Субстанциональная модель фотона

Субстанциональная модель фотона является теоретической моделью, рассматривающей происхождение, структуру, состояние вещества и другие свойства фотона. Для обоснования субстанциональной модели фотона используются уравнения электродинамики и квантовой механики, а также теория бесконечной вложенности материи, электрогравитационный вакуум и сильная гравитация.

Образование фотона

Сечение фотона, распространяющегося вдоль оси $~OZ$. Положительный заряд вещества фотона вблизи оси $~OZ$ обозначен знаком +, отрицательные заряды лепестков обозначены знаком – . Вращение вещества фотона приводит к винтовой пространственной конфигурации.

В рассматриваемой модели фотон, излучаемый из атома во время квантового перехода, формируется под действием электромагнитного поля атома из релятивистских праонов, являющихся составной частью динамического электрогравитационного вакуума. Свойства праонов, включая их массу, заряд и скорость движения, выводятся в рамках теории бесконечной вложенности материи с учётом подобия уровней материи. По отношению к нуклонному уровню материи праонный уровень материи относится так же, как нуклоны относятся к звёздам. Это означает, что все адроны и лептоны нуклонного уровня материи, а также и фотоны состоят из праонов в том или ином их состоянии. Праонная структура протона и нейтрона представлена в статьях субстанциональная модель протона и субстанциональная модель нейтрона.

Согласно субстанциональной модели электрон в атоме представляет собой объект дискообразной формы. Спин электрона появляется тогда, когда центр диска смещён относительно ядра атома и вращается вокруг ядра, в этом случае происходит излучение фотона из атома. В первом приближении весь диск заменяется точечным электроном, помещённым в центр диска и вращающимся вокруг ядра. Это даёт возможность вычислить электрическое и магнитное поля вращающегося электрона в ближней, дальней и волновой зонах для водородоподобного атома. Указанные поля действуют на релятивистские праоны вакуума, проходящие сквозь электронный диск, и заставляют их образовывать вращающуюся винтовую структуру фотона. Так у фотона возникает внутренняя периодическая волновая структура.

Анализ показывает, что в ходе излучения фотона текущая частота вращения электронного диска и соответственно частота волны внутри формирующейся части фотона непрерывно меняются и равны друг другу, достигая максимума вблизи нижнего уровня энергии. При этом частота фотона, находимая через энергию фотона и постоянную Планка, оказывается средней частотой вращения электронного диска за всё время излучения фотона.

Фотон излучается вдоль оси электронного диска, но некоторая часть энергии в виде электромагнитного излучения уходит из возбуждённого атома по другим направлениям. Это излучение находится в фазе с колебаниями внутри фотона. Последнее может объяснить результаты опыта Юнга с малой интенсивностью света, когда наблюдается интерференция у практически одиночных фотонов. В этом случае каждый фотон проходит через ту или иную щель, а сопутствующее ему когерентное излучение из атома проходит через другую щель, давая в итоге интерференционную картину.

Фотон представляет собой сложную лепестковую структуру и имеет форму длинного и тонкого вращающегося цилиндра, центральная часть которого содержит преобладающий положительный заряд, а поверхностная часть заряжена отрицательно. Предполагается, что на праонном уровне материи действует сильная гравитация, причём постоянная гравитации достигает величины $~ G_{pr}= 1,752 \cdot 10^{67}$ м³•с^–2•кг^–1, получаемая из постоянной сильной гравитации с помощью соотношений подобия. В гравитационном поле со столь большой постоянной гравитации праоны фотона могут составлять достаточно жёсткую структуру для того, чтобы фотон мог, не распадаясь, преодолевать большие космические расстояния.

В гравитационной модели сильного взаимодействия сильное взаимодействие между частицами появляется как результат сложения электромагнитных сил, сильной гравитации и сил от полей кручения. Основными компонентами здесь являются сила гравитационного притяжения и спин-спиновая сила отталкивания. При расстояниях между частицами, меньших радиуса нуклона, возможно равновесие сил и образование таких составных объектов, как атомные ядра и даже нейтронные звёзды. Таким образом, в фотоне праоны вещества имеют собственное спиновое вращение такое, чтобы возникающее поле кручения создавало давление, противодействующее действию сильной гравитации.

Строение фотона

Праоны обладают зарядом порядка $~ q_{pr} =1,06 \cdot 10^{-57}$ Кл, инвариантной массой $~ m_{pr} =1 \cdot 10^{-84}$ кг, и для описания их движения при релятивистских скоростях следует использовать фактор Лоренца, достигающий величины $~ \gamma= 1,9 \cdot 10^{11}$. Такой фактор Лоренца был найден для праонов внутри фотона с длиной волны $~ \lambda =1,21567 \cdot 10^{-7}$ м и угловой частотой $~ \omega =1,54946 \cdot 10^{16}$ с^–1, возникающего в атоме водорода при переходе электрона со второго на первый уровень в серии Лаймана. Это позволяет с помощью преобразований Лоренца перейти в систему отсчёта $~ K'$, сопутствующую фотону, определить компоненты электромагнитного поля и поля сильной гравитации, и понять движение праонов внутри фотона в этой системе отсчёта.

В системе отсчёта $~ K'$, движущейся вместе с фотоном вдоль $~OZ$ лабораторной системы отсчёта $~ K$, роль угловой скорости вращения праонов в плоскостях $~ X' O' Y'$ играет величина $$~ \omega' = \frac { \omega (1-V_z / c ) } {\sqrt {1-V^2_z / c^2 }} ,$$

где $~ V_z$ есть скорость фотона, почти равная скорости света $~ c$.

Угловая скорость $~ \omega'$ существенно меньше, чем угловая скорость вращения $~ \omega$ электрона в атоме и угловая частота излучаемого фотона в $~ K$, как следствие эффекта замедления времени. При этом в $~ K$ длина волны фотона равна $~ \lambda$, а в $~ K'$ она становится больше и равна $$~ \lambda ' = \frac { \lambda \sqrt {1-V^2_z / c^2 } } {1-V_z / c } ,$$

что связано с эффектом сокращения продольных размеров движущихся тел в $~ K$.

При мгновенном перемещении вдоль оси $~O'Z'$ в $~ K'$ на расстояние $~z'$ внутри фотона обнаруживается сдвиг фазы вращения лепестков на величину $~ \Delta \phi = - \frac {2 \pi z'} {\lambda ' }.$ Таким образом в собственной системе отсчёта $~ K'$ фотон представляет собой медленно вращающуюся винтовую структуру с шагом правого винта вдоль оси $~O'Z'$, равным $~ \lambda'$. В лабораторной системе отсчёта $~ K$ шаг винтовой структуры фотона равен длине волны фотона $~ \lambda$. Это приводит к волновой картине движения вещества фотона и соответственно к его волновому электромагнитному полю от вращения распределённого в лепестках фотона электрического заряда. В данном случае фотон имеет круговую поляризацию.

Свойства фотона

Внутри каждого лепестка фотона предполагается достаточно плавное распределение заряда, от положительного заряда в центре до преобладания отрицательного заряда на концах лепестков. Это должно сопровождаться также плавным изменением плотности массы вдоль лепестков. В этом случае лепестки кроме отрицательных праонов содержат в себе и значительное количество положительных праонов, обеспечивая электронейтральность фотона. При этом положительные праоны сопоставляются с протонами, отрицательные праоны (праэлектроны) сопоставляются с электронами, а нейтральные праоны рассматриваются как аналоги нейтронов.

С помощью преобразований Лоренца можно пересчитать компоненты электромагнитного поля из системы отсчёта $~ K'$ фотона в лабораторную систему отсчёта $~ K$. Если в фотоне некоторый лепесток в данный момент времени ориентирован вдоль оси $~OX$, то в данном лепестке имеется электрическое поле $~ E_x$. Кроме этого, благодаря движению фотона со скоростью $~ V_z \approx c$, в данном лепестке появляется магнитное поле $~ B_y = \frac {E_x V_z} {c^2} \approx \frac {E_x } {c} .$ Это позволяет понять для фотона соотношение между поперечными компонентами электрического и магнитного полей, связанных коэффициентом в виде скорости света.

Связь между центростремительной силой, требуемой для вращения частицы на поверхности фотона, и электрической силой, действующей на частицу с зарядом $~q$ и массой покоя $~m$, следующая: $$~ q E_0 = \frac { \gamma m V^2 } {R_0 } = \gamma m \omega^2 R_0,$$

здесь $~ E_0$ есть в первом приближении некоторое усреднённое электрическое поле внутри лепестков фотона с точки зрения лабораторной системы отсчёта $~ K$, $~ R_0$ – поперечный радиус фотона, $~ V$ – скорость частицы на поверхности фотона, $~ \gamma$ – фактор Лоренца движения фотона в целом. Появление $~ \gamma$ связано с тем, что практически скорость частиц фотона близка к скорости света и перпендикулярна центростремительному ускорению от электрической силы, приводящей частицы во вращение.

Для фотона предполагается, что половину его энергии $~ W= \hbar \omega$ составляет энергия вращения частиц, а другая половина энергии есть суммарная энергия всех полей. При этом в системе отсчёта $~ K$ момент импульса фотона $~ L_p$ равен постоянной Дирака $~ \hbar$ и выражается формулой, которая соответствует вращающемуся цилиндру, составленному из $~ N$ частиц: $$~ L_p = \hbar = \frac { 1 } {2} N \gamma m \omega R^2_0.$$

В результате можно оценить энергию вращения как половину энергии фотона: $$~ W_r = \frac { 1 } {2} L_p \omega = \frac { 1 } {2} \hbar \omega =\frac { 1 } {2} W.$$

Разделив энергию $~ W = \hbar \omega$ фотона на объём фотона, получим плотность энергии, которую можно приравнять к удвоенной плотности электромагнитной энергии внутри фотона: $$~ \frac { \hbar \omega } { \pi R^2_0 c \tau} = \varepsilon_0 E^2_0.$$

Отсюда при известных величинах для угловой частоты фотона $~ \omega =1,54946 \cdot 10^{16}$ с^–1, при радиусе фотона $~ R_0 = 4 a_B$, где $~ a_B$ есть Боровский радиус, времени излучения фотона $~ \tau = 9,8 \cdot 10^{-10}$ с, электрической постоянной $~ \varepsilon_0$, находится среднее электрическое поле $~ E_0$ внутри фотона. Подстановка $~ E_0$ в уравнение вращения заряженной частицы даёт: $$~ \frac { q } {\gamma m} = R^2_0 \sqrt { \frac { \pi \varepsilon_0 c \tau \omega^3 } {\hbar } } = 2,4 \cdot 10^{16}$$Кл/кг.

Подставляя вместо $~q$ и $~m$ заряд и массу праона, можно оценить фактор Лоренца для фотона: $~ \gamma= 1,9 \cdot 10^{11}$. Наибольшее значение $~ \gamma$ у фотона ожидается в водородоподобном атоме, имеющем ядро с наибольшим количеством протонов, и для электронных переходов вблизи наименьших орбит. В этом случае на праоны возникающего фотона действуют наибольшие поля атома, передавая им свою энергию.

Расчёт показывает, что отношение потоков гравитационной и электромагнитной энергии в фотоне получается равным отношению массы протона к массе электрона. Оценка продольного магнитного поля внутри рассматриваемого фотона даёт значение $~ B_z = 5,4 \cdot 10^{-28}$ Тл. Это означает, что в лабораторной системе отсчёта $~ K$ дипольный магнитный момент фотона равен $~ P_m = 1,8 \cdot 10^{-41}$ А • м². Сравнение с магнетоном Бора $~ \mu_B$ показывает, что для данного фотона $~ P_m = 1,9 \cdot 10^{-18} \mu_B$.

Масса

В специальной теории относительности известна формула, связывающая релятивистскую энергию $~ W$, импульс $~ \mathbf p$ и инвариантную массу $~ m$ частицы: $$~ W^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4.$$

Как правило, полагают, что масса покоя фотона равна нулю, $~ m=0,$ и тогда энергия фотона зависит только от его импульса: $~ W = \hbar \omega = p c.$ Последнее соотношение позволяет найти импульс фотона через энергию или угловую частоту фотона. Фотон же при этом должен двигаться со скоростью света $~ c$.

В субстанциональной модели энергия фотона $~ W$ характеризует вращательную энергию частиц фотона и энергию полей внутри фотона с точки зрения лабораторной системы отсчёта $~ K$. Однако фотон движется ещё со скоростью $~ V_z$, очень близкой к скорости света, благодаря чему релятивистская энергия всех частиц фотона достигает величины $~ E_{pr}$. Эта энергия намного больше, чем $~ W$, поскольку выполняется соотношение $~ \frac {E_{pr} } {W} = \frac {2 c^2}{ \omega^2 R^2_0} .$ По порядку величины, отличие энергий $~ E_{pr}$ и $~ W$ достигает десятков тысяч и более.

Инвариантная масса фотона, понимаемая как инвариантная масса праонов, входящих в состав фотона, получается равной величине $~ m_{ph} = \frac {2 \hbar} {\gamma \omega R^2_0 } .$ Для рассматриваемого фотона $~ W = 1,6 \cdot 10^{-18}$ Дж или 10,2 эВ, $~ E_{pr} = 2,7 \cdot 10^{-14}$ Дж или 170 кэВ, $~ m_{ph} = 1,6 \cdot 10^{-42}$ кг или $~ 9 \cdot 10^{-7}$ эВ/с² в энергетических единицах. Получается, что масса покоя частиц фотона $~ m_{ph}$ нулю не равна, хотя и достаточно мала. В результате для фотона можно записать: $$~ E^2_{pr} = p^2_{pr} c^2 + m^2_{ph} c^4 \approx p^2_{pr} c^2,$$

здесь $~ p_{pr} = \gamma m_{ph} V_z$ есть суммарный импульс частиц фотона. В качестве оценки количества праонов в фотоне, излучаемом в атоме водорода, получается отношение: $~ \frac {m_{ph}} {m_{pr}} = 1,6 \cdot 10^{42}$ праонов.

Энергия $~ E_{pr}$ не передаётся праонам фотона от электрона при излучении фотона из атома, но уже была у них в момент взаимодействия потоков праонов с электроном. Несмотря на свою достаточно большую величину, масса $~ m_{ph}$ прямо не обнаруживается в экспериментах. Это связано с тем, что при взаимодействии фотона с веществом происходит передача веществу момента импульса фотона величиной порядка $~ \hbar$ и соответствующей энергии и импульса. Однако основная доля энергии фотона, заключённая в релятивистском движении праонов, уносится вместе с ними в момент распада фотона и рассеянии его на отдельные праоны.

Можно предположить, что скорости $~ V$ потоков праонов в вакуумном поле порядка скорости света, $~ V \le c$. При этом фотоны движутся со скоростью $~ V_z$, причём должно быть $~ V_z \le V$. Некоторое различие $~ V_z$ и $~ V$ объясняется тем, что праоны в фотоне не только движутся вдоль оси $~ OZ$, перпендикулярной плоскости электронного диска в момент излучения фотона, но ещё и вращаются вокруг этой оси по некоторым спиралям. Вращение праонов зависит от частоты фотона и его энергии, что должно влиять на скорость движения фотонов $~ V_z$ и приводить к некоторой изначальной дисперсии скоростей фотонов разных частот. В статье в предположении ненулевой массы фотона было рассмотрено моделирование, применяемое в атомной спектроскопии для формы линий и их интенсивностей. Был сделан вывод о том, что у массивных фотонов должна быть дисперсия скоростей, а также возможно состояние продольной поляризации.

Удобно считать, что скорость света является предельной величиной для движения фотонов и частиц. При переходе к низшим уровням материи (к нуклонам, праонам и т.д.) увеличивается фактор Лоренца у частиц, составляющих фотоны соответствующего уровня материи, при этом скорости их движения не должны превышать скорости света. Так применяется теория относительности в теории бесконечной вложенности частиц.

Известно, что фотон в виде гамма-кванта, имеющий энергию $~ W$, превышающую удвоенную энергию покоя электрона, при взаимодействии с атомным ядром или тяжёлой заряженной частицей может создать электрон-позитронную пару в процессе рождения пар. Поскольку фотоны, адроны и лептоны предполагаются состоящими из праонов и содержат в себе частицы с зарядами разных знаков, вещество и энергия фотона имеют возможность трансформироваться в вещество и энергию пары противоположно заряженных частиц. Разделение зарядов в веществе фотона может происходить благодаря действию сильных электрических и магнитных полей вблизи нуклонов.

Будучи частицами электрогравитационного вакуума, релятивистские праоны пронизывают вещество и действуют на заряженные частицы вещества согласно модернизированной теории Фатио-Лесажа так, что между зарядами возникает электрическая сила и становится справедлив закон Кулона. Таким образом, концепция праонов позволяет не только понять устройство фотона и найти его массу, но и дать общее объяснение основным электромагнитным явлениям.

См. также

• Субстанциональная модель нейтрона
• Субстанциональная модель протона
• Субстанциональная модель электрона
• Бесконечная вложенность материи
• Подобие уровней материи
• SPФ-симметрия
• Сильная гравитация
• Гравитационная модель сильного взаимодействия
• Модель кварковых квазичастиц
• Нюон
• Праон

Внешние ссылки

• Substantial photon model