Об ошибке волгодонца и трудностях теории дейтрона

Любой физик сразу же обнаружит в гипотезе Колдамасова о механизме электрической нейтрализации дейтрона, изложенной нами в разделе 13.3, существенную ошибку: отрицательно заряженный виртуальный мезон у него в дейтроне один, а положительно заряженных протонов - два. Поэтому таким образом стать электрически нейтральным дейтрон, превратившийся на какое-то время в систему из двух протонов и мезона, никак не может.
Но гипотеза Колдамасова заставляет нас вспомнить о давно забытой ß -теории ядерных сил, предложенной И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко еще в 1934 г., когда еще не были открыты мезоны, но уже догадывались о существовании нейтрино. В этой теории сильное взаимодействие описывалось как испускание и поглощение нуклонами в ядрах атомов электрон-нейтринных пар. Но оно оказалось недостаточно сильным, чтобы объяснить выявленную экспериментально величину ядерных сил. Кроме того, комптоновская длина волны электрона была на два порядка величины больше экспериментально выявленного радиуса действия ядерных сил.
Через год X. Юкава построил более соответствующую экспериментальным результатам теорию сильных взаимодействий, в основу которой положил гипотезу существования обменных частиц с промежуточной между электроном и нуклоном массой - мезонов, комптоновская длина волны которых соответствовала радиусу действия ядерных сил . В 1947 г. такие частицы ( -мезоны) были открыты в космических лучах. Это было триумфальное торжество теории. Так что гипотезы отнюдь не всегда заканчиваются конфузом и забвением.
В теории дейтрона - самого простого составного ядра атома, состоящего всего из двух нуклонов, есть одно наиболее слабое место. А именно, среднее расстояние между нуклонами в дейтроне, составляющее см, оказалось более чем в 2 раза больше максимального радиуса действия ядерных сил, обусловленных обменом между нуклонами в ядре тг-мезонами. Из этого сделали вывод, что часть времени протон и нейтрон дейтрона проводят вне зоны действия ядерных сил [177]. Но что же тогда удерживает в это время нейтрон и протон от разлета?
С другой стороны, из того, что спин дейтрона равен одной целой единице h/2 ; следовало, что полуцелые спины протона и нейтрона в дейтроне параллельны. Это подтверждала и величина магнитного момента дейтрона, приблизительно равная сумме магнитных моментов протона и нейтрона, имеющих противоположные знаки.
Из всего этого следовало, что система протон-нейтрон в дейтроне находится в триплетном -состоянии. Но такому выводу противоречило наличие у дейтрона квадрупольного электрического момента, так как в силу сферической симметрии, характерной для S-состояний, квадрупольный момент должен быть равен нулю. Тогда предположили, что дейтрон большую часть времени находится в - состоянии, но в течение какой-то малой части (~ 4%) времени существует в -состоянии с орбитальным моментом нуклонов в нем l = 2. Признают, что наличие такой суперпозиции есть проявление несохранения орбитального момента при сохранении полного момента количества движения ядра, равного 1. (В единицах h/2 .) Последнее cчитается одним из доказательств нецентральности (тензорности) ядерных сил, то есть зависимости их от ориентации спинов нуклонов относительно радиуса-вектора, соединяющего центры нуклонов в ядре (см. рис. Ю.4.).
Разработчики так до конца и не созданной теории дейтрона до сих пор не получили ответа на вопрос о том, что же удерживает нуклоны от разлета из ядра атома дейтерия в те краткие 4%-е периоды времени, когда они находятся на расстояниях друг от друга, более чем в 2 раза превышающих радиус действия ядерных сил, равный комптоновской длине волны -мезона.
Если предположить, что в это время нуклоны в дейтроне обмениваются уже не мезонами, а электроном, появляющимся от виртуального внутриядерного распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино (в соответствии с широко известным процессом распада нейтрона), то есть вернуться к забытой ß -теории ядерных сил, то все становится на свои места*(* Строго говоря, надо предположить обмен не простым, а "тяжелым" виртуальным электроном, имеющим массу M = me /2 a, о котором была речь в [8,9].). Действительно, энергия электромагнитного взаимодействия между нуклонами, обменивающимися виртуальным электроном на таком расстоянии, оказывается порядка 1 МэВ, то есть достаточно большой для обеспечения необходимых сил удержания нуклонов от разлета, а радиус взаимодействия определяется уже не комптоновской длиной волны мезона, а комптоновской длиной волны электрона, большей, чем диаметр дейтрона.
Когда нейтрон в дейтроне на какое-то время превращается в протон, испустив виртуальные электрон и антинейтрино, в дейтроне оказываются два протона с одинаково направленными (параллельными) спинами. А принцип Паули запрещает двум одинаковым фермионам находиться в одной квантовой ячейке в одном и том же состоянии. Изменить направление своего спина ни один из этих протонов в дейтроне не может в силу действия закона сохранения момента количества движения. В результате протоны начинают отталкиваться друг от друга. При этом к силам электростатического отталкивания, частично компенсированным "склеивающим" действием притяжения протонов к находящемуся в это время между ними виртуальному электрону, добавляются силы магнитного отталкивания двух протонов как двух элементарных магнитиков, расположенных параллельно. А эти силы, как известно [241], спадают с расстоянием быстрее, чем по квадратичному закону, характерному для кулоновских сил, и являются нецентральными (тензорными)**(**Не исключено, что так называемые сильные взаимодействия, удовлетворительной теории которых до сих пор так и не существует, вообще сводятся к электромагнитным взаимодействиям в ядрах атомов между электрически заряженными частицами и частицами, имеющими магнитные моменты.). Потому-то дейтроны и имеют столь большие размеры, превышающие радиус действия ядерных сил, что нуклоны в них отталкиваются. На таком расстоянии нуклоны дейтрона удерживают от дальнейшего разлета уже только силы электростатического притяжения к виртуальному электрону.
Существование в течение какого-то времени в дейтроне виртуального электрона объясняет и то, почему дейтрон имеет электрический квадрупольный момент. Это еще один плюс в пользу нашей гипотезы.
Непонятно только, что при этом происходит с виртуальным антинейтрино. По теории Тамма-Иваненко, оно должно было лететь вместе с электроном от одного нуклона к другому в ядре атома и поглощаться тем. Но вылет в одну сторону двух рождаемых частиц даже при наличии третьей, принимающей на себя импульс отдачи, -событие маловероятное. Если же антинейтрино вылетает не в сторону другого нуклона в ядре, а в противоположную сторону или куда-нибудь вбок, то как оно в конце концов попадает в этот нуклон? Ведь тот обязан его захватить, чтобы произошел обмен. С виртуальным электроном более-менее понятно: он во всех случаях будет притянут кулоновскими силами к протону в ядре, в какую бы сторону не двигался первоначально, а вот как быть с антинейтрино, не имеющим электрического заряда? Это считалось одной из трудностей ß -теории ядерных сил.
И вот тут-то теория движения, разработанная в [8,9], приходит на помощь теории дейтрона. Согласно теории движения, нейтрино и антинейтрино - это тахионы, летящие со сверхсветовыми скоростями [9]. Чем меньше энергия тахиона, тем больше его скорость, которая становится бесконечно большой при нулевой энергии [15].
Виртуальные антинейтрино в дейтроне не могут иметь большой энергии, поскольку ей неоткуда взяться при их рождении там, да и ни к чему им большая энергия. (А природа энергию расходует бережливо.) Значит, если антинейтрино - это тахионы, то они тут вылетают с огромными сверхсветовыми скоростями. И за время, пока виртуальный электрон в ядре пролетит с досветовой или околосветовой скоростью расстояние от нейтрона до протона (другого нуклона в ядре), виртуальное антинейтрино успеет облететь всю гравитационно замкнутую Вселенную (как спутник планеты облетает планету), двигаясь только вперед вдоль замкнутой геодезической линии пространства Вселенной, и возвратиться к дейтрону уже с другой стороны, где находится второй нуклон, к которому только-только приблизился виртуальный электрон, летевший с досветовой скоростью.
Такое представление о виртуальных нейтрино и их траекториях объясняет, почему и как виртуальные частицы возвращаются к своей родительнице, что до сих пор было непонятно в квантовой теории поля, в которой скорости движения виртуальных частиц приравнивались к скорости света в вакууме С. Кстати, в ней полагают, что отношение энергии виртуальной частицы к ее импульсу может быть самым разным, как это характерно для тахионов. Это еще раз подтверждает нашу гипотезу о том, что нейтрино - это тахионы.
Пока антинейтрино-тахион кратковременно путешествует далеко за пределами дейтрона, спин последнего уже не целочисленный, так как спин виртуального электрона, оставшегося в нем, полуцелый. Это отнюдь не противоречит ни экспериментально наблюдаемым параметрам дейтрона, ни его теории. Последняя давно уже вынуждена была признать, что дейтрон какую-то часть времени проводит в -состоянии с орбитальным моментом l =2. Только оставалось неясным, как тогда полный момент ядра атома сохранялся равным единице. Теперь нам понятно, что по возвращении антинейтрино из его "кругосветного" путешествия полный момент количества движения дейтрона восстанавливается до первоначальной целочисленной величины.

13.6. Гипотеза о квазинейтральном дейтроне, или к разгадке десятилетней загадки

И все же гипотеза А. И. Колдамасова наталкивает на мысль, что дейтрон действительно должен каким-то образом приобрести на некоторое время электронейтральность, чтобы не преодолевать кулоновский барьер, а двигаться, не замечая его, как движутся к ядрам атомов нейтроны. Нейтральным дейтрон мог бы стать, осуществив К-захват электрона в атоме дейтерия. В обычных условиях такой захват не наблюдается не потому, что ядро атома дейтерия не пытается захватить электрон с оболочки атома, то и дело проскакивающий сквозь ядро согласно гипотезе Л. Г. Сапогина, изложенной в разделах 10.3 и 11.1, а потому, что после такого захвата дейтрону не во что превратиться.
Обычно при К -захвате электрона ядром атома один из протонов ядра превращается в нейтрон, излучив нейтрино согласно ядерной реакции (11.1), и ядро превращается в ядро атома химического элемента, стоящего в таблице Менделеева перед исходным. А перед водородом в этой таблице уже нет клеток. Распасться же на два нейтрона дейтрон тоже не может после захвата им электрона, ибо масса дейтрона много меньше массы двух нейтронов.
Но двигаясь с атомными скоростями ~ а С, электрон оболочки атома пронизывает ядро атома дейтерия за время сек. И все это время дейтрон остается электрически нейтральным, так как его положительный заряд скомпенсирован отрицательным зарядом электрона. Если за это время к дейтрону успеет приблизиться до ядерных расстояний протон со стороны, то ему уже не придется преодолевать кулоновский барьер или потребуются гораздо меньшие энергии движения для его преодоления.
Такой случай, который заканчивается ядерной реакцией (11.10), мы уже рассматривали в разделе 11.4. Только там мы полагали, что электрон связан не с дейтроном, а с протоном, сталкивающимся с дейтроном. Но от этого суть не меняется. В обоих случаях электрон играет роль третьего тела в трехчастичном столкновении:

(13.1)

Придя в дейтрон, а потом уйдя из него без участия в ядерном взаимодействии, электрон служит как бы катализатором ядерной реакции, в которую благодаря ему вступают дейтрон и протон. Но все это продолжается считанные мгновения пока электрон пролетает сквозь дейтрон. Поэтому последний вряд ли может долго дрейфовать в таком квазинейтральном состоянии среди атомов, как это грезилось Колдамасову. Тут надежда лишь на скорость протона, который в 2 раза легче дейтрона, а потому способен иметь скорость движения большую, чем у дейтрона при той же температуре среды.
В разделе 11.4 мы уже говорили, что ядерная реакция (11.10) идет с нарушением закона сохранения четности, что указывает на необходимость участия слабых взаимодействий (или нейтрино) в данной реакции. Но внешний вид формулы (11.10) не отражал этого. Теперь же наша гипотеза о виртуальном ß -распаде нейтрона в дейтроне, изложенная в предыдущем разделе, объясняет, откуда берется антинейтрино, необходимое для нарушения закона сохранения четности в реакции (11.10) или (13.1). Это, наверно, самый веский аргумент в пользу нашей гипотезы.
Но процессы с нарушением четности - обычно медленные процессы. Поэтому реакция (13.1) случается редко. Вот почему интенсивность излучения, сопровождающего его, о котором мы говорили в разделе 11.4, оказалась столь низка.
А ведь ядерная реакция между протоном и квазинейтральным дейтроном, на мгновение захватившем электрон, может пойти и по другому каналу:

(13.2)

В этой реакции, о возможности которой никто никогда не помышлял, электрон уже играет роль не катализатора, а полноправного участника ядерной реакции. Эта реакция уже не имеет никаких запретов и не ведет к нарушению известных законов сохранения, а потому должна протекать с большой скоростью. Вот почему выход ядер атомов трития при холодном ядерном синтезе оказался на 8 порядков величины больше выхода ядер атомов гелия-3 и нейтронов, чему все до сих пор только удивлялись, но не могли найти объяснения. Десятилетняя загадка разгадана!
Одновременно становится понятно, почему в экспериментах с высокотемпературной дейтериевой плазмой и с пучками ускоренных дейтронов никогда не наблюдалась реакция (13.2) и никогда выход ядер атомов трития не был во столько раз больше выхода ядер атомов гелия-3 и нейтронов. Ведь в тех экспериментах уже практически не было атомов дейтерия, а была почти полностью ионизованная плазма, в которой вероятность трехчастичных столкновений крайне мала. Из этого мы должны сделать вывод, что для успешного осуществления реакций ядерного синтеза надо ускорять и сталкивать не потоки дейтронов, а потоки атомарного дейтерия и протонов.
Но почему тогда никто никогда не наблюдал ядерную реакцию (13.2) при облучении дейтерия или тяжелой воды потоками ускоренных протонов? Здесь можно назвать несколько причин. Во-первых, никто такой реакции не ожидал, а потому и не искали ее следов - ядер атомов трития. Во-вторых, эта реакция не сопровождается видимым излучением, что затрудняет ее регистрацию, а образующиеся ядра атомов трития уносят всего лишь 6,377 кэВ энергии отдачи (остальные 5,98 МэВ уносит неуловимое нейтрино), что делает их треки (следы траектории) в фотоэмульсиях и камерах Вильсона весьма короткими и слабыми. В-третьих, для осуществления реакции (13.2) необходимо, чтобы спины дейтрона и протона были антипараллельны, а при облучении газа или воды пучками протонов они ориентированы в самых разных направлениях. Лишь в жидкой воде протон и дейтрон, находясь одновременно на ориентационно - дефектной водородной связи, могут изначально быть ориентированы строго антипараллельно.
Почему мы так говорим, если спин дейтрона равен единице, а следовательно, Дейтроны не фермионы, и принцип запрета Паули на них не распространяется? А вспомните как в предыдущем разделе мы пришли к выводу, что часть своего времени Дейтрон имеет полуцелый спин. Вот в это время дейтрон и подчиняется принципу Паули. Только уж очень мала доля этого времени - всего ~ 4%.

Рис. 13.3. Электронные облака атомов водорода при различной взаимной ориентации спинов электронов:
а - антипараллельные спины - атомы соединяются в молекулу; б - параллельные спины -
атомы отталкиваются.

И вообще, коль дело приняло столь серьезный оборот и рассматриваемое явление оказалось столь перспективным для энергетики, теоретикам следует внимательнее рассмотреть процесс захвата дейтроном электрона. Тут особенно интересен случай захвата электрона в момент, когда нейтрон в дейтроне виртуально распался на протон, электрон и улетевшее далеко-далеко антинейтрино. Тогда в дейтроне при электронном захвате оказываются сразу два электрона. А они могут там находиться одновременно только в том случае, если их спины антипараллельны. Следовательно, во-первых, в ядро атома дейтерия тогда может проникнуть не любой электрон, а только со спином, ориентированном в должном направлении, во-вторых, суммарный спин дейтрона и такого "полузахваченного" электрона в нем опять становится равным единице.
В этот момент дейтрон принимает весьма симметричную конфигурацию: два протона и два спаренных электрона между ними. Она весьма напоминает структуру молекулы воды, в которой два спаренных электрона, тоже имеющих антипараллельные спины, обеспечивают взаимное притяжение атомов водорода и объединение их в молекулу (см. рис. 13.3). Только размеры системы в случае квазинейтрального дейтрона в раз меньше размеров молекулы. Эта система электрически нейтральна и в силу своей симметрии уже не должна иметь квадрупольного электрического момента. А потому она малочувствительна к внешним электрическим полям и их градиентам. Следовательно, такой квазинейтральный дейтрон легко мог бы приблизиться к ядру любого атома, даже не почувствовав кулоновского барьера, если бы успел это сделать за время своего существования.
Но каково оно? Равно ли времени пролета электрона через дейтрон ( сек) или может быть и большим? Может ли орбитальный электрон атома дейтерия быть захваченным ядром этого атома на время , необходимое для сближения такого дейтрона с другим ядром?