятия классическими теоретиками, образное мышление которых переориентировано на язык абстрактных математических понятий. Которые, кстати, успешно работают во многих разделах физики, но с весьма небольшим КПД. Именно поэтому идея малодисперсной пенообразной структуры эфира, выдвинутая в свое время В. Томсоном (Кельвином) [8], не получила одобрения научной элиты того времени и была незаслуженно забыта.

Учение о характеристиках и поведении реальных пен общепринято связывать с работами Ж. Плато [9]. Современное состояние теории пен можно оценить по работам [10,11]. Для реальных пен нам важны следующие утверждения:

а) Устойчивость и перестройки ячеистой структуры обусловлены наличием силы поверхностного натяжения, которую искусственно увеличивают специфическими добавками в основную жидкость (вязкую), хотя бывают и чисто бифазные пены.

б) Пена обладает свойствами твердого тела, жидкости и газа одновременно. Это означает, что для описания пен справедлива математика твердотельных сред, гидродинамики и термодинамики.

в) Пена принципиально неустойчива. Ее эволюция приводит в итоге к разделению фаз, называемым дренажем. В земных условиях он практически полностью обусловлен наличием гравитации.

Отличительные свойства Идеальной Пены (Ideal Foam - IF)

а) Образующая пену SNM-жидкость определяется как «идеальная» (Ideal Liquid - IL). Она физически непрерывна и сверхтекуча.

б) Газовая фаза пены есть пар идеальной жидкости (Ideal Gas - IG).

в) Разнообразие типов ячеек невелико. Среда малодисперсна.

г) Длины каналов почти одинаковы и подчиняются принципу минимума поверхностной энергии системы близлежащих ячеек.

д) Пена может фрактально структурироваться - ее базовые полиэдральные ячейки масштабируются с коэффициентом 5.155, связанным с постоянной тонкой структуры .

Идея «атомной пены» и ее обоснование

Переход от реальной макропены с поверхностно-активными добавками к микропене поднимает вопрос минимальных размерах ячеек у пен из «чистой» жидкости. На рис.6 (справа) показаны нанопены, полученные из раствора полистирола в тетрагидрофуране методом электроспиннинга [12]. Видно, что мере уменьшения размеров кратность пены возрастает.

Рис. 6. СЭМ - изображения наномасштабной пены , полученные методом электроспининга раствора полистирола в тетрагидрофуране (справа) и ячеистое расположение комплекса атомов CH₄ в узлах додекаэдрона из гидрата метана (слева)[13].

При дальнейшем уменьшении масштаба до характерных межатомных расстояний происходит качественный скачок: видимые грани ячейки исчезают и геометрия пены угадывается только по расположению атомов (например углерода) в узлах. Случайно ли это? Природа отвечает - нет. Геометрические закономерности расположения атомов в клатратных соединениях (особенно в областях пустот) отмечают очень многие исследователи [14]. В частности, пустоты нередко имеют форму низкоразмерных фуллеренов типа С₂₀, С₂₄, С₂₈ и т. д. Все это наводит на мысль, что как полиэдральное расположение атомов, так и топология самих полиэдров [15] далеко не случайны.

Поэтому идея нахождения общего подхода к описанию пространственного размещения атомов в конденсированном веществе на основе простых геометрических фигур (геометрических примитивов) представляется весьма продуктивной и методологически ценной по следующим соображениям.

Известно, что межатомная электронная плотность (ЭП) и ее градиент с(x,y,z) - фундаментальные параметры, которые измеряются экспериментально. Непрерывная совокупность точек с с(x,y,z) = 0 задает замкнутую трехмерную поверхность нулевого градиента, с помощью которой также можно характеризовать размер и форму атома в конденсированном веществе.

Современные прецизионные рентгеноструктурные данные и результаты хорошо апробированных квантово-химических расчетов [16] распределения ЭП между атомами показывают:

а) области пространства, ближайшие к отдельному атому (они также называются атомными доменами (АД), или атомными бассейнами ), сильно отличаются от сферы и напоминают выпуклые многогранники разной формы. Их можно также определить как зоны влияния конкретного атома.

б) в пространстве между атомами существуют особые «критические точки», где электронная плотность имеет экстремальные значения. Эти точки совпадают либо с местом контакта 4-х атомных доменов, либо лежат на поверхности раздела атомных бассейнов.

Понятно, что квантово-механические объекты нельзя характеризовать такими чисто геометрическими понятиями, как линия или плоскость. Тем не менее АД как модельный объект может оказаться весьма полезным для идеи «атомной пены» [15], изображенной на рис. 7.



Рис. 7. Переход от модели сферического атома к полиэдральному в пене атомного масштаба. Стандартный вид модели молекулы воды можно преобразовать сначала в полиэдральный, а затем вписать его в непрерывную ячеистую среду, заполнив окружение «пустыми» комплементарными многогранниками.

При этом подходе выполняются следующие условия:

а) каждый атом находится в центре АД;

б) АД соединяются между собой непрерывным образом;

в) число контактирующих между собой АД равно 4;

г) пустоты в структуре кристаллических решеток и приповерхностное пространство также заполнены полиэдрами;

Мы осознаем, что идея «угловатого» атома весьма непривычна, но современная техника туннельной и АФМ-микроскопии уже позволила визуализировать [17] подобные формы (см. рис.8).

Рис. 8. STM и AFM изображение графита, полученные вольфрамовым зондом с разной ориентацией одиночного измерительного атома. Анализ высших гармоник колебаний кантилевера указывает на тип симметрии и ориентацию переднего атома. В работе [17] предложено следующую форму и ориентацию W - атома наконечника (ячейка Wigner-Seitz или тетракайдекаэдрон Кельвина). 

Минимальное число типов ячеек, формирующих IF, определяет ее дисперсность. В свое время Кельвин предлагал вариант непрерывного заполнения пространства всего одним полиэдром (монодисперсная пена) [8]. Вспоминая, что нашей промежуточной целью является восстановление геометрии 6 кварков, обратимся вновь к природе хорошо известных фуллеренов и выберем для рассмотрения 6 устойчивых форм с минимальным количеством атомов (рис.9).

Рис. 9. Геометрия распространенных фуллеренов с минимальным количеством атомов углерода. Здесь число атомов углерода в точности равно числу атомов углерода. Более подробное описание атомной пены из этих полиэдров можно найти в работе [15].

Фрактальность или 3D-самоподобие

Как мы уже говорили, одним из важнейших свойств идеальной пены является возникновение трехмерного самоподобия центральному элементу при плотном послойном заполнении пространства доменами из принятого набора. Принцип заполнения весьма прост. Полиэдры должны сочленяться между собой одинаковыми гранями. 4 4, 5 5, 6 6. Оказывается, столь жесткое требование выполнимо и через 3 слоя заполнения подходящими доменами, форма центральной ячейки восстанавливается, правда уже несколько размыто (1-й уровень подобия). Ее размер в 5.155 раз больше начального (рис.10). Процесс заполнения можно повторить уже с большой копией центрального полиэдра. Т.е. взяв фигуру 1-го уровня, можно опять собрать копию центра с размерами в 5.155² или примерно в 25 раз крупнее. 

Рис. 10. Так формируется 1-я фрактальная копия одной пространственной ячейки.

Компьютерное моделирование такого процесса показывает, что его можно повторять сколь угодно раз (рис. 11).

В результате возникает объемная последовательность «матрешек-копий», вложенных одна в другую. Если взять длину ребра атомного домена равной Боровскому радиусу (0.529 А), то между ядерными, атомными, клеточными и «организменными» масштабами укладываются строго по 7 уровней фрактальной организации.

Рис. 11. Схема самоподобной трехмерной организации объектов в идеальной пене. Внизу -«Матрешки» расположены рядом, соседние отличаются по размерам в 5.155 раз. Вверху эта же идея изображена в виде плоскостного сечения трехмерной последовательности вложенных друг в друга полиэдров. Обращаем внимание, что масштаб не соблюден в целях наглядности идеи фрактальности.

Вопрос о соответствии типов кварков и типов полиэдров легко решается в модели атомной пены. Поскольку нам особенно интересны U- и D-кварки протонов, в первую очередь рассмотрим форму водородных доменов в молекуле H₂ (рис. 12).

Рис. 12. Схематическое отображение биатомных комплексов (молекулы водорода и криптона) и соответствующим образом подобранных многогранников. Распределения плотности точек на изображениях отображают табличные значения ковалентных и Ван-дер-Ваальсовых радиусов соответствующих атомов.

Выбор типа D-кварка протона естественно связать со свойством фрактальности пены и параметрами молекулы водорода. Тип U-кварка подсказан аномальными параметрами комплекса из двух «инертных» атомов криптона и схожестью типов полиэдров. Кроме того, необходимо учитывать комплементарность обоих кварков при p-n и n-p перестройках. Подчеркнем, что эти образы ассоциируются с понятием элементарного (конституентного) кварка.

Вдумчивый читатель тут же спросит, как же геометрические образы кварка и его отдельных элементов сочетаются с квантово-механическим принципом неопределенности? Ответ будет простым - принцип квантования, лежащий в основе современного мировоззрения, можно считать незыблемым, но истоки его надо искать на Планковском масштабе. Вспоминая значение минимальной длины L_Pl , которая составляет 10^-15 от размеров кварка, можно не сомневаться в применимости геометрических понятий на Фермиевском масштабе



Градиенты плотности пены и неустойчивость

Поскольку мы уже определились с геометрией обоих кварков, возвратимся к проблеме 1-го каскада первичного нуклеосинтеза или механизму и условиям рождения протона. В теоретической физике ЭЧ и КМ широко (и плодотворно!) используются понятия операторов рождения и уничтожения, перехода из одного состояния в другое. Попробуем наполнить их физическим содержанием исходя из свойств и структуры идеальной пены. Для реальных пен очень важен такой параметр как кратность или влажность. Это безразмерный параметр, характеризующий долю жидкой фазы в некотором объеме, большем объема одиночной ячейки. Его можно также определить как массовую плотность пены с, если нам известна плотность жидкости (массой газовой фазы пренебрегаем) и кратность пены.

В реальных пенах с редко бывает постоянной (в практике за постоянство этого параметра борются производители пенообразных материалов). Неустойчивость пены приводит к временной и пространственной эволюции плотности, что вызывает появление градиентов с. На рис. 13 изображена структура градиента с в реальной пене. Сущность с заключается в том, что изменяется объем одиночных, пространственно разделенных каналов. Это приводит к тому, что симметричный профиль (цилиндрического типа) меняется на асимметричный. Силы поверхностного натяжения, направленные перпендикулярно поверхности действуют на все элементы объема жидкости внутри канала. Легко видеть, что суммарный эффект либо равен нулю, либо направлен по градиенту плотности.

Рис. 13. Фото градиента плотности в среде реальной пены за счет разной толщины каналов Плато-Гиббса.

Это необычайно важное свойство статической геометрии пены. Силами поверхностного натяжения и давлением внутри ячеек жидкость «выдавливается» из областей с малой плотностью в зоны с большей ее концентрацией, увеличивая существовавший контраст. Мы имеем типичный пример процесса с положительной обратной связью по типу катастрофы. Даже если жидкость первоначально покоилась, все равно возникают ее потоки, направленные к области локализации повышенной влажности. В случае наличия некоторого начального движения жидкой фазы, градиенты плотности все равно будут управлять динамикой этих потоков, инициируя ее коллапс. (рис. 13) .

Коллапс и структура протона.

Возможность коллапса в IF поднимает вопросы о начальных условиях, пространственных масштабах процесса, скорости развития, конечном результате и других параметрах. В современной космологии модели гравитационного коллапса предсказывают возможность рождения т.н. «черных дыр», хотя их структура и характеристики малопонятны. В настоящем разделе мы попытаемся связать коллапс в пене с рождением элементарных частиц. Причем не с их рождением в специальных условиях (реакции на ускорителях ЭЧ), а в первичных процессах, приведших в итоге к современной реальности. Понятие «первичный нуклеосинтез» подразумевает, что он в истории становления Вселенной происходит только один раз. В первые моменты Большого Взрыва во всем объеме расширяющегося пространства возникла кварк-глюонная плазма, которая эволюционировала в реальные объекты фермиевского масштаба при снижении температуры. Современное представление об этом процессе обосновано в т.ч. результатами экспериментов по столкновению тяжелых ядер на БАК, в которых и возникали условия для рождения разнообразных ЭЧ. В том числе 3-кварковых протонов и нейтронов; а также обильное количество их античастиц.

Понятно, что условия в экспериментах ХЯС очень далеки от параметров кварк-глюонной плазмы, хотя бы по значениям величин температур. Но если связать плотность с с понятиями теплота или флогистон в представлениях 18 века, становится понятным, что их гипотезы просто опередили время. Т.е. понимание материальности флогистона как избыточной влажности идеальной пены указывает на возможность реализации коллапса жидкости из большой области пространства в малую (к центрам притяжения), как и показано на рис. 14 (а).

Рис. 14. Схематическое представление трехмерного коллапса жидкости в идеальной пене под действием сил поверхностного натяжения. Центром притяжения является ячейка с повышенным наполнением каналов жидкостью. ab,c - этапы эволюции, d - кварк-вихревая структура протона.

На фрагменте (а) центром трехмерного притяжения является конституентный D-кварк. Стрелки указывают направление начального перемещения жидкости. На фрагменте (b) изображен промежуточный момент ее концентрирования вокруг системы из 3-х кварков. На (с) изображен момент прекращения наполнения центральных ячеек до состояния эмульсии. Изменение полиэдральной геометрии центральных ячеек в систему сферических пузырей, плавающих в жидкости, служит сигналом окончания «стока» и ограничением (квантованием) объема жидкости (массы протона). Поскольку система изолированная, работает закон сохранения нулевого начального импульса. Это приводит к тому, что накопленная за счет работы сил поверхностного натяжения кинетическая энергия потоков жидкости перераспределяется между двумя кольцевыми разнонаправленными потоковыми структурами, формируя образ центра протона из трех токовых кварков (d).

С этого момента рассуждений начинаются разногласия в видении структуры протона стандартной и предлагаемой моделей. Три его кварка хоть и обладают свойством конфайнмента, но не могут перемещаться друг относительно друга. Они жестко сцеплены в линию (ось симметрии системы). Тороидальные вихри из ядерной жидкости или «заряженные токи», имеют противоположные направления вращения вокруг U-кварков и пространственно разнесены.

Из классической гидродинамики известно, что параллельные потоки притягиваются, а антипараллельные - отталкиваются. Используя этот установленный факт, можно отобразить принцип р-р-взаимодействия следующим образом.

р-р - взаимодействие и его нецентральный характер

Силы, обусловленные градиентом плотности и гидродинамические силы потоков в комплексе формируют то, что в Стандартной Модели именуется «сильное взаимодействие. Причина его «нецентральности» заключается в пространственном разнесении (относительно центра протона) вихревых структур (рис. 15).

Рис. 15. Принцип потокового взаимодействия и ориентации двух протонов. Красным и голубым цветами изображены кольцевые потоки с вращением «по» и «против» часовой стрелки. Одноцветные потоки отталкиваются, разноцветные - притягиваются. Фрагменты a- b- c отображают последовательность сближения и ориентации. с)--структура ²Не* (возбужденное состояние новорожденного ядра гелия); d) -- структура ²Н* (возбужденное состояние новорожденного дейтерия);

Притяжение - отталкивание двух пар разнонаправленных кольцевых потоков вызывает их взаимное сближение и ориентацию (ядерные силы). Фактически это иллюстрация механизма спаривания однотипных нуклонов в ядрах. На фрагменте «с» показана кварк-вихревая структура ²Не*, неустойчивого состояния ядра гелия, которое за счет К-захвата превращается в дейтрон - фрагмент «d». Классическая запись этого процесса: H⁺ + H^{+ 2}He⁺⁺ +e^{- 2}H⁺.

Закон Кулона и 3-кварковый протон

Используя классические представления электростатики, можно проверить работоспособность закона Кулона для вышеизложенных рассуждений. Единственное, что надо сделать - записать его в дискретном пространстве деформируемой и перестраиваемой пены. Другими словами, в определение расстояния между двумя точками надо ввести минимально возможное расстояние между точечными объектами. Вместо запишем . Здесь x, y, z - обычные Декартовы координаты, в - параметр анизотропии среды вдоль оси z, r₀ - масштабный фактор или характерный размер, имеющий смысл размера ячейки дискретного физического вакуума. в - параметр деформируемости среды. Такие попытки были сделаны в [18-20]. Результаты расчетов пространственного распределения зарядовой и энергетической плотности внутри и их сравнение с моделью 3-кваркового протона показаны на рис. 16 (a,b).

Рис. 16. Сравнение результатов расчета зарядовой (a) и энергетической (b) плотности внутри протона работ [18,20] и обсуждаемой кварковой модели. Фрагмент (с) показывает зарядовую организацию протона в внешнем ячеистом пространстве.

О возможной внутренней структуре атома водорода

Свойство 3Д-самоподобия идеальной пены указывает на значительно более сильную связь структуры ядер и атомов, чем принято обычно считать. Представляется, что модели атом-атомных взаимодействий должны это учитывать. Особенно это касается свойств наноструктур, методов синтеза новых соединений, взаимодействий внутриатомными оболочками. Но на сегодняшнем этапе понимания можно только сделать предположения о структуре простейшего атома - атома водорода.

Рис. 17. Фрактальная организация среды вокруг протона, приводящая к появлению объекта, который можно сопоставить с атомом водорода (7). Масштаб не соблюдается для иллюстративности. Уровни 3,4.5 не показаны. 2-Темный водород, 6 - Гидрино.

В качестве иллюстрации на рис. 17 показана самоподобная организация ячеистой среды вокруг протона. 1-й уровень - собственно протон, 2-й уровень (4.2 fm) - «темный водород-1» [21], (3-4-5)- более лабильные «темные водороды» - области возможного коллапса распределенной энергии в протон - могут наблюдаться в специфических методиках, 6-й уровень - «Гидрино» [22], 7-й обычный атом водорода. Экстраполяция этой цепочки естественным образом приводит к идеологии Ридберговских состояний.

Такую иерархическую организацию атома водорода можно связать с его частичной (неполной) ионизацией, что часто наблюдается в гидридах переходных металлов. Кроме этого, добавляются аргументы в пользу квантово-механического понятия именно «электронной плотности», а не «плотности вероятности». Это указывает на важность условий формирования водородной плазмы и способов извлечения из нее собственно протонов.

Обсуждение и практические рекомендации

Какую пользу можно извлечь из вышеприведенных рассуждений для практики ХЯС? Для часто применяемых методик с подогреваемыми Ni - матрицами характерны следующие общие параметры. При температуре порядка 1000 ^оС в 1 грамме никеля накапливается 440 джоулей энергии в тепловой форме. Ее хватает (без учета потерь на инфракрасное излучение) для рождения ~ 3*10¹⁰ 1/см³ протонов. Все они могут стать центрами инициации процессов каскадного слияния, которые и приводят, в итоге, к появлению избыточной энергии.

С точки зрения гипотезы идеальной пены введенная извне энергия должна концентрироваться в какие-то места внутри (!) произвольного атома. И только потом, в виде протона, эволюционировать далее. Конкуренция между центрами притяжения (ядра решетки и «старые» протоны) приводит либо к трансмутациям ядер основной матрицы, либо к «Лавинам» с энерговыделением. В реалиях, возможно, сосуществуют оба процесса.

Эти соображения позволяют сделать следующие рекомендации-предположения.

1. При анализе результатов экспериментов ХЯС недостаточное внимание обращается на появление макроскопических структур вне (!) основной матрицы. Но большинство трансмутаций наблюдается именно в них. Если создавать условия для формирования «гидрино», то это лучше делать вблизи поверхности матрицы, когда ее структура может транслироваться по самоподобному механизму на серьезные по атомным меркам расстояния. А это указывает на возможность стандартизации атомного рельефа поверхности с помощью слоистых материалов (например, нитрид бора).

2. При заданной вводимой энергии желательно увеличивать ее локальную концентрацию за счет пространственной и временной фокусировки.

3. Увеличивать долю протонов в матрице, как за счет «предварительной набивки», так и введения собственно атомов водорода в решетку (типа CH₄).

4. Максимально использовать в матрице легкие элементы типа Li, Be, B, C. Особенно это касается ¹¹В, который при поглощении протона превращается в устойчивый ¹²С* с энергией возбуждения около 16 МэВ. В этом случае исчезает конкуренция между процессами р-р слияниями и транмутациями и оба процесса преобразования «тепловой энергии» в «массу» становятся значимыми для начала «Лавины».

5. Создавать решетки с полостями внутри для локального увеличения содержания атомов водорода.

Эти общие выводы касаются всех существующих и разрабатываемых методик. Можно высказать еще ряд замечаний, но они применимы только к конкретным установкам. 

...