12.08.2025 11:12
uzumeti 31 14000 Источник

В течение почти всего XX века протоны воспринимались физиками как надёжный фундаментом материи, о котором известно достаточно много. Учёные были уверены, что эти частицы стабильны и неизменны, а их свойства описаны предельно точно. Но с развитием квантовой физики и появлением всё более сложных экспериментов привычная картина начала рушиться. Вместе с ней поплыло и представление о правильном понимании строения всего вещества стандартной моделью.

Так что же изменилось и заставило усомниться в существующих взглядах на проблему? Ведь сегодня протон выглядит не как «кирпичик Вселенной», а как некоторая сложная квантовая система, полная самых разных парадоксов. И это не плохо. Такой взгляд, напротив, демонстрирует более глубокое осознание проблемы учёными.

Давайте обсудим основные противоречия в теории, которые сделали протон непонятным и сложным.

Живёт ли протон вечно?

Классическая модель утверждала, что протоны не распадаются вовсе. В 1980-х годах японский эксперимент Kamiokande попытался зарегистрировать распад протона по косвенным признакам, но не нашёл его. Аппроксимация исследования показала, что даже на дистанции в миллиарды миллиардов лет протон сохраняет стабильность.

Вместо долгожданного распада протона учёные получили нечто другое. Детектор случайно зарегистрировал нейтрино от сверхновой SN 1987A. Это открытие принесло проекту мировую известность, а учёный Масатоси Косиба позже получил за это Нобелевскую премию. Но ирония заключалась в том, что исходная цель (поймать распад протона) так и не была достигнута.

На основании этих данных нижняя граница времени жизни протона составила > 10³⁴ лет и это в триллионы раз больше возраста Вселенной. Мы могли бы расслабиться и забыть об идее распада как про страшный сон. Ведь сроки его жизни столь высоки.

Однако новые теории Великого объединения предсказывают, что протон всё же может распадаться. Вот только процесс настолько медленный, что его пока просто невозможно зафиксировать и измерить. Всё же это не синоним вечности. Тем не менее, с точки зрения стандартного подхода протон может считаться стабильным.

Внутренний мир протона

Внутри протона скрыта не пустота, а целый квантовый «океан». Первоначальная модель из трёх кварков (два u и один d) оказалась слишком упрощённой.

В 2008 году на коллайдере HERA (DESY, Германия) подтвердили, что протон содержит внутри «море» спонтанно возникающих пар частиц и античастиц. Глюоны, открытые в экспериментах на SLAC ещё в 1979 году, оказались не менее важными, чем сами кварки. Именно они «склеивают» частицы внутри протона. Получается, что внутри самого протона существует целый неизведанный мир. Он и остаётся неизученным сейчас, но точно влияет на свойства самого протона.

Это подтвердилось ещё и тем, что фактически масса кварков внутри протона составляет лишь ~1% массы протона. Всё остальное это энергия сильного взаимодействия. Этот результат блестяще подтверждает формулу Эйнштейна: E=mc². Ну а заодно показывает нам, что протон устроен сложнее, чем это хотелось бы современным учёным. Тут нет никаких теорий заговора и домыслов - в современных изданиях структуру протона и правда рисуют не как три мячика внутри одного большого, а как множество шариков и пружинок внутри одного мячика.

Спиновый кризис протона

В 1987 году на CERN (эксперимент EMC) учёные впервые измерили вклад кварков в спин протона. Ожидалось, что кварки должны полностью объяснить вращение частицы, но оказалось, что они дают лишь ~30%.

Остальное, как выяснилось в последующих экспериментах на RHIC (США), вносят глюоны и, вероятно, квантовые колебания «моря» внутри протона. Этот феномен до сих пор известен как «спиновый кризис протона». По сути он заключается в том, что не получается выполнить простое сложение всех моментов в один так, чтобы цифры совпадали. Это чрезвычайно не логично и подразумевает, что природа частицы понимается не совсем верно.

Парадокс радиуса протона

В 2010 году в Швейцарии, в институте PSI (Paul Scherrer Institute), провели эксперимент с мюонным водородом - системой, где электрон заменили более тяжёлым мюоном. Результат потряс научное сообщество. Измеренный радиус протона оказался на 4% меньше общепринятого значения. Этот эффект получил название «протонная головоломка» и до сих пор не имеет однозначного объяснения.

Ожидания ученых предполагали, что цифры, которые мы имеем для простого атома, где вокруг ядра располагаются электроны, и для мюония должны коррелировать. Но оказалось, что если ядро окружено электронами, то радиус один, а если мюоном - другой. Это совершенно не логично, если рассматривать протон как обычную частицу в той форме, как предполагала всегда стандартная модель.

Протон как процесс, а не объект

Обозначенные открытия перевернули представления о протоне с ног на голову. Сегодня физики описывают его не как статичный изученный объект, а как динамическую квантовую систему, в которой энергия и частицы непрерывно рождаются и исчезают.

Протон - это не просто «шарик», а процесс. Процесс измерения и взаимодействия некоторой квантовой системы с окружающим миром. Похоже он и порождает то, что мы видим как частицу. Впрочем, эту логику полезно постоянно держать в голове, когда мы беседуем о частицах того или иного типа.

С радостью приглашаю вас посмотреть мои научно-популярные видео на канале.

Комментарии (31)


  1. xclassicx
    12.08.2025 17:48
    #28698254

    Ожидания ученых предполагали, что цифры, которые мы имеем для простого атома, где вокруг ядра располагаются электроны, и для мюония должны коррелировать

    Коррелировать и быть равными - это совсем не одно и тоже. То, что все атомы мюония "меньше" на 4%, чем атомы водорода как раз говорит об отличной корелляции


    1. CaptainFlint
      12.08.2025 17:48
      #28698360

      Не атомы, а сами протоны. У атома-то размер будет более чем в 200 раз меньше, а не на 4%.

      То есть задача ставится так: берём протон, запускаем вокруг него электрон, изучаем энергию взаимодействия и из полученных цифр вычисляем радиус самого протона как такового (точнее, так называемый зарядовый радиус), получаем 0,877 фм. Теперь выдираем электрон, засовываем вместо него мюон. Замеряем получившиеся характеристики мезоатома, и пересчитываем радиус протона по ним — и внезапно получаем 0,842 фм. Но ведь сам протон-то не менялся, почему же его радиус вдруг оказался другим?


      1. Deosis
        12.08.2025 17:48
        #28699532

        То есть измерили некий параметр пары протон-электрон, потом измерили тот же параметр пары протон-мюон и удивляются, что получили два разных значения?


        1. martin_wanderer
          12.08.2025 17:48
          #28700454

          Да, именно так, ведь в обоих случаях фигурируют одинаковые заряды


          1. Frankenstine
            12.08.2025 17:48
            #28701458

            фигурируют одинаковые заряды

            Но массы-то разные


            1. martin_wanderer
              12.08.2025 17:48
              #28702354

              Я сварщик не настоящий, но вроде бы речь идёт как раз о зарядовом радиусе. Как я понимаю, весь смысл эксперимента в том, что исходя из известных нам формул, получаемый результат не должен зависеть от массы. Ну кстати тут в соседней ветке уже рассказали, что в общем-то проблему уже свели к точности измерений


              1. Frankenstine
                12.08.2025 17:48
                #28702392

                Я тоже не настоящий сварщик (а тем более физик), но

                Электрический формфактор входит в матричный элемент электромагнитного тока частицы и зависит от квадрата переданного 4-импульса (в единицах энергии²).

                Переданный импульс имеет ИМХО различный эффект в зависимости от массы рассматриваемой системы протон-(электрон/мюон).


        1. CaptainFlint
          12.08.2025 17:48
          #28701168

          Удивились не тому, что измерились разные значения, а тому, что, грубо говоря, после вычитания разницы между электроном и мюоном осталась ещё какая-то непонятно откуда взявшаяся добавочка.

          Типа взяли треугольник со сторонами 3, 4, 5, посчитали угол между 3 и 4, получили 90 градусов. А потом уменьшили этот треугольник в 200 раз, пересчитали угол — а он вдруг взял и получился не 90, а 86 градусов, хотя по всем соображениям должен был остаться неизменным по правилу подобия.


        1. zumrus
          12.08.2025 17:48
          #28703120

          Нет, это не некий параметр пары протон-электрон, это именно что чисто протонная вещь. Кароч, делают так.

          У вас есть формула для описания энергии. Она строится итеративно, от самого важного до самого неважного. Начинаем мы с формулы Бора, потом учитываем тонкую струкутур, конечность массы протона, лэмбовский сдвиг и тд и тп. Где-то в конце этого ряда лежит неточечность распределения электрического заряда в ядре, которое мы моделируем тупо среднеквадратическим выражением. То есть, грубо говоря, мы не знаем, как устроено распределение заряда в ядре, но мы моделируем его двумя числами: средним и дисперсией. Так вот зарядовый радиус протона, из-за которого весь сыр-бор -- это и есть корень квадратный из дисперсии.

          Эта величина, которую мы не можем вытащить из первых принципов. Помимо неё есть ещё неизвестная вещь -- постоянная Ридберга, которую можно свести к постоянной тонкой структуры или к электрическому заряду - как удобнее. Таким образом, в сухом остатке у нас две неизвестные.

          Далее мы начинаем подставлять гигантские формулы для вычисления энергий в формулы для вычисления частоты - в виде разницы энергий. Эти частоты, в свою очередь, мы берём из эксперимента. Нам нужно как минимум две частоты (то есть, два атомных перехода) и мы выбираем самые точные, обычно это nS - 1S переходы. Но вообще их может быть больше, что даёт нам возможность вычислить погрешность. В целом, именно так и считают постоянную Ридберга и зарядовый радиус протона.

          Для обычного водорода это всё проделали ещё в конце 90-х. Но с мюонным водородом повторить всё удалось лишь в 00-е. Там кстати, интересная и драматическая история, я писал длинный материал об этом 8 лет назад
          https://nplus1.ru/material/2017/07/28/protonpuzzle


          1. zumrus
            12.08.2025 17:48
            #28703124

            А ещё есть МАССОВЫЙ радиус протона и он отличается от зарядового
            https://nplus1.ru/news/2021/05/15/proton-mass-radius


      1. schubukov71
        12.08.2025 17:48
        #28702992

        Давит на протон мюон своей массой )))


  1. muhachev
    12.08.2025 17:48
    #28699298

    Это просто бизнес.


  1. muhachev
    12.08.2025 17:48
    #28699304

    С радиусом уже разобрались вроде, не?

    https://www.science.org/doi/10.1126/science.aau7807


  1. gridem
    12.08.2025 17:48
    #28699606

    Коротко: сегодня «протонная головоломка» почти сошла на нет. Лучшие на 2025 год оценки сходятся к малому радиусу заряда протона ~0.84 фемтометра; разногласия между методами сильно уменьшились, хотя полностью «математически закрытым» вопрос ещё не назовёшь. (juser.fz-juelich.de, link.aps.org)

    Что именно установлено

    • Радиус заряда r_p: актуальная рекомендация CODATA-2022 — r_p=0.84075(64)\,\mathrm{fm} (то есть ~0.84 fm с очень маленькой погрешностью). Это по сути принимает «малое» значение, впервые найденное на мюонном водороде. (juser.fz-juelich.de)

    • Как дошли до консенсуса. • 2010: PSI (мюонный водород) получил «малый» радиус ~0.842 fm и запустил головоломку. (Nature) • 2019: электрон-протонное рассеяние PRad (Jefferson Lab) дало r_p \approx 0.831(14)\,\mathrm{fm}, согласуясь с мюонным результатом. (Nature, jlab.org) • 2019–2020: новые спектроскопические измерения обычного водорода тоже поддержали «малый» радиус (напр., r_p \approx 0.833\,\mathrm{fm}). (science.org) • 2022: ещё одно измерение H-спектроскопии дало чуть большее r_p = 0.8584(51) \,\mathrm{fm}; оно сохраняет небольшое напряжение, но уже не «кризис». (link.aps.org) • Итоговые обзоры последних лет (RMP-2022; PDG-2025) формулируют так: большинство современных данных тяготеют к ~0.84 fm; крупная часть противоречий снята. (link.aps.org, Particle Data Group)

    Что проверяют сейчас

    • Lepton-universality/систематики: в PSI идёт эксперимент MUSE, который напрямую сравнивает e^\pm p и \mu^\pm p-рассеяние при малых Q^2 — это ключ к окончательной проверке «электрон vs мюон». Анализ и публикации по полному набору данных находятся в работе. Кроме того, готовятся/идут PRad-II, MAGIX/MAMI, AMBER и др. (9, 10, IJCLab Events Directory)

    Вывод

    • Рабочее «стандартное» число сегодня — r_p\approx0.841\,\mathrm{fm}.

    • «Головоломка» превратилась из конфликта методов в задачу доведения точности и контроля систематик; небольшие напряжения между отдельными спектроскопическими измерениями ещё обсуждаются. (juser.fz-juelich.de, link.aps.org)


    1. Rikhmayer
      12.08.2025 17:48
      #28700456

      Простите, а можно для малолетних дебилов программистов пояснить, что за "радиус заряда" вообще такой? В школе учили, что есть заряд и сила электрического поля, которая убывает с квадратом, вроде это не отменяли. Ну для протона получается, что в нём несколько источников электрического поля, положительно заряженных, это немного усложняет конструкцию.

      Дальше приходят кванты и говорят, что посредником для передачи электрического поля являются фотоны, что сокращает скорость распространения изменения электрического поля, и вроде всё.

      А на каком моменте появляется радиус протона и что вообще это обозначает?


      1. Frankenstine
        12.08.2025 17:48
        #28701554

        А на каком моменте появляется радиус протона и что вообще это обозначает?

        Если говорить математически, то это звучит сложно примерно так:

        Для зарядового радиуса протона речь идёт о среднеквадратичном радиусе распределения электрического заряда внутри протона.

        Он определяется через поведение электромагнитного формфактора частицы при малых переданных импульсах.

        Формфактор это функция, описывающая, как распределён электрический заряд внутри частицы и как он влияет на процесс рассеяния.

        Если говорить по-проще, то у нас есть методика измерения пространственного размера, дающая конкретную цифру с известной нам точностью, которую мы договорились называть радиусом частицы.


        1. Rikhmayer
          12.08.2025 17:48
          #28701592

          Спасибо, стало немного понятнее. Образно говоря, мы немного вернулись к "пудингу" времён до опытов Резерфорда.


          1. zumrus
            12.08.2025 17:48
            #28703158

            Здесь важно понимать, что не стоит пытаться визуализировать в своей голове протонные процессы в обывательских категориях. Не то, чтобы мы совсем не понимали, что там происходит (ну, мы далеки от полного понимания), у нас хотя бы есть некоторое представление, куда двигаться. Но это представление процессов имеет сугубо математическую форму, и любая попытка интерпретировать их через бытовые образы - ложна.

            Это я к тому, что ни о каком возврате к пудингу речи не идёт. Мы не знаем точно, как распределён заряд в протоне, но это пока не так важно на текущем экспериментальном уровне. Мы лишь вводим некий модельно-независимый параметр, следующий за полным зарядом протона, который некоторым образом можно интерпретировать как зарядовый размер, но лишь в предположении очень простой системы. По сути, зарядовый радиус -- это на данный момент мера неточечности заряда в протоне. А есть ещё мера неточечности массы, мера неточечности спина -- и для них вводят отдельные соответствующие радиусы.


  1. MasterMentor
    12.08.2025 17:48
    #28701172

    Это подтвердилось ещё и тем, что фактически масса кварков внутри протона составляет лишь ~1% массы протона. Всё остальное это энергия сильного взаимодействия. Этот результат блестяще подтверждает формулу Эйнштейна: E=mc². 

    Не иначе, как британско-финские учёные работали над этим открытием.


  1. schubukov71
    12.08.2025 17:48
    #28703016

    А я вот никак не могу понять спин... Я и ничего другого понять не могу, но хотя бы со спина начать! Может, кто посоветует какую нибудь публикацию или статью, где для простого человека хоть что то будет объяснено?


    1. zumrus
      12.08.2025 17:48
      #28703080

      Рекомендую для начала думать о спине как о столбике с числами и не более того (типа, как переменная в программе). Если будете заниматься этим вопросом профессионально, правильная интуиция придёт сама. Если нет -- то и не надо


    1. CaptainFlint
      12.08.2025 17:48
      #28703156

      Для спина не существует простых и понятных аналогий. Изначально это просто собственный момент импульса, как если бы частица вращалась вокруг своей оси. Но свойства этого "вращения" оказываются совершенно дикими и ни на что не похожими. В частности, скорость этого вращения всегда фиксированная и одинаковая для всех частиц этого типа, затормозить или раскрутить сильнее их невозможно. А если попытаться посчитать эту скорость в предположении, что частица — твёрдый шарик, то для многих частиц получатся значения выше скорости света. Ось вращения вообще толком не определена, а подчиняется квантовой "размытости". Попытка измерения спина выравнивает его в одно из нескольких дискретных состояний, завязанных на направление измеряющего магнитного поля; ну и так далее.

      Поэтому в квантовой физике просто рассматривают спин как некую абстракцию, как свойство частицы, подчиняющееся соответствующим формулам.


      1. schubukov71
        12.08.2025 17:48
        #28704222

        Спасибо! Но ведь эта абстракция проявляется в реальных опытах, правильно я понимаю?


        1. CaptainFlint
          12.08.2025 17:48
          #28704352

          Разумеется. Как и вся остальная квантовая механика.


      1. schubukov71
        12.08.2025 17:48
        #28704244

        И ещё , если я правильно понял, спин отвечает за "твердость" частиц, если он полуцелый? А есть какая то связь спина с массой частиц, и если есть, то, как описывает теория, вначале все частицы были безмассовые и, то и спин был целый у всех? Но вроде как из целого нельзя получить полуцелый?


        1. CaptainFlint
          12.08.2025 17:48
          #28704376

          Спин никак не связан с массой. Например, нейтрино, электрон и b-кварк имеют одинаковый спин 1/2, хотя массы у них отличаются на несколько порядков. Про "твёрдость" не могу прокомментировать, так как не знаю, что под ней подразумевается, но тоже вряд ли.

          Частицы с полуцелым и с целым спином ведут себя по разному в определённых ситуациях. С полуцелым — описываются статистикой Ферми–Дирака и называются фермионами, они подчиняются принципу Паули и не могут одновременно занимать идентичные квантовые состояния. Этим объясняется, например, существование электронных оболочек у атомов. Частицы с целым спином описываются статистикой Бозе–Эйнштейна, называются бозонами и могут скатываться в одно коллективное состояние, называющееся Бозе-конденсатом, когда много частиц начинают вести себя как единое целое. Это, пожалуй, самое известное различие.


    1. amazingname
      12.08.2025 17:48
      #28703362

      Да, есть. Это книга Леонарда Саскинда Теоретический минимум по квантовой механике. И потом книга посложнее Иванова Как понимать квантовую механику. Иными словами, год чтения и размышлений и вы в теме.

      Или как вариант можно пытать gpt


      1. schubukov71
        12.08.2025 17:48
        #28704198

        Спасибо Вам! А языковым моделям я не очень доверяю, их ответы будут повторять то, что я и так уже читал.


        1. amazingname
          12.08.2025 17:48
          #28704868

          Насколько я могу судить, ChatGpt хорошо понимает квантовую механику и даже квантовую теорию поля. Если в книге что то непонятно, отлично разжует, вплоть до тонкостей применения математического аппарата.


  1. zumrus
    12.08.2025 17:48
    #28703082

    В тексте неточность. Мюоний -- это когда вы ядро заменяете на \mu^+. А в мюонном атоме вы заменяете электрон


  1. ASY-Lviv
    12.08.2025 17:48
    #28703378

    ASY-Lviv. По теме:- «Почему мы до сих пор не понимаем протон? Как постепенно меняется представление о частице».

    Автор статьи, на  уважаемой площадке Хабр, Юрий Трифонов всегда подкупал прямотой и искренностью! Поэтому это особый гость и тема явно историческая…

    Автор комментария  (после минимум 12 лет экспериментов с электромагнитными волнами в диссипативных средах) приблизился к пониманию фотонной физики и начиная с 1983г и по 1985 год  разработал и доказал истинность его модели ПРОТОНА. Имею право сообщить, что  тонкая структура протона оказалась особенной и многогранной:

    1.      Академик А.М.Балдин (спец по сильно возб. ядерным процессам)  вместе с соавторами объявили о электромагнитной поляризуемости протона. Заявлено, что э/частицы являются протяженными динамически деформируемыми системами. (Весник АН СССР №6, стр.130.)

    2.      Ядерные силы на очень малых расстояниях между нуклонами являются силами отталкивания (Учебник К.Н.Мухин «Экспериментальная ядерная физика», стр. 77, 1977г). А это означает, что оболочки нуклонов заряжены  отрицательно (смотри  атом водорода).

    3.      Плотность заряда и тока (магнитного момента) в нуклоне изменяются плавно и носит экспоненциальный характер (К.Н.Мухин, стр.273.).

    4.      Опыты показывают, что распределение магнитных моментов нейтрона и протона почти одинаковы  и  носят экспоненциальный характер. («Структура протона и нейтрона» Г.Кендал,  В.Пановский, УФН, т.106. в2, стр. 315, 1972 г.).

    5.      Из модельного рисунка 13 работы «Основы амерной астрофизики» следует:

       а/  Протон спице подобная частица!!!

       б/  Состоит из более чем 500 отдельных частиц, которые  имеют внутреннюю силовую структуру (кольцевого типа) и при этом гарантируют неизменность  своих положений.

       с/ Центральный заряд имеет значение плюс, а внешняя оболочка минус. Причем центральный заряд на порядки превосходит условную величину заряда отдельного элемента внешней  оболочки.

        Право на сообщение подтверждено созданием высоко точной теории ядерной модели атомов.  Проведена проверка совпадений  физики результатов спиновых (а также энергетического набора массы) взаимодействий,  представленных  уникальной работой Алан Д. Криш «Столкновения вращающихся протонов» (Вопросы науки, октябрь, №10, 1987 г., стр.12.).

       Для очень любознательных, вынужден сообщить:

    1.      Никаких нуклонов внутри четкой ядерной структуры нет! Вековой бред современников.

    2.      Электроны не вращаются вокруг ядер атомов! Боровская теория отдыхает на погосте.

    3.      Диаметр протона занижен в более чем 66 000 раз! Стыдно за цивилизацию. Нет тонких зарядовых экспериментов (типа установки Гениум с объемной сетью датчиков), тогда не будет  точного ощущения (промеров) геометрии частиц и атомов.

    4.      Слезы мешают писать  с 1932 года, когда физику э/частиц массово поставили на колени:

    Известный переход  из  Wλ=hc; (1)   и получаем    λ=hc/W; (2)  

                     Где W – энергия элементарной частицы или её масса в единицах [еВ],

                       λ – длина волны частицы [метры], h – постоянная Планка,

                       с – стандартная  скорость видимого света.

    Формула 2 годится только для электрона, все остальные частицы составные и внутренние законы перераспределения энергии по слоям и в целом совершенно другие!!! Марш идиотов следует отменить, согласно замечания по п.3.

    Вывод: Все  известно около 40 лет, использовано и фрагментарно опубликовано. Пропитанные  блефом «Стандартной модели» э/частиц, отряды неизлечимо образованных, в очередной раз огорошены новыми фейками официоза…  Это их выбор, поколениями  бездарно умирать  возле грандиозных ускорительных и  глубоко подземных  машин. Уважаемый Юрий Трифонов пытается логически  разгрести  протонную навозную кучу с позиций известных вековых наслоений. Однако честность и ясность 80 лет назад  убежали из  большой, смертельно больной науки.                     13.08.25 г.