Глава 150. Решение загадки радиуса протона •
Принстонский институт перспективных исследований, кабинет профессора Делиня, Сюй Чуань закончил дневные занятия.
Он отложил шариковую ручку, пошевелил головой, потянулся, и все суставы его тела издали треск, привлекая взгляды других людей в кабинете.
Эта сцена стала обычным явлением здесь в течение последнего месяца.
Люди, приходящие к профессору Делиню, знают, что у него появился новый ученик, который сейчас учится у него.
Некоторым было любопытно, почему старый профессор, который давно перестал брать учеников, в этом году снова взял студента.
Некоторые знающие люди удивлялись в душе: несмотря на то, что он уже достиг вершины математического мира, он всё же решил вернуться в университет и усердно учиться, его упорство и мечты вызывают восхищение.
В кабинете Сюй Чуань не обращал внимания на взгляды других людей, приводя в порядок учебники, тетради и черновики на столе.
За этот месяц он многое приобрёл в математике, не только знания в области теории чисел и дифференциальных уравнений, но и некоторые базовые знания в области алгебры и геометрии.
Более того, он увидел у Делиня некоторые "рукописи" "папы" Гротендика, часть оригинальных рукописей, написанных на французском языке, включая "Проект программы", "Теорию схем" и другие.
Эти работы были собраны "папой" вместе с другими математиками, когда он ещё был в математическом мире.
Но, к сожалению, из-за того, что его исследования были использованы в военных целях, в последние годы жизни "папа" отозвал почти все авторские права на свои книги.
Для математического мира оригинальные рукописи в руках Делиня равносильны оригинальным рукописям до формирования "Библии", их ценность неизмерима, не только коллекционная, но и бесконечная академическая.
Сюй Чуань получил от Делиня оригинальную рукопись, это был подарок Делиня ему, рукопись по функциональному анализу, рукопись была не толстой, всего около десяти страниц, но она привела его в восторг.
Нет ничего ценнее этого.
Единственное, что немного огорчало, так это то, что он не мог сразу прочитать эту рукопись, этот шедевр, написанный самим "папой" Гротендиком, был написан на французском языке.
А он не учил французский и не понимал эту работу.
Но это не имело значения, всего лишь язык, ему не составит труда выучить его, максимум за месяц или два.
"Наставник, с завтрашнего дня мне нужно взять отпуск на некоторое время".
Собрав вещи, Сюй Чуань с рюкзаком подошёл к старику за столом и попросил разрешения.
"Конечно, можно".
Делинь кивнул, сразу же согласившись на его просьбу, даже не спросив, как долго продлится отпуск и для чего он нужен.
Если бы это был другой студент, он, возможно, спросил бы, как долго ему нужен отпуск и для чего.
Но если это этот студент, то в этом нет никакой необходимости.
Хотя этот студент учится у него всего месяц, он уже увидел жажду знаний и любовь к ним у этого ученика.
Такой человек, даже если за ним никто не будет следить, не потеряет своего направления и цели.
Вернувшись из кабинета наставника, Сюй Чуань не сразу пошёл в общежитие, а зашёл в супермаркет, чтобы купить еды: консервы, продукты быстрого приготовления, фрукты и т. д.
Он планировал в ближайшие несколько дней не выходить из дома и за один раз разобраться с методом расчёта "загадки радиуса протона".
Математику невозможно выучить всю, но работа над "загадкой радиуса протона" после месяца постепенного совершенствования уже близится к завершению.
Чтобы убедиться, что нет никаких проблем, Сюй Чуань решил выделить целый отрезок времени, чтобы сосредоточиться на обосновании предыдущего процесса вычислений и доработать окончание.
Он дал себе неделю, недели и предыдущей работы должно быть достаточно.
Заранее купив еду и предметы первой необходимости, Сюй Чуань заперся в своей маленькой комнате в общежитии, площадью менее двадцати квадратных метров.
Перед тяжёлым деревянным столом Сюй Чуань достал все черновики, относящиеся к "загадке радиуса протона", и начал полную проверку с самого начала.
Он проверял довольно быстро, пробегая взглядом по странице, и не вдавался в подробные расчёты каждого пункта.
Потому что он уже давно знал всё это наизусть, и одного взгляда ему было достаточно, чтобы понять, есть ли ошибка.
Но иногда Сюй Чуань останавливал взгляд, брал ручку и начинал вычислять на черновике.
Это были некоторые небольшие недостатки или громоздкие места, оставшиеся от прошлых вычислений, теперь у него были более простые методы, которые могли их заменить, не влияя на конечный ответ, но оптимизируя процесс и уменьшая объём вычислений.
Он, естественно, не отказывался от возможности сделать ещё лучше.
Потратив несколько часов, Сюй Чуань просмотрел все черновики с методом расчёта "загадки радиуса протона" от начала до конца, а затем продолжил совершенствовать его, следуя по узловым точкам.
Хотя это и занимало время, но у этого были и преимущества: с одной стороны, это гарантировало, что в предыдущем процессе не было проблем, а с другой стороны, это позволяло ему идеально настроить свои мысли на метод расчёта "загадки радиуса протона".
Это похоже на спорт: перед интенсивной тренировкой разминка может эффективно повысить активность клеток тела.
Время шло, и за целую неделю, за исключением редких выходов за едой и покупками, Сюй Чуань ни разу не покидал эту маленькую комнату площадью менее двадцати квадратных метров.
Использование математики для анализа "загадки радиуса протона" оказалось намного сложнее, чем он предполагал, особенно на заключительном этапе, когда он столкнулся с редкой проблемой интерференции заряда на границе упругого рассеяния атомов.
Это была типичная физическая проблема, и без понимания физики элементарных частиц к ней было невозможно подступиться.
Но, к счастью, физика была его коньком, и в конце концов Сюй Чуань решил эту проблему, используя преобразование Фурье трёхмерного пространственного распределения заряда протона.
Потратив на два-три дня больше, чем ожидалось, и опираясь на работу, проделанную за предыдущие месяцы, он, наконец, завершил эту работу.
Шариковая ручка в его руке поставила последнюю точку на черновике:
【Новая формула для свойств электронов и протонов и её физический смысл. Формула отношения энергии к заряду: mc/q=1/2eeds∫.=1/24πreer/4πree】
【.】
【Этот метод используется для расчёта экспериментальных данных, полученных методами спектроскопии и экспериментами по рассеянию заряженных частиц на протонах.】
【Тело протона (радиус rp=7.65x10-19м) совершает круговое движение (т.е. спиновое движение второго уровня), связанное с волной де Бройля, со скоростью, равной четверти скорости света, вокруг радиуса rp,=0.8414x10-15м±0.0019фм.】
【Спиновое движение второго уровня тела протона образует спиновое тело протона (радиус rp,=0.8414x10-15м±0.0019фм), длина окружности которого равна одной длине волны де Бройля тела протона, движущегося со скоростью, равной четверти скорости света.】
Шариковая ручка в его руке вывела последнюю информацию на черновике, Сюй Чуань пристально посмотрел на черновик на столе.
Что касается чистого расчёта данных радиуса протона с точностью до первых принципов, то в настоящее время в физическом сообществе никто не может этого сделать. Сюй Чуань не пробовал и не хотел тратить на это всё своё время, если только в области радиуса протона он не сможет сделать более поразительное открытие, иначе это того не стоит.
В настоящее время большинство дискуссий об атомной структуре в физическом сообществе опираются на "подвергающуюся критике" модель Бора, в которой электроны вращаются вокруг ядра по круговой орбите.
То есть, в представлении обычных людей, структура атома должна быть похожа на солнечную систему, где электроны вращаются вокруг ядра (солнца), как планеты.
Но квантовая механика, как основа физики, даёт нам более точное и более странное описание.
"Электроны не вращаются вокруг ядра!"
С точки зрения квантовой механики, электроны - это волны, но они обладают свойствами частиц только тогда, когда мы проводим эксперименты, чтобы определить их положение.
А когда электроны движутся по атомной орбите, они существуют в виде суперпозиции состояний частиц и волн, волновая функция одновременно содержит все вероятности их положения.
Измерение заставляет волновую функцию коллапсировать, в результате чего получается положение электрона. Сделав серию таких измерений и нанеся на карту различные положения, мы получим размытую орбитальную траекторию.
То есть электрон может находиться в любом месте ядра, даже внутри протона.
Звучит невероятно, но с точки зрения квантовой механики это действительно возможно.
И эта странность квантовой физики распространяется и на протон.
Протон состоит из трёх заряженных кварков, которые связаны вместе сильным ядерным взаимодействием. Но его граница размыта, как облако, содержащее три капли воды.
Если граница "облака" размыта, то как определить диаметр?
Физики полагаются на плотность заряда, чтобы сделать это, подобно плотности молекул воды в облаке, определение плотности молекул воды выше определённого граничного значения позволяет точно определить диаметр этого "облака".
То же самое относится и к протону.
Протон - это не шар, у него нет абсолютно точного радиуса, его радиус - это расстояние от границы, где плотность заряда, который он несёт, падает ниже определённого энергетического порога, до ядра.
Можно представить, насколько сложно измерить такую границу.
Но если есть потребность, то обязательно найдутся те, кто её решит, радиус протона был оценен с помощью математических методов ещё на заре развития физики, а затем, с течением времени, с развитием различного высокоточного физического оборудования, это число было точно измерено и в конечном итоге определено как 0.879± 0.011 фм (1 фемтометр = 10^-15 метров).
Конечно, это всего лишь "среднее значение", взятое из множества различных измерений по всему миру, и в нём учтено достаточное количество условий погрешности.
До 2010 года это число использовалось CODATA (Международным комитетом по данным для науки и техники) в качестве радиуса протона.
Но позже, в 2010 году, мюонная спектроскопия бросила вызов этому значению.
В эксперименте физиков из Института квантовой оптики имени Макса Планка они использовали мюонный водород, заменив электрон, вращающийся вокруг ядра, мюоном в качестве экспериментального материала.
Поскольку он почти в 200 раз тяжелее электрона, его орбита намного меньше, поэтому вероятность его нахождения внутри протона намного выше (в 10 миллионов раз).
И поскольку он находится ближе к протону, это увеличивает чувствительность этого метода измерения в десять миллионов раз.
Эта команда физиков изначально надеялась, что измеренный ими радиус протона будет примерно таким же, как и в предыдущих экспериментах, и что число 0.8768 фемтометра станет более определённым.
В то время никто не думал, что в этом эксперименте произойдёт что-то неожиданное, ведь теоретически между электронами и мюонами нет никакой разницы, кроме массы и времени жизни.
Однако, если не должно было быть никаких неожиданностей, то они обязательно должны были произойти.
В этом эксперименте измеренный ими радиус протона был значительно ниже, чем значение, данное Международным комитетом по данным для науки и техники (CODATA), а в самом низком значении он был даже поразительно низким - 0.833 фемтометра.
Даже если исключить влияние изменения энергетического уровня, вызванного электронами вне ядра внутри протона, а затем взять среднее число и погрешность, значение радиуса всё равно составляет 0.84184 ± 0.00067 фм.
Этот экспериментальный результат застал тогдашних исследователей врасплох, ведь радиус протона затрагивает основы физики.
После публикации результатов ещё больше физиков занялись этой проблемой.
Но с тех пор новые спектроскопические эксперименты ещё больше подтвердили меньший радиус протона.
Эксперименты в разных странах показали, что радиус протона должен быть меньше, чем считалось ранее.
Но что сбивает с толку, так это то, что радиус протона, полученный в экспериментах по рассеянию, всегда оставался в районе 0.8768 фемтометра.
То есть два разных метода тестирования дали разницу в 5%, и эта разница в пять процентов была названа "загадкой радиуса протона".
И вот, на сегодняшний день эта загадка наконец-то разгадана.
Конечно, при условии, что метод расчёта Сюй Чуаня верен.
Перед рабочим столом Сюй Чуань бросил шариковую ручку, пошёл в ванную, умылся, а затем бросился на кровать, и вскоре раздался тихий храп.
Чтобы усовершенствовать метод в своих руках, он не смыкал глаз более тридцати часов, и чем ближе он был к разгадке тайны, тем сильнее возбуждался его дух, что позволяло противостоять усталости тела.
И вот теперь, когда результат наконец-то получен, тонкая нить, висевшая в его голове, наконец-то оборвалась.
В этот раз Сюй Чуань проспал с четырёх часов дня до трёх часов ночи следующего дня.
Встав, умывшись, Сюй Чуань взял полотенце и, вытирая мокрые волосы, направился к рабочему столу.
На рабочем столе лежали разбросанные черновики, свидетельствующие о том, какое испытание здесь произошло.
Взяв наугад черновик со стола, Сюй Чуань посмотрел на окончательный ответ.
Судя по результатам, рассчитанным на основе текущих данных, меньший радиус протона станет ответом в физике элементарных частиц.
Радиус заряда протона, который люди наблюдали в бесчисленных экспериментах, не так велик, как предполагалось.
И это также означает, что до 2010 года данные, наблюдаемые всем физическим сообществом, были неверными.
Или, другими словами, во всех их экспериментах произошла какая-то огромная ошибка, которая и привела к такому результату.
На данный момент он ещё не знает, откуда именно взялась эта ошибка, но математика не обманывает, проблема действительно существует.
Подумав об этом, Сюй Чуань улыбнулся.
Этот ответ, вероятно, вызовет бурю во всём физическом сообществе.
Ведь в настоящее время есть немало людей, которые считают, что радиус заряда протона - это большой радиус, то есть число 0.8768 фемтометра.