Най-малкото вещество в света. Най-готините малки частици в природата

Какво знаем за частиците, по-малки от атом? А коя е най-малката частица във Вселената?

Светът около нас...Кой от нас не се е възхищавал на пленителната му красота? Неговото бездънно нощно небе, осеяно с милиарди мигащи мистериозни звезди и топлината на нежната му слънчева светлина. Изумрудени полета и гори, бурни реки и безбрежни морски простори. Искрящи върхове на величествени планини и пищни алпийски ливади. Утринна роса и славеева трека на зазоряване. Уханна роза и тихо ромонче на поток. Пламтящ залез и нежното шумолене на брезова горичка...

Възможно ли е да се мисли за нещо по-красиво от света около нас?! По-мощен и впечатляващ? И в същото време по-крехка и нежна? Всичко това е светът, в който дишаме, обичаме, радваме се, ликуваме, страдаме и скърбим... Всичко това е нашият свят. Светът, в който живеем, който чувстваме, който виждаме и който поне по някакъв начин разбираме.

Тя обаче е много по-разнообразна и сложна, отколкото може да изглежда на пръв поглед. Знаем, че пищните поляни не биха се появили без фантастичния бунт на безкраен хоровод на гъвкави зелени стръкове трева, буйни дървета, облечени в изумрудени одежди - без много листа по клоните си, и златни плажове - без многобройни искрящи зърна на пясък, хрущящ под боси крака под лъчите на лятното нежно слънце. Голямото винаги се състои от малкото. Малки - от още по-малки. И тази последователност вероятно няма ограничение.

Следователно стръкчетата трева и песъчинките от своя страна се състоят от молекули, образувани от атоми. Атомите, както знаете, са съставени от елементарни частици - електрони, протони и неутрони. Но те, както се смята, не са крайната власт. Съвременната наука твърди, че протоните и неутроните например се състоят от хипотетични енергийни клъстери - кварки. Има предположение, че има още по-малка частица - преонът, която все още е невидима, неизвестна, но предполагаема.

Светът на молекулите, атомите, електроните, протоните, неутроните, фотоните и др. Наречен микросвят. Той е основата макрокосмос- светът на човека и съизмеримите с него величини на нашата планета и мега свят- светът на звездите, галактиките, Вселената и Космоса. Всички тези светове са взаимосвързани и не съществуват един без друг.

Вече се запознахме с мега света в репортажа за първата ни експедиция. „Дъхът на Вселената. Първо пътуване"и вече имаме представа за далечните галактики и Вселената. По време на това опасно пътуване ние открихме света на тъмната материя и тъмната енергия, изследвахме дълбините на черните дупки, достигнахме върховете на блестящите квазари и като по чудо избегнахме Големия взрив и не по-малко Големия срив. Вселената се появи пред нас в цялата си красота и величие. По време на нашето пътуване разбрахме, че звездите и галактиките не са се появили сами, а са били старателно, в продължение на милиарди години, формирани от частици и атоми.

Частиците и атомите изграждат целия свят около нас. Именно те, в техните безбройни и разнообразни комбинации, могат да се появят пред нас или под формата на красива холандска роза, или под формата на тежка купчина тибетски скали. Всичко, което виждаме, се състои от тези мистериозни представители на мистериозното микросвят.Защо "мистериозен" и защо "загадъчен"? Защото човечеството, за съжаление, все още знае много малко за този свят и за неговите представители.

Невъзможно е да си представим съвременната наука за микрокосмоса без да споменем електрона, протона или неутрона. Във всеки справочен материал по физика или химия ще намерим тяхната маса до деветия знак след десетичната запетая, техния електрически заряд, продължителност на живота и т.н. Например, в съответствие с тези справочници, един електрон има маса 9,10938291 (40) x 10 -31 kg, електрически заряд - минус 1,602176565 (35) x 10 -19 C, живот - безкрайност или поне 4,6 x 10 26 години (Уикипедия).

Точността на определяне на параметрите на електрона е впечатляваща, а гордостта от научните постижения на цивилизацията изпълва сърцата ни! Вярно е, че в същото време се прокрадват някои съмнения, които при цялото желание не могат да бъдат напълно прогонени. Определянето на масата на електрон, равна на един милиард - милиард - милиардна част от килограма, и дори претеглянето му до деветия знак след десетичната запетая, смятам, не е никак лесна задача, както и измерването на живота на един електрон при 4 600 000 000 000 000 000 000 000 000 години.

Освен това никой никога не е виждал точно този електрон. Най-модерните микроскопи позволяват да се види само електронен облак около ядрото на атома, в който, както смятат учените, един електрон се движи с голяма скорост (фиг. 1). Все още не знаем със сигурност нито размера на електрона, нито неговата форма, нито скоростта на неговото въртене. В действителност ние знаем много малко за електрона, както и за протона и неутрона. Можем само да спекулираме и да гадаем. За съжаление, за днес това, докато всичките ни възможности.

Ориз. 1. Снимка на електронни облаци, направена от физици от Харковския институт по физика и технологии през септември 2009 г.

Но електронът или протонът са най-малките елементарни частици, които изграждат атом на всяко вещество. И ако нашите технически средства за изучаване на микросвета все още не ни позволяват да видим частици и атоми, може би можем да започнем с нещо относно все по-известни? Например от молекула! Състои се от атоми. Молекулата е по-голям и по-разбираем обект, който е много вероятно да бъде по-задълбочено изследван.

За съжаление отново трябва да ви разочаровам. Молекулите са разбираеми за нас само на хартия под формата на абстрактни формули и чертежи на тяхната предполагаема структура. Все още не можем да получим ясен образ на молекула с ясно изразени връзки между атомите.

През август 2009 г., използвайки технологията на атомно-силовата микроскопия, европейски изследователи за първи път успяха да получат изображение на структурата на доста голяма молекула пентацен (C 22 H 14). Най-модерната технология позволи да се видят само пет пръстена, които определят структурата на този въглеводород, както и петна от отделни въглеродни и водородни атоми (фиг. 2). И това е всичко, което можем да направим за сега...

Ориз. 2. Структурно представяне на молекулата на пентацена (отгоре)

и нейна снимка (по-долу)

От една страна, получените снимки ни позволяват да твърдим, че пътят, избран от химиците, описващ състава и структурата на молекулите, вече не е под съмнение, но, от друга страна, можем само да гадаем, че

Как в крайна сметка става съчетаването на атомите в една молекула, а на елементарните частици – в един атом? Защо тези атомни и молекулни връзки са стабилни? Как се формират, какви сили ги поддържат? Как изглежда електрон, протон или неутрон? Каква е тяхната структура? Какво е атомно ядро? Как протонът и неутронът съжителстват в едно и също пространство и защо отхвърлят електрон от него?

Има много въпроси от този род. Отговорите също. Вярно е, че много отговори се основават само на предположения, които пораждат нови въпроси.

Първите ми опити да проникна в тайните на микросвета се натъкнаха на доста повърхностно представяне от съвременната наука на много фундаментални знания за устройството на обектите на микросвета, за принципите на тяхното функциониране, за системите на техните взаимовръзки и взаимоотношения. Оказа се, че човечеството все още не разбира ясно как е устроено ядрото на атома и съставните му частици - електрони, протони и неутрони. Имаме само общи идеи за това какво всъщност се случва в процеса на делене на атомното ядро, какви събития могат да се случат по време на дългия ход на този процес.

Изследването на ядрените реакции беше ограничено до наблюдение на процесите и установяване на определени причинно-следствени връзки, получени експериментално. Изследователите са се научили да определят само поведениеопределени частици при едно или друго въздействие. Това е всичко! Без да разберем структурата им, без да разкрием механизмите на взаимодействие! Само поведение! Въз основа на това поведение бяха определени зависимостите на определени параметри и за по-голяма важност тези експериментални данни бяха облечени в многостепенни математически формули. Това е цялата теория!

За съжаление това беше достатъчно, за да се пристъпи смело към изграждането на атомни електроцентрали, различни ускорители, колайдери и създаването на ядрени бомби. Получило първични знания за ядрените процеси, човечеството веднага се включи в безпрецедентна надпревара за притежание на мощна енергия, подчинена на това.

Скокообразно нараства броят на страните с ядрени способности в експлоатация. Ядрените ракети в огромни количества гледаха заплашително към недружелюбни съседи. Започнаха да се появяват атомни електроцентрали, които непрекъснато генерираха евтина електрическа енергия. Бяха изразходвани огромни средства за ядрено разработване на все повече и повече нови дизайни. Науката, опитвайки се да погледне вътре в атомното ядро, интензивно изгражда супермодерни ускорители на частици.

Материята обаче не е стигнала до структурата на атома и неговото ядро. Очарованието от търсенето на все повече и повече нови частици и преследването на Нобелова награда изместиха на заден план задълбоченото изследване на структурата на атомното ядро ​​и съставните му частици.

Но повърхностните познания за ядрените процеси веднага се проявиха негативно по време на работата на ядрените реактори и провокираха възникването на спонтанни ядрени верижни реакции в редица ситуации.

Този списък предоставя дати и места за възникване на спонтанни ядрени реакции:

21.08.1945 г. САЩ, Национална лаборатория в Лос Аламос.

21 май 1946 г. САЩ, Национална лаборатория в Лос Аламос.

15.03.1953 г. СССР, Челябинск-65, производствено обединение Маяк.

21.04.1953 г. СССР, Челябинск-65, производствено обединение Маяк.

16.06.1958 г. САЩ, Оук Ридж, радиохимичен завод Y-12.

15.10.1958 г. Югославия, Институт Б. Кидрич.

30 декември 1958 г САЩ, Национална лаборатория в Лос Аламос.

01.03.1963 г. СССР, Томск-7, Сибирски химически комбинат.

23.07.1964 г. САЩ, Woodryver, Радиохимичен завод.

30 декември 1965 г Белгия, Мол.

05.03.1968 г. СССР, Челябинск-70, ВНИИТФ.

10 декември 1968 г СССР, Челябинск-65, производствено обединение Маяк.

26 май 1971 г СССР, Москва, Институт по атомна енергия.

13 декември 1978 г. СССР, Томск-7, Сибирски химически комбинат.

23.09.1983 г. Аржентина, реактор RA-2.

15 май 1997 г Русия, Новосибирск, завод за химически концентрати.

17.06.1997 г. Русия, Саров, ВНИИЕФ.

30.09.1999 г Япония, Токаймура, завод за производство на ядрено гориво.

Към този списък трябва да се добавят многобройни аварии с въздушни и подводни носители на ядрени оръжия, инциденти в предприятия от ядрения горивен цикъл, аварии в атомни електроцентрали, аварии по време на тестването на ядрени и термоядрени бомби. Трагедията на Чернобил и Фукушима ще остане завинаги в нашата памет. Зад тези катастрофи и извънредни ситуации стоят хиляди мъртви хора. И те кара да се замислиш много сериозно.

Самата мисъл за работещи атомни електроцентрали, които моментално могат да превърнат целия свят в непрекъсната радиоактивна зона, е ужасяваща. За съжаление, тези опасения са основателни. На първо място, фактът, че създателите на ядрени реактори в работата си използва не фундаментално знание, а изложение на определени математически зависимости и поведение на частиците, въз основа на които е изградена опасна ядрена структура. За учените досега ядрените реакции са нещо като "черна кутия", която работи при изпълнение на определени действия и изисквания.

Но ако нещо започне да се случва в тази „кутия“ и това „нещо“ не е описано в инструкциите и излиза извън обхвата на получените знания, тогава ние, освен собствения си героизъм и неинтелектуален труд, не можем да се противопоставим на нищо към ядрения елемент, който е избухнал. Маси от хора са принудени просто смирено да чакат предстоящата опасност, да се подготвят за ужасни и неразбираеми последствия, като се преместват на безопасно, според тях, разстояние. Ядрените специалисти в повечето случаи просто вдигат рамене, молят се и чакат помощ от висши сили.

Японски ядрени учени, въоръжени с най-съвременни технологии, все още не могат да обуздаят атомната електроцентрала във Фукушима, която отдавна е изключена. Те могат само да констатират, че на 18 октомври 2013 г. нивото на радиация в подпочвените води е надвишило нормата над 2500 пъти. Ден по-късно нивото на радиоактивните вещества във водата се повишава почти 12 000 пъти! Защо?! Японските специалисти все още не могат да отговорят на този въпрос или да спрат тези процеси.

Рискът от създаване на атомна бомба беше някак оправдан. Напрегнатата военно-политическа обстановка на планетата изискваше безпрецедентни мерки за отбрана и нападение от противоборстващите страни. Подчинявайки се на ситуацията, атомните изследователи поеха рискове, без да се задълбочават в тънкостите на структурата и функционирането на елементарните частици и атомните ядра.

В мирно време обаче трябваше да започне изграждането на атомни електроцентрали и колайдери от всякакъв тип само при условие, Какво науката е разгадала напълно структурата на атомното ядро, и електрона, и неутрона, и протона, и техните взаимоотношения.Освен това ядрените реакции в атомните електроцентрали трябва да бъдат строго контролирани. Но можете наистина и ефективно да управлявате само това, което познавате задълбочено. Особено ако става въпрос за най-мощния вид енергия днес, който никак не е лесен за ограничаване. Това, разбира се, не се случва. Не само по време на строителството на атомни електроцентрали.

В момента в Русия, Китай, САЩ и Европа работят 6 различни колайдера - мощни ускорители на насрещни потоци от частици, които ги ускоряват до голяма скорост, давайки на частиците висока кинетична енергия, за да ги избутат една в друга. Целта на сблъсъка е да се изследват продуктите от сблъсъци на частици с надеждата, че в процеса на тяхното разпадане ще бъде възможно да се види нещо ново и все още непознато.

Ясно е, че изследователите са много заинтересовани да видят какво ще излезе от всичко това. Скоростта на сблъсъците на частици и нивото на финансиране за научни изследвания се увеличават, но знанията за структурата на това, което се сблъсква, остават същите от много, много години. Все още няма обосновани прогнози за резултатите от планираните изследвания и не може да има. Не случайно. Ние добре знаем, че е възможно да се предвиди научно само при условие на точно и проверено познаване на поне детайлите на прогнозирания процес. Съвременната наука все още не разполага с такива знания за елементарните частици. В този случай може да се приеме, че основният принцип на съществуващите методи на изследване е позицията: "Нека се опитаме да го направим - да видим какво ще се случи." За жалост.

Ето защо е съвсем естествено, че днес все по-често се обсъждат въпроси, свързани с опасността от продължаващите експерименти. Не става въпрос дори за възможността в хода на експериментите да се появят микроскопични черни дупки, които, нараствайки, могат да погълнат нашата планета. Не вярвам много в подобна възможност, поне на сегашното ниво и етап от моето интелектуално развитие.

Но има по-сериозна и по-реална опасност. Например в Големия адронен колайдер потоци от протони или оловни йони се сблъскват в различни конфигурации. Изглежда, каква заплаха може да дойде от микроскопична частица и дори под земята, в тунел, обвит в мощна метална и бетонна защита? Частица с тегло 1,672 621 777 (74) x 10 -27 kg и солиден многотонен тунел с повече от 26 километра в дебелината на тежка почва са очевидно несравними категории.

Заплахата обаче съществува. При провеждане на експерименти е много вероятно да има неконтролирано освобождаване на огромно количество енергия, което ще се появи не само в резултат на разпадането на вътрешноядрените сили, но и на енергията, разположена вътре в протони или оловни йони. Ядрена експлозия на съвременна балистична ракета, базирана на освобождаването на вътрешноядрената енергия на атома, няма да изглежда по-ужасна от новогодишен крекер в сравнение с най-мощната енергия, която може да се освободи по време на унищожаването на елементарни частици. Можем внезапно да пуснем приказния джин от бутилката. Но не онзи сговорчив добродушен и майстор на всичко, който само се подчинява и подчинява, а неконтролируемо, всемогъщо и безмилостно чудовище, което не познава милост и милост. И няма да е приказно, а съвсем реално.

Но най-лошото е, че както в ядрена бомба, в колайдера може да започне верижна реакция, която освобождава все повече и повече порции енергия и унищожава всички останали елементарни частици. В същото време няма никакво значение от какво ще се състоят - метални конструкции на тунела, бетонни стени или скали. Енергията ще се освободи навсякъде, разкъсвайки всичко, което е свързано не само с нашата цивилизация, но и с цялата планета. В един миг от нашата сладка синя красота могат да останат само жалки безформени парчета, летящи през големите и необятни простори на Вселената.

Това, разбира се, е ужасен, но съвсем реален сценарий и много европейци днес разбират това много добре и активно се противопоставят на опасни непредвидими експерименти, изискващи сигурността на планетата и цивилизацията. Всеки път тези изказвания са все по-организирани и засилват вътрешната загриженост за настоящата ситуация.

Не съм против експериментите, защото много добре разбирам, че пътят към новите знания винаги е трънлив и труден. Без експерименти е почти невъзможно да го преодолеете. Въпреки това съм дълбоко убеден, че всеки експеримент трябва да се провежда само ако е безопасен за хората и околния свят. Днес нямаме такава сигурност. Не, защото няма знания за онези частици, с които вече експериментираме днес.

Ситуацията се оказа много по-тревожна, отколкото си представях преди. Сериозно притеснен, се потопих с глава в света на знанието за микросвета. Признавам, че това не ми достави особено удоволствие, тъй като в развитите теории за микросвета беше трудно да се улови ясна връзка между природните явления и заключенията, на които се основават някои учени, използвайки теоретичните положения на квантовата физика, квантовата механика и теорията на елементарните частици като изследователски апарат.

Представете си изумлението ми, когато внезапно открих, че знанията за микрокосмоса се основават повече на предположения, които нямат ясни логически обосновки. Имайки наситени математически модели с някои конвенции под формата на константа на Планк с константа над тридесет нули след десетичната запетая, различни забрани и постулати, теоретиците обаче описват достатъчно подробно и точно адали практически ситуации, които отговарят на въпроса: "Какво ще стане, ако ...?". Основният въпрос обаче: „Защо се случва това?“, за съжаление, остана без отговор.

Струваше ми се, че познаването на безграничната Вселена и нейните толкова далечни галактики, разположени на фантастично огромно разстояние, е много по-трудно, отколкото да се намери пътят на знанието към това, което всъщност „лежи под краката ни“. Въз основа на основата на моето средно и висше образование, аз искрено вярвах, че нашата цивилизация вече няма въпроси нито за структурата на атома и неговото ядро, нито за елементарните частици и тяхната структура, нито за силите, които държат електрона в орбита и поддържат стабилна връзка на протони и неутрони в ядрото на атома.

До този момент не ми се беше налагало да изучавам основите на квантовата физика, но бях уверен и наивно предполагах, че тази нова физика е това, което наистина ще ни изведе от тъмнината на неразбирането на микросвета.

Но, за мое дълбоко огорчение, сгреших. Съвременната квантова физика, физиката на атомното ядро ​​и елементарните частици, а всъщност и цялата физика на микрокосмоса според мен не просто са в плачевно състояние. Те са заседнали в интелектуална безизходица за дълго време, което не им позволява да се развиват и усъвършенстват, движейки се по пътя на познанието на атома и елементарните частици.

Изследователите на микрокосмоса, строго ограничени от установената непоклатимост на възгледите на големите теоретици от 19-ти и 20-ти век, повече от сто години не смеят да се върнат към корените си и да започнат отново трудния път на изследване на дълбините. на заобикалящия ни свят. Критичният ми поглед към настоящата ситуация около изучаването на микросвета далеч не е единственият. Много прогресивни изследователи и теоретици многократно са изразявали своята гледна точка по проблемите, които възникват в хода на разбирането на основите на теорията на атомното ядро ​​и елементарните частици, квантовата физика и квантовата механика.

Анализът на съвременната теоретична квантова физика ни позволява да направим съвсем определено заключение, че същността на теорията се крие в математическото представяне на определени осреднени стойности на частици и атоми, въз основа на показателите на някои механистични статистики. Основното нещо в теорията не е изучаването на елементарните частици, тяхната структура, техните връзки и взаимодействия при проявата на определени природни явления, а опростени вероятностни математически модели, базирани на зависимостите, получени по време на експериментите.

За съжаление и тук, както и при развитието на теорията на относителността, на първо място бяха поставени изведените математически зависимости, които засенчиха природата на явленията, тяхната взаимовръзка и причините за възникване.

Изследването на структурата на елементарните частици беше ограничено до предположението за наличието на три хипотетични кварка в протоните и неутроните, чиито разновидности, с развитието на това теоретично предположение, се промениха от две, след това три, четири, шест, дванадесет .. Науката просто се адаптира към резултатите от експериментите, принудени да измислят нови елементи, чието съществуване все още не е доказано. Тук можем да чуем и за преони и гравитони, които все още не са открити. Човек може да бъде сигурен, че броят на хипотетичните частици ще продължи да расте, тъй като науката за микросвета отива все по-дълбоко и по-дълбоко в задънена улица.

Липсата на разбиране на физическите процеси, протичащи вътре в елементарните частици и ядрата на атомите, механизма на взаимодействие на системите и елементите на микрокосмоса доведоха до хипотетични елементи - носители на взаимодействие - като калибровъчни и векторни бозони, глуони, виртуални фотони. арена на съвременната наука. Именно те оглавиха списъка на образуванията, отговорни за процесите на взаимодействие на едни частици с други. И няма значение, че дори косвените им признаци не са открити. Важно е те по някакъв начин да бъдат държани отговорни за факта, че ядрото на атома не се разпада, че Луната не пада на Земята, че електроните все още се въртят в орбитата си и магнитното поле на планетата все още предпазва ни от космическо влияние.

От всичко това стана тъжно, защото колкото повече се задълбочавах в теорията за микрокосмоса, толкова повече нарастваше разбирането ми за задъненото развитие на най-важния компонент от теорията за устройството на света. Позицията на днешната наука за микрокосмоса не е случайна, а естествена. Факт е, че основите на квантовата физика са положени от носителите на Нобелова награда Макс Планк, Алберт Айнщайн, Нилс Бор, Ервин Шрьодингер, Волфганг Паули и Пол Дирак в края на деветнадесети и началото на двадесети век. Физиците по това време разполагат само с резултатите от някои първоначални експерименти, насочени към изучаване на атоми и елементарни частици. Все пак трябва да се признае, че тези изследвания също са проведени на несъвършено оборудване, съответстващо на това време, и експерименталната база данни едва започва да се попълва.

Ето защо не е изненадващо, че класическата физика не винаги може да отговори на многобройните въпроси, възникнали в хода на изучаването на микросвета. Ето защо в началото на ХХ век в научния свят започнаха да говорят за кризата на физиката и необходимостта от революционни промени в системата на изследване на микросвета. Тази разпоредба определено тласна прогресивните теоретични учени да търсят нови начини и нови методи за познаване на микросвета.

Проблемът, трябва да отдадем почит, не беше в остарелите разпоредби на класическата физика, а в неразвитата техническа база, която по това време, което е съвсем разбираемо, не можеше да осигури необходимите резултати от изследванията и да даде храна за по-дълбоки теоретични разработки. Празнината трябваше да бъде запълнена. И се напълни. Нова теория - квантовата физика, базирана предимно на вероятностни математически концепции. В това нямаше нищо лошо, освен че по този начин те забравиха философията и се откъснаха от реалния свят.

Класически представи за атома, електрона, протона, неутрона и др. бяха заменени от техните вероятностни модели, които съответстваха на определено ниво на развитие на науката и дори направиха възможно решаването на много сложни приложни инженерни проблеми. Липсата на необходимата техническа база и някои успехи в теоретичното и експериментално представяне на елементите и системите на микрокосмоса създадоха условия за известно охлаждане на научния свят към задълбочено изследване на структурата на елементарните частици, атомите и техните ядра. . Особено след като кризата във физиката на микрокосмоса изглеждаше потушена, беше настъпила революция. Научната общност с ентусиазъм се втурна към изучаването на квантовата физика, без да си прави труда да разбере основите на елементарните и фундаменталните частици.

Естествено, такава ситуация в съвременната наука за микросвета не можеше да не ме развълнува и аз веднага започнах да се подготвям за нова експедиция, за ново пътуване. Пътуване в микрокосмоса. Ние вече направихме подобно пътуване. Това беше първото пътуване до света на галактиките, звездите и квазарите, до света на тъмната материя и тъмната енергия, до света, където нашата Вселена се ражда и живее пълноценен живот. В доклада си „Дъхът на Вселената. Първо пътуване» Опитахме се да разберем структурата на Вселената и процесите, които протичат в нея.

Осъзнавайки, че второто пътуване също няма да е лесно и ще изисква милиарди трилиони пъти, за да намаля мащаба на пространството, в което ще трябва да изучавам света около мен, започнах да се подготвям да проникна не само в структурата на атома или молекула, но и в дълбините на електрона и протона, неутрона и фотона, и то в обеми милиони пъти по-малки от обемите на тези частици. Това изисква специално обучение, нови знания и съвременно оборудване.

Предстоящото пътуване предполагаше начало от самото начало на създаването на нашия свят и именно това начало беше най-опасното и с най-непредсказуем изход. Но от нашата експедиция зависеше дали ще намерим изход от сегашната ситуация в науката за микросвета или ще останем да балансираме върху нестабилния въжен мост на съвременната ядрена енергия, всяка секунда разкривайки живота и съществуването на цивилизацията на планета до смъртна опасност.

Работата е там, че за да се запознаем с първоначалните резултати от нашето изследване, беше необходимо да стигнем до черната дупка на Вселената и, пренебрегвайки чувството за самосъхранение, да се втурнем в пламтящия ад на универсалния тунел. Само там, в условията на свръхвисоки температури и фантастично налягане, внимателно движейки се в бързо въртящите се потоци от материални частици, можехме да видим как се извършва анихилацията на частиците и античастиците и как великият и могъщ прародител на всички неща - Етерът, се преражда, за да разбере всички протичащи процеси, включително образуването на частици, атоми и молекули.

Повярвайте ми, няма толкова много смелчаци на Земята, които могат да решат това. Освен това резултатът не е гарантиран от никого и никой не е готов да поеме отговорност за успешния резултат от това пътуване. По време на съществуването на цивилизацията никой дори не е посещавал черната дупка на галактиката, но тук - ВСЕЛЕНА!Всичко тук е пораснало, грандиозно и с космически мащаб. Тук няма шеги. Тук за миг те могат да превърнат човешкото тяло в микроскопичен нажежен енергиен съсирек или да го разпръснат из безкрайните студени простори на космоса без право на възстановяване и обединяване. Това е Вселената! Огромни и величествени, студени и нажежени, необятни и загадъчни...

Затова, канейки всички да се присъединят към нашата експедиция, трябва да ви предупредя, че ако някой има съмнения, не е късно да откаже. Всякакви причини се приемат. Напълно осъзнаваме мащаба на опасността, но сме готови смело да се изправим срещу нея на всяка цена! Готвим се да се гмурнем в дълбините на Вселената.

Ясно е, че да се защитим и да останем живи, потапяйки се в горещ универсален тунел, изпълнен с мощни експлозии и ядрени реакции, далеч не е лесна задача и нашето оборудване трябва да съответства на условията, в които ще трябва да работим. Ето защо е наложително да подготвите най-доброто оборудване и внимателно да обмислите оборудването за всички участници в тази опасна експедиция.

На първо място, при второто пътуване ще вземем това, което ни позволи да преодолеем много труден път през просторите на Вселената, когато работехме върху доклад за нашата експедиция. „Дъхът на Вселената. Първо пътуване.Разбира се, това законите на света. Без тяхното приложение първото ни пътуване едва ли щеше да завърши успешно. Именно законите позволиха да се намери правилният път сред купищата неразбираеми явления и съмнителните заключения на изследователите в тяхното обяснение.

ако си спомняте, закон за баланса на противоположностите,предопределяйки, че в света всяко проявление на реалността, всяка система има своята противоположна същност и е или се стреми да бъде в баланс с нея, ни позволи да разберем и приемем присъствието в света около нас, освен обикновена енергия, също и тъмна енергия , а също, в допълнение към обикновената материя, тъмна материя. Законът за баланса на противоположностите позволи да се приеме, че светът не само се състои от етер, но и етерът се състои от двата си вида - положителен и отрицателен.

Законът за универсалната взаимосвързаност, което предполага стабилна, повтаряща се връзка между всички обекти, процеси и системи във Вселената, независимо от техния мащаб, и закон на йерархията, подреждайки нивата на всяка система във Вселената от най-ниското до най-високото, направи възможно изграждането на логична „стълба от същества“ от етера, частиците, атомите, веществата, звездите и галактиките до Вселената. И след това да намерите начини да трансформирате невероятно огромен брой галактики, звезди, планети и други материални обекти, първо в частици, а след това в потоци горещ етер.

Намерихме потвърждение на тези възгледи в действие. закон на развитието, което определя еволюционното движение във всички сфери на заобикалящия ни свят. Чрез анализа на действието на тези закони стигнахме до описание на формата и разбиране на структурата на Вселената, научихме еволюцията на галактиките, видяхме механизмите на образуване на частици и атоми, звезди и планети. Стана ни напълно ясно как от малкото се образува голямото, а от голямото – малкото.

Само разбиране закон за непрекъснатост на движението, който тълкува обективната необходимост от процеса на постоянно движение в пространството за всички обекти и системи без изключение, ни позволи да стигнем до осъзнаването на въртенето на ядрото на Вселената и галактиките около универсалния тунел.

Законите на структурата на света бяха своеобразна карта на нашето пътуване, която ни помогна да се движим по маршрута и да преодолеем най-трудните му участъци и препятствия, срещани по пътя към разбирането на света. Следователно законите на устройството на света също ще бъдат най-важният атрибут на нашето оборудване в това пътуване в дълбините на Вселената.

Второто важно условие за успеха на проникването в дълбините на Вселената, разбира се, ще бъде експериментални резултатиучени, които те държаха повече от сто години, и цялата запас от знания и информация за явления микросвятнатрупани от съвременната наука. По време на първото пътуване се убедихме, че много природни явления могат да се тълкуват по различен начин и да се правят напълно противоположни изводи.

Погрешните заключения, подкрепени от тромави математически формули, като правило водят науката в задънена улица и не осигуряват необходимото развитие. Те полагат основата за по-нататъшно погрешно мислене, което от своя страна формира теоретичните положения на развитите погрешни теории. Не става въпрос за формули. Формулите могат да бъдат абсолютно правилни. Но решенията на изследователите за това как и по какъв път да се движат напред може да не са съвсем правилни.

Ситуацията може да се сравни с желанието да стигнете от Париж до летище Шарл дьо Гол по два пътя. Първият е най-краткият, за който може да се отдели не повече от половин час само с кола, а вторият е точно обратното, около света с кола, кораб, специално оборудване, лодки, кучешки впрягове през Франция, Атлантика, Южна Америка, Антарктика, Тихия океан, Арктика и накрая през североизточната част на Франция директно до летището. И двата пътя ще ни водят от една точка до едно и също място. Но колко дълго и с какви усилия? Да, и да бъдем точни и да стигнем до дестинацията в процеса на дълго и трудно пътуване е много проблематично. Следователно не само процесът на движение е важен, но и изборът на правилния път.

В нашето пътуване, както и в първата експедиция, ние ще се опитаме да погледнем малко по-различно на изводите за микрокосмоса, които вече са направени и приети от целия научен свят. На първо място, във връзка със знанията, получени в резултат на изучаване на елементарни частици, ядрени реакции и съществуващи взаимодействия. Напълно възможно е в резултат на нашето потапяне в дълбините на Вселената електронът да се появи пред нас не като безструктурна частица, а като някакъв по-сложен обект на микрокосмоса, а атомното ядро ​​да разкрие своята разнообразна структура, живеейки своя необичаен и активен живот.

Нека не забравяме да вземем логиката със себе си. Това ни позволи да намерим пътя си през най-трудните места от последното ни пътуване. Логикибеше вид компас, показващ посоката на правилния път по време на пътуване през просторите на Вселената. Ясно е, че и сега не можем без него.

Една логика обаче явно няма да е достатъчна. В тази експедиция не можем без интуиция. Интуициятаще ни позволи да открием това, за което все още дори не можем да предполагаме и където никой не е търсил нищо преди нас. Именно интуицията е нашият прекрасен помощник, в чийто глас ще се вслушаме внимателно. Интуицията ще ни кара да се движим, независимо от дъжд и студ, сняг и мраз, без твърда надежда и ясна информация, но именно тя ще ни позволи да постигнем целта си въпреки всички правила и насоки, с които цялото човечество е свикнало от ученическата скамейка.

И накрая, не можем да отидем никъде без нашето необуздано въображение. Въображение- това е инструментът на познанието, от който се нуждаем, който ще ни позволи да видим без най-модерните микроскопи това, което е много по-малко от най-малките частици, които вече са открити или само се предполага от изследователите. Въображението ще ни покаже всички процеси, които се случват в черна дупка и в универсален тунел, ще осигури механизми за възникване на гравитационни сили по време на образуването на частици и атоми, ще ни преведе през галериите на ядрото на атома и ще направи възможно направете завладяващ полет на лек въртящ се електрон около солидна, но тромава компания от протони и неутрони в атомното ядро.

За съжаление, на това пътуване в дълбините на Вселената няма да можем да вземем нищо друго - има много малко място и трябва да се ограничим дори до най-необходимите неща. Но това не може да ни спре! Разбираме целта! Дълбините на Вселената ни очакват!

Светът и науката никога не стоят на едно място. Съвсем наскоро в учебниците по физика те уверено написаха, че електронът е най-малката частица. Тогава мезоните станаха най-малките частици, след това бозоните. И сега науката откри ново най-малката частица във Вселенатае черна дупка на Планк. Вярно е, че засега е отворен само на теория. Тази частица принадлежи към категорията на черните дупки, защото нейният гравитационен радиус е по-голям или равен на дължината на вълната. От всички съществуващи черни дупки, Планковата е най-малката.

Твърде краткият живот на тези частици не може да направи възможно практическото им откриване. Поне засега. И те се образуват, както обикновено се смята, в резултат на ядрени реакции. Но не само животът на черните дупки на Планк пречи да бъдат открити. Сега, за съжаление, това не е възможно от техническа гледна точка. За да се синтезират черните дупки на Планк, е необходим енергиен ускорител с повече от хиляда електронволта.

Видео:

Въпреки такова хипотетично съществуване на тази най-малка частица във Вселената, нейното практическо откриване в бъдеще е напълно възможно. В крайна сметка не толкова отдавна легендарният бозон на Хигс също не можеше да бъде открит. Именно за да го открие е създадена инсталация, за която само най-мързеливият жител на Земята не е чувал - Големият адронен колайдер. Увереността на учените в успеха на тези изследвания помогна да се постигне сензационен резултат. Хигс бозонът в момента е най-малката частица от онези, чието съществуване е практически доказано. Неговото откритие е много важно за науката, то позволи на всички частици да придобият маса. И ако частиците нямаха маса, Вселената не би могла да съществува. В него не може да се образува нито едно вещество.

Въпреки практическото доказано съществуване на тази частица, Хигс бозона, все още не са измислени практически приложения за нея. Засега това са само теоретични знания. Но всичко е възможно в бъдеще. Не всички открития в областта на физиката веднага имаха практическо приложение. Никой не знае какво ще се случи след сто години. В крайна сметка, както споменахме по-рано, светът и науката никога не стоят на едно място.

Във физиката елементарните частици са физически обекти в мащаба на ядрото на атома, които не могат да бъдат разделени на съставни части. Днес обаче учените успяха да разделят някои от тях. Структурата и свойствата на тези най-малки обекти се изучават от физиката на елементарните частици.

Най-малките частици, които изграждат цялата материя, са известни от древни времена. За основатели на т. нар. "атомизъм" обаче се считат философът на Древна Гърция Левкип и неговият по-известен ученик Демокрит. Предполага се, че последният е въвел термина "атом". От старогръцки "атомос" се превежда като "неделим", което определя възгледите на древните философи.

По-късно стана известно, че атомът все още може да бъде разделен на два физически обекта - ядрото и електрона. Последната впоследствие става първата елементарна частица, когато през 1897 г. англичанинът Джоузеф Томсън провежда експеримент с катодни лъчи и разкрива, че те са поток от еднакви частици с еднаква маса и заряд.

Паралелно с работата на Томсън, Анри Бекерел, който се занимава с изследване на рентгеновата радиация, провежда експерименти с уран и открива нов тип радиация. През 1898 г. двойка френски физици, Мария и Пиер Кюри, изследват различни радиоактивни вещества, откривайки същото радиоактивно излъчване. По-късно ще се установи, че се състои от алфа (2 протона и 2 неутрона) и бета частици (електрони), а Бекерел и Кюри ще получат Нобелова награда. Извършвайки изследванията си с елементи като уран, радий и полоний, Мария Склодовска-Кюри не е взела никакви мерки за безопасност, включително дори не е използвала ръкавици. В резултат на това през 1934 г. тя е застигната от левкемия. В памет на постиженията на великия учен, елементът, открит от двойката Кюри, полоний, е кръстен на родината на Мария - Polonia, от латински - Полша.

Снимка от 5-ия конгрес на Солвей, 1927 г. Опитайте се да намерите всички учени от тази статия на тази снимка.

От 1905 г. Алберт Айнщайн посвещава публикациите си на несъвършенството на вълновата теория на светлината, чиито постулати се разминават с резултатите от експериментите. Което впоследствие доведе изключителния физик до идеята за "светлинен квант" - част от светлината. По-късно, през 1926 г., той е наречен "фотон", преведен от гръцки "phos" ("светлина"), от американския физиохимик Гилбърт Н. Луис.

През 1913 г. британският физик Ърнест Ръдърфорд, въз основа на резултатите от вече проведени експерименти, отбелязва, че масите на ядрата на много химични елементи са кратни на масата на водородното ядро. Поради това той предположи, че водородното ядро ​​е съставна част на ядрата на други елементи. В своя експеримент Ръдърфорд облъчва азотен атом с алфа частици, които в резултат излъчват определена частица, наречена от Ърнест като "протон", от други гръцки "протос" (първи, основен). По-късно беше експериментално потвърдено, че протонът е ядрото на водорода.

Очевидно протонът не е единственият компонент на ядрата на химичните елементи. Тази идея се ръководи от факта, че два протона в ядрото ще се отблъскват взаимно и атомът ще се разпадне моментално. Затова Ръдърфорд излага хипотеза за наличието на друга частица, която има маса, равна на масата на протона, но е незаредена. Някои експерименти на учените върху взаимодействието на радиоактивни и по-леки елементи ги доведоха до откриването на друго ново лъчение. През 1932 г. Джеймс Чадуик установи, че се състои от същите неутрални частици, които той нарече неутрони.

Така са открити най-известните частици: фотон, електрон, протон и неутрон.

Освен това откриването на нови субядрени обекти става все по-често събитие и в момента са известни около 350 частици, които се считат за "елементарни". Тези от тях, които все още не са успели да се разделят, се считат за безструктурни и се наричат ​​"фундаментални".

Какво е спин?

Преди да се пристъпи към по-нататъшни иновации в областта на физиката, е необходимо да се определят характеристиките на всички частици. Най-известният, освен маса и електрически заряд, включва и спин. Тази стойност се нарича иначе "собствен ъглов момент" и по никакъв начин не е свързана с изместването на субядрения обект като цяло. Учените са успели да открият частици със завъртания 0, ½, 1, 3/2 и 2. За да визуализирате, макар и опростено, завъртането като свойство на обект, разгледайте следния пример.

Нека обектът има въртене, равно на 1. Тогава такъв обект, когато се завърти на 360 градуса, ще се върне в първоначалната си позиция. В самолет този обект може да бъде молив, който след завъртане на 360 градуса ще бъде в първоначалната си позиция. В случай на нулево въртене, при всяко завъртане на обекта, той винаги ще изглежда по същия начин, например едноцветна топка.

За завъртане ½ ще ви е необходим артикул, който запазва външния си вид при завъртане на 180 градуса. Може да бъде един и същ молив, само симетрично смлян от двете страни. Завъртане от 2 ще изисква поддържане на формата чрез завъртане на 720 градуса, докато 3/2 ще изисква 540.

Тази характеристика е от голямо значение за физиката на елементарните частици.

Стандартен модел на частиците и взаимодействията

Имайки впечатляващ набор от микрообекти, които изграждат света около нас, учените решават да ги структурират, така че се формира добре известна теоретична конструкция, наречена „Стандартен модел“. Тя описва три взаимодействия и 61 частици, използвайки 17 фундаментални, някои от които е предсказала много преди откритието си.

Трите взаимодействия са:

• Електромагнитна. Възниква между електрически заредени частици. В един прост случай, познат от училище, противоположно заредените обекти се привличат, а обектите със същото име се отблъскват. Това се случва чрез така наречения носител на електромагнитно взаимодействие - фотон.
• Силно, иначе – ядрено взаимодействие. Както подсказва името, действието му се простира до обекти от порядъка на атомното ядро, той е отговорен за привличането на протони, неутрони и други частици, също състоящи се от кварки. Силната сила се носи от глуони.
• слаб. Работи на разстояния, хиляда по-малки от размера на ядрото. Това взаимодействие включва лептони и кварки, както и техните античастици. Освен това, в случай на слабо взаимодействие, те могат да се трансформират един в друг. Носителите са бозоните W+, W− и Z0.

И така, стандартният модел се формира по следния начин. Той включва шест кварка, които изграждат всички адрони (частици, обект на силно взаимодействие):

• Горна (u);
• Омагьосан (c);
• вярно (t);
• по-ниска (d);
• странен(и);
• Очарователен (b).

Вижда се, че физиците нямат епитети. Останалите 6 частици са лептони. Това са фундаментални частици със спин ½, които не участват в силното взаимодействие.

• Електрон;
• Електронно неутрино;
• Мюон;
• мюонно неутрино;
• Тау лептон;
• Тау неутрино.

И третата група от Стандартния модел са калибровъчните бозони, които имат спин равен на 1 и са представени като носители на взаимодействия:

• Глуонът е силен;
• Фотон - електромагнитен;
• Z-бозонът е слаб;
• W-бозонът е слаб.

Те включват и наскоро откритата частица със спин 0, която, казано по-просто, придава на всички останали субядрени обекти инерционна маса.

В резултат на това според Стандартния модел нашият свят изглежда така: цялата материя се състои от 6 кварка, които образуват адрони и 6 лептона; всички тези частици могат да участват в три взаимодействия, чиито носители са калибровъчни бозони.

Недостатъци на стандартния модел

Въпреки това, дори преди откриването на бозона на Хигс, последната частица, предвидена от Стандартния модел, учените са отишли ​​отвъд него. Ярък пример за това е т.нар. „гравитационно взаимодействие“, което днес е наравно с др. Предполага се, че неговият носител е частица със спин 2, която няма маса и която физиците все още не са успели да открият - "гравитонът".

Освен това Стандартният модел описва 61 частици, а днес повече от 350 частици са известни на човечеството. Това означава, че работата на теоретичните физици не е приключила.

Класификация на частиците

За да улеснят живота си, физиците са групирали всички частици според тяхната структура и други характеристики. Класификацията се основава на следните характеристики:

• Живот.
  1. Стабилен. Сред тях са протон и антипротон, електрон и позитрон, фотон, а също и гравитон. Съществуването на стабилни частици не е ограничено от времето, стига да са в свободно състояние, т.е. не взаимодействайте с нищо.
  2. Нестабилна. Всички останали частици след известно време се разпадат на съставните си части, поради което се наричат ​​нестабилни. Например един мюон живее само 2,2 микросекунди, а протонът живее 2,9 10*29 години, след което може да се разпадне на позитрон и неутрален пион.
• Тегло.
  1. Безмасови елементарни частици, от които има само три: фотон, глуон и гравитон.
  2. Масивните частици са всичко останало.
• Стойност на завъртане.
  1. Цяло завъртане, вкл. нула, имат частици, наречени бозони.
  2. Частиците с полуцяло спин са фермиони.
• Участие във взаимодействия.
  1. Адроните (структурните частици) са субядрени обекти, които участват и в четирите типа взаимодействия. Беше споменато по-рано, че те са изградени от кварки. Адроните се делят на два подвида: мезони (с цяло число, са бозони) и бариони (с полуцяло въртене - фермиони).
  2. Фундаментални (безструктурни частици). Те включват лептони, кварки и калибровъчни бозони (прочетете по-рано - "Стандартен модел ..").

След като се запознаете с класификацията на всички частици, е възможно например да определите точно някои от тях. Така че неутронът е фермион, адрон или по-скоро барион и нуклон, тоест има полуцяло спин, състои се от кварки и участва в 4 взаимодействия. Нуклон е общоприетото име за протони и неутрони.

• Интересно е, че противниците на атомизма на Демокрит, които предсказаха съществуването на атоми, заявиха, че всяко вещество в света е делимо до безкрайност. До известна степен те може да се окажат прави, тъй като учените вече са успели да разделят атома на ядро ​​и електрон, ядрото на протон и неутрон, а те от своя страна на кварки.
• Демокрит приема, че атомите имат ясна геометрична форма и следователно „острите“ атоми на огъня горят, грубите атоми на твърдите вещества се държат здраво заедно от техните издатини, а гладките атоми на водата се плъзгат по време на взаимодействие, в противен случай те текат.
• Джоузеф Томсън прави свой собствен модел на атома, който си представя като положително заредено тяло, в което електроните са сякаш "залепени". Неговият модел се казваше "пудинг със стафиди" (Plum pudding model).
• Кварките са получили името си от американския физик Мъри Гел-Ман. Ученият искаше да използва дума, подобна на звука на крякане на патица (kwork). Но в романа на Джеймс Джойс „Бъдене по Финеган“ срещнах думата „кварк“ в реда „Три кварка за г-н Марк!“, чието значение не е точно определено и е възможно Джойс да я е използвал просто за рима. Мъри решава да назове частиците с тази дума, тъй като по това време са били известни само три кварка.
• Въпреки че фотоните, частици светлина, са безмасови, близо до черна дупка, те изглежда променят траекторията си, бивайки привлечени от нея с помощта на гравитационно взаимодействие. Всъщност свръхмасивното тяло огъва пространство-времето, поради което всякакви частици, включително тези без маса, променят траекторията си към черна дупка (виж).
• Големият адронен колайдер е „адронен“ именно защото сблъсква два насочени лъча адрони, частици с размери от порядъка на ядрото на атом, които участват във всички взаимодействия.

На въпроса Коя е най-малката частица във Вселената? Кварк, неутрино, Хигс бозон или черна дупка на Планк? дадено от автора кавказканай-добрият отговор е, че всички фундаментални частици имат размер нула (радиусът е нула). По тегло. Има частици с нулева маса (фотон, глуон, гравитон). От масивните неутрино имат най-малка маса (по-малко от 0,28 eV / s ^ 2, по-точно те все още не са измерени). Честота, време - не са характеристики на частиците. Можете да говорите за времената от живота, но това е различен разговор.

Отговор от бод[гуру]
Моск Зеробубус.

Отговор от Михаил Левин[гуру]
всъщност в микросвета практически няма понятие за „размер“. Е, за ядрото все още може да се говори за някакъв аналог на размера, например чрез вероятността електрони да попаднат в него от лъча, но не и за по-малките.

Отговор от да кръстя[гуру]
"размер" на елементарна частица - характеристика на частица, отразяваща пространственото разпределение на нейната маса или електрически заряд; обикновено говорят за т.нар. средноквадратичен радиус на разпределението на електрическия заряд (който едновременно характеризира разпределението на масата)
Калибровъчните бозони и лептони, в рамките на точността на извършените измервания, не разкриват крайни "размери". Това означава, че техните "размери"< 10^-16 см
За разлика от истинските елементарни частици, адронните "измерения" са крайни. Техният характерен средноквадратичен радиус се определя от радиуса на задържане (или задържане на кварките) и е равен по големина на 10-13 см. В този случай, разбира се, той варира от адрон до адрон.

Отговор от Кирил Одинг[гуру]
Един от великите физици каза (не Нилс Бор за един час?) "Ако успеете да обясните квантовата механика с визуални термини, отидете и вземете своята Нобелова награда."

Отговор от Серкод Сергей Поликанов[гуру]
Коя е най-малката елементарна частица във Вселената?
Елементарни частици, създаващи гравитационен ефект.
Дори по-малко?
Елементарни частици, които привеждат в движение тези, които създават гравитационен ефект
но и те участват в него.
Има още по-малки елементарни частици.
Техните параметри дори не се вписват в изчисленията, тъй като структурите и техните физически параметри са неизвестни.

Отговор от Миша Никитин[активен]
КВАРК

Отговор от Матипати Кипирофинович[активен]
ЧЕРНАТА ДУПКА НА ПЛАНКО

Отговор от Братко qwerty[новак]
Кварките са най-малките частици в света. За Вселената няма понятие за размер, тя е безгранична. Ако изобретите машина за намаляване на човек, тогава ще бъде възможно да намалявате безкрайно по-малко, по-малко, по-малко ... Да, Кварк е най-малката "Частица" Но има нещо по-малко от частица. пространство. Не. То има. размер.

Отговор от Антон Курочка[активен]
Протонен неутрон 1*10^-15 1 фемтометър
Quark-U Quark-D Electron 1*10^-18 1 атометър
Quark-S 4*10^-19 400 зептометъра
Quark-C 1*10^-19 100 зептометъра
Quark-B 3*10^-20 30 зептометъра
Неутрино с висока енергия 1,5*10^-20 15 зептометъра
Преон 1*10^-21 1 зептометър
Quark-T 1*10^-22 100 йоктометра
MeV Неутрино 2*10^-23 20 йоктометри
Neutrino 1*10^-24 1 йоктометър (много малък размер!!!) -
Plonk частица 1.6*10^-35 0.000 000 000 016 йоктометър
Quantum foam Quantum string 1*10^-35 0.000 000 000 01 йоктометър
Това е таблица с размери на частиците. И тук можете да видите, че най-малката частица е частицата на Планк, но тъй като е твърде малка, неутриното е най-малката частица. Но за Вселената само дължината на Планк е по-малка

Неутриното, невероятно малка частица във Вселената, привлича вниманието на учените от близо век. Повече Нобелови награди са присъдени за изследване на неутриното, отколкото за работа върху други частици, и се изграждат огромни съоръжения за изследването му с бюджета на малки държави. Александър Нозик, старши научен сътрудник в Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките, преподавател в Московския физико-технологичен институт и участник в Троицкия nu-mass експеримент за търсене на масата на неутрино, разказва как да го изследваме, но най-важното е как изобщо да го хванем.

Мистерия на крадeн от енергетика

Историята на изследването на неутриното може да се чете като завладяваща детективска история. Тази частица тества дедуктивните способности на учените повече от веднъж: не всяка от загадките може да бъде решена веднага, а някои не са решени досега. Да започнем с историята на откритието. Различните видове радиоактивни разпади започват да се изучават в края на 19 век и не е изненадващо, че през 20-те години на миналия век учените разполагат с инструменти в своя арсенал не само за регистриране на самия разпад, но и за измерване на енергията на излъчените частици , макар и не много точно според днешните стандарти. С увеличаването на точността на инструментите радостта на учените нараства и недоумението, свързано, наред с други неща, с бета-разпадането, при което електрон излита от радиоактивно ядро, а самото ядро ​​променя своя заряд. Такъв разпад се нарича двучастичен, тъй като в него се образуват две частици - ново ядро ​​и електрон. Всеки гимназист ще обясни, че е възможно да се определи точно енергията и импулса на фрагментите при такъв разпад, като се използват законите за запазване и се знае масите на тези фрагменти. С други думи, енергията например на един електрон винаги ще бъде една и съща при всеки разпад на ядрото на определен елемент. На практика се наблюдава съвсем различна картина. Енергията на електроните не само не беше фиксирана, но и се разпространи в непрекъснат спектър до нула, което обърка учените. Това може да се случи само ако някой краде енергия от бета разпада. Но май няма кой да го открадне.

С течение на времето инструментите стават все по-точни и скоро възможността да се припише такава аномалия на грешката на оборудването изчезна. Така възникна мистерия. В търсене на нейното решение учените изказват различни, дори напълно абсурдни предположения за днешните стандарти. Самият Нилс Бор например направи сериозно изявление, че в света на елементарните частици законите за запазване не важат. Спасени положението от Волфганг Паули през 1930 г. Той не можа да присъства на конференцията по физика в Тюбинген и тъй като не можа да участва дистанционно, изпрати писмо, което поиска да бъде прочетено. Ето откъси от него:

„Уважаеми радиоактивни дами и господа. Моля ви да изслушате внимателно в най-удобния момент пратеника, който предаде това писмо. Той ще ви каже, че съм открил отличен инструмент за закона за запазване и правилна статистика. Тя се крие във възможността за съществуване на електрически неутрални частици ... Непрекъснатостта на Β-спектъра ще стане ясна, ако приемем, че по време на Β-разпад такъв „неутрон“ се излъчва с всеки електрон и сумата от енергиите на „неутрона“ и електрона са постоянни ... "

В края на писмото имаше следните редове:

„Не поемайте рискове, не печелете. Тежестта на ситуацията при разглеждане на непрекъснатия В-спектър става особено поразителна след думите на проф. Дебай, който ми каза със съжаление: "О, по-добре е да не мислим за всичко това... като за нови данъци." Следователно всеки път към спасението трябва да бъде сериозно обсъден. Така че, скъпи радиоактивни хора, подложете го на тест и преценете."

По-късно самият Паули изрази опасения, че въпреки че идеята му спасява физиката на микрокосмоса, нова частица никога няма да бъде открита експериментално. Казват, че той дори спорил с колегите си, че ако частицата съществува, няма да е възможно да бъде открита по време на живота им. През следващите няколко години Енрико Ферми създава теория за бета разпада, включваща частица, наречена от него неутрино, която се съгласува брилянтно с експеримента. След това вече никой не се съмняваше, че хипотетичната частица действително съществува. През 1956 г., две години преди смъртта на Паули, неутриното е експериментално открито в обратен бета разпад от групата на Фредерик Рейнс и Клайд Коуън (Рейнс получава Нобелова награда за това).

Случаят с липсващите слънчеви неутрино

Веднага след като стана ясно, че неутрино, макар и трудно, все още може да бъде регистрирано, учените започнаха да се опитват да уловят неутрино с извънземен произход. Техният най-очевиден източник е Слънцето. В него непрекъснато протичат ядрени реакции и може да се изчисли, че около 90 милиарда слънчеви неутрино в секунда преминават през всеки квадратен сантиметър от земната повърхност.

По това време най-ефективният метод за улавяне на слънчеви неутрино е радиохимичният метод. Същността му е следната: слънчевото неутрино пристига на Земята, взаимодейства с ядрото; Оказва се, да речем, ядро ​​37Ar и електрон (това е реакцията, която е използвана в експеримента на Реймънд Дейвис, за който по-късно е удостоен с Нобелова награда). След това, като се преброи броят на аргоновите атоми, може да се каже колко неутрино са взаимодействали в обема на детектора по време на експозицията. На практика, разбира се, нещата не са толкова прости. Трябва да се разбере, че е необходимо да се преброят единични атоми аргон в мишена, тежаща стотици тонове. Съотношението на масите е приблизително същото като между масата на мравката и масата на Земята. Тогава беше открито, че ⅔ от слънчевите неутрино са били откраднати (измереният поток се оказа три пъти по-малък от прогнозирания).

Разбира се, на първо място подозрението падна върху самото Слънце. В крайна сметка можем да съдим за неговия вътрешен живот само по косвени признаци. Не е известно как на него се раждат неутрино и дори е възможно всички модели на Слънцето да са грешни. Бяха обсъдени доста различни хипотези, но в крайна сметка учените започнаха да клонят към идеята, че не Слънцето има значение, а хитрата природа на самите неутрино.

Малко историческо отклонение: в периода между експерименталното откриване на неутрино и експериментите за изследване на слънчевите неутрино се случиха още няколко интересни открития. Първо бяха открити антинеутрино и беше доказано, че неутрино и антинеутрино участват във взаимодействия по различни начини. Освен това всички неутрино във всички взаимодействия са винаги леви (проекцията на въртенето върху посоката на движение е отрицателна), а всички антинеутрино са дясно ориентирани. Не само, че това свойство се наблюдава сред всички елементарни частици само за неутрино, то също косвено показва, че нашата Вселена не е симетрична по принцип. Второ, установено е, че всеки зареден лептон (електрон, мюон и тау лептон) има свой собствен вид или аромат на неутрино. Освен това неутрино от всеки тип взаимодействат само със своя лептон.

Да се ​​върнем към нашия слънчев проблем. Още през 50-те години на миналия век беше предложено ароматът на лептон (вид неутрино) да не се запазва. Тоест, ако едно електронно неутрино се роди в една реакция, тогава по пътя към друга реакция неутриното може да се преоблече и да се движи като мюон. Това може да обясни липсата на слънчеви неутрино в радиохимични експерименти, чувствителни само към електронни неутрино. Тази хипотеза беше брилянтно потвърдена от измервания на потока слънчеви неутрино в сцинтилационни експерименти с голяма водна цел SNO и Kamiokande (за което наскоро беше присъдена друга Нобелова награда). В тези експерименти вече не се изучава обратният бета-разпад, а реакцията на разсейване на неутрино, която може да възникне не само с електронни, но и с мюонни неутрино. Когато вместо поток от електронни неутрино, те започнаха да измерват общия поток на всички видове неутрино, резултатите напълно потвърдиха прехода на неутрино от един тип в друг или неутрино осцилации.

Атака срещу стандартния модел

Откриването на осцилациите на неутрино, след като реши един проблем, създаде няколко нови. Изводът е, че от времето на Паули неутриното се смятат за безмасови частици като фотоните и това устройва всички. Опитите за измерване на масата на неутриното продължиха, но без особен ентусиазъм. Трептенията са променили всичко, защото за тяхното съществуване масата, колкото и малка да е, е незаменима. Откриването на масата в неутриното, разбира се, зарадва експериментаторите, но озадачи теоретиците. Първо, масивните неутрино не се вписват в Стандартния модел на физиката на елементарните частици, който учените изграждат от началото на 20 век. Второ, същата мистериозна лява посока на неутриното и дясната посока на антинеутриното е добре обяснена само отново за безмасови частици. При наличието на маса левите неутрино с известна вероятност трябва да се превърнат в десни неутрино, тоест в античастици, нарушавайки привидно непоклатимия закон за запазване на лептонното число, или дори да се превърнат в някакъв вид неутрино, които не участват във взаимодействието. Днес подобни хипотетични частици се наричат ​​стерилни неутрино.

Детектор за неутрино Super-Kamiokande © Обсерватория Kamioka, ICRR (Институт за изследване на космическите лъчи), Токийският университет

Разбира се, експерименталното търсене на масата на неутрино веднага се възобнови внезапно. Но веднага възникна въпросът: как да се измери масата на нещо, което не може да бъде уловено по никакъв начин? Има само един отговор: изобщо да не се хващат неутрино. Към днешна дата най-активно се развиват две направления - директно търсене на масата на неутрино в бета-разпад и наблюдение на безнеутринен двоен бета-разпад. В първия случай идеята е много проста. Ядрото се разпада с излъчване на електрон и неутрино. Не е възможно да се хване неутрино, но е възможно да се хване и измери електрон с много висока точност. Електронният спектър също носи информация за масата на неутриното. Такъв експеримент е един от най-сложните във физиката на елементарните частици, но безспорното му предимство е, че се основава на основните принципи на запазване на енергията и импулса и резултатът от него зависи от малко. Сега най-добрата граница на масата на неутриното е около 2 eV. Това е 250 хиляди пъти по-малко от това на един електрон. Тоест самата маса не беше намерена, а само ограничена от горната рамка.

При двойното бета разпадане всичко е по-сложно. Ако приемем, че едно неутрино се превръща в антинеутрино по време на обръщане на въртене (този модел е кръстен на италианския физик Еторе Майорана), тогава е възможен процес, когато в ядрото се появят два бета-разпада едновременно, но неутриното не излитат, но договор. Вероятността за такъв процес е свързана с масата на неутриното. Горните граници в такива експерименти са по-добри - 0,2 - 0,4 eV - но зависят от физическия модел.

Проблемът с масивното неутрино все още не е решен. Теорията на Хигс не може да обясни толкова малки маси. Това изисква значително усложнение или включването на някои по-хитри закони, според които неутриното взаимодействат с останалия свят. Физиците, участващи в изследването на неутрино, често биват задавани въпросът: „Как изследването на неутрино може да помогне на обикновения неспециалист? Каква финансова или друга полза може да се извлече от тази частица? Физиците вдигат рамене. И те наистина не го знаят. Някога изучаването на полупроводникови диоди принадлежеше към чисто фундаменталната физика, без никакво практическо приложение. Разликата е, че технологиите, които се разработват за създаване на съвременни експерименти във физиката на неутриното, вече се използват широко в индустрията, така че всяко пени, инвестирано в тази област, се изплаща доста бързо. Сега в света се провеждат няколко експеримента, чийто мащаб е сравним с мащаба на Големия адронен колайдер; тези експерименти са насочени изключително към изучаване на свойствата на неутриното. В кой от тях ще бъде възможно да се отвори нова страница във физиката, не е известно, но със сигурност ще бъде отворена.