Najmanja tvar na svijetu. Najhladnije male čestice u prirodi

Što znamo o česticama manjim od atoma? A koja je najmanja čestica u Svemiru?

Svijet oko nas... Tko se od nas nije divio njegovoj očaravajućoj ljepoti? Njegovo noćno nebo bez dna, posuto milijardama svjetlucavih tajanstvenih zvijezda i toplina njegove nježne sunčeve svjetlosti. Smaragdna polja i šume, burne rijeke i nepregledna morska prostranstva. Svjetlucavi vrhovi veličanstvenih planina i bujne alpske livade. Jutarnja rosa i trik slavuja u zoru. Mirisna ruža i tihi žubor potoka. Blistavi zalazak sunca i blagi šum brezovog šumarka...

Je li moguće zamisliti išta ljepše od svijeta koji nas okružuje?! Moćniji i impresivniji? I, u isto vrijeme, krhkiji i nježniji? Sve je to svijet u kojem dišemo, volimo, radujemo se, veselimo, patimo i tugujemo... Sve je to naš svijet. Svijet u kojem živimo, koji osjećamo, koji vidimo i koji barem nekako razumijemo.

Međutim, mnogo je raznolikiji i složeniji nego što se na prvi pogled čini. Znamo da se raskošne livade ne bi pojavile bez fantastičnog bunta beskrajnog plesa gipkih zelenih vlati trave, raskošnog drveća odjevenog u smaragdno ruho - bez silnog lišća na svojim granama, i zlatnih plaža - bez brojnih svjetlucavih zrnaca pijeska koji škripi pod bosim nogama na ljetnim zrakama.blago sunce. Veliko se uvijek sastoji od malog. Mali - od još manjeg. I vjerojatno ne postoji ograničenje za ovaj niz.

Stoga se vlati trave i zrnca pijeska sastoje od molekula koje se sastoje od atoma. Atomi, kao što znamo, sadrže elementarne čestice - elektrone, protone i neutrone. Ali oni se također ne smatraju konačnim autoritetom. Moderna znanost tvrdi da se protoni i neutroni, na primjer, sastoje od hipotetskih energetskih skupova - kvarkova. Postoji pretpostavka da postoji još manja čestica - preon, još nevidljiva, nepoznata, ali pretpostavljena.

Svijet molekula, atoma, elektrona, protona, neutrona, fotona itd. obično se zove mikrokozmos. On je osnova makrokozmos- ljudski svijet i njemu srazmjerne količine na našem planetu i megasvijet- svijet zvijezda, galaksija, svemira i svemira. Svi ti svjetovi su međusobno povezani i ne postoje jedan bez drugog.

S megasvijetom smo se već upoznali u izvješću o našoj prvoj ekspediciji “Dah svemira. Prvo putovanje" i već imamo ideju o dalekim galaksijama i svemiru. Na tom opasnom putovanju otkrili smo svijet tamne tvari i tamne energije, zakoračili u dubine crnih rupa, dosegnuli vrhove briljantnih kvazara i čudesno izbjegli Veliki prasak i, ništa manje, Veliki slom. Svemir se pojavio pred nama u svoj svojoj ljepoti i veličini. Tijekom našeg putovanja shvatili smo da zvijezde i galaksije nisu nastale same od sebe, već su mukotrpno, milijardama godina, nastajale od čestica i atoma.

Čestice i atomi čine cijeli svijet oko nas. Upravo se oni, u svojim bezbrojnim i raznolikim kombinacijama, mogu pojaviti pred nama, bilo u obliku prekrasne nizozemske ruže, bilo u obliku oštre gomile tibetanskih stijena. Sve što vidimo sastoji se od tih tajanstvenih predstavnika tajanstvenog mikrosvijet. Zašto “misteriozno” i zašto “misteriozno”? Jer čovječanstvo, nažalost, još uvijek jako, jako malo zna o ovom svijetu i njegovim predstavnicima.

Suvremena znanost o mikrokozmosu ne može se zamisliti bez spomena elektrona, protona ili neutrona. U bilo kojem referentnom materijalu iz fizike ili kemije pronaći ćemo njihovu masu točnu na devetu decimalu, njihov električni naboj, životni vijek itd. Na primjer, prema ovim referentnim knjigama, elektron ima masu od 9,10938291(40) x 10 -31 kg, električni naboj od minus 1,602176565(35) x 10 -19 C, vijek trajanja beskonačan ili najmanje 4,6 x 10 26 godina (Wikipedia).

Točnost određivanja parametara elektrona je impresivna, a ponos na znanstvena dostignuća civilizacije ispunjava naša srca! Istina, pritom se uvlače i neke sumnje kojih se, ma koliko se trudili, nikako ne možete riješiti. Odrediti masu elektrona jednaku milijardu - milijardu - milijarditom dijelu kilograma, pa čak i izvagati ga na devetu decimalu, vjerujem, nije nimalo laka stvar, baš kao i izmjeriti životni vijek elektrona na 4,600,000,000,000,000,000,000,000 000 godina.

Štoviše, nitko nikada nije vidio ovaj isti elektron. Najmoderniji mikroskopi omogućuju vam da vidite samo elektronski oblak oko jezgre atoma, unutar kojeg se, kako znanstvenici vjeruju, elektron kreće ogromnom brzinom (slika 1). Još ne znamo točno veličinu elektrona, niti njegov oblik, niti brzinu njegove rotacije. U stvarnosti, o elektronu, kao io protonu i neutronu, znamo vrlo malo. Možemo samo nagađati i nagađati. Nažalost, danas je to sve što možemo učiniti.

Riža. 1. Fotografija elektronskih oblaka koju su snimili fizičari na Harkovskom institutu za fiziku i tehnologiju u rujnu 2009.

Ali elektron ili proton su najmanje elementarne čestice koje čine atom bilo koje tvari. A ako nam naša tehnička sredstva proučavanja mikrosvijeta još ne omogućuju da vidimo čestice i atome, možda ćemo početi s nečim drugim O veći i poznatiji? Na primjer, iz molekule! Sastoji se od atoma. Molekula je veći i razumljiviji objekt, koji će se vjerojatno dublje proučavati.

Nažalost, opet vas moram razočarati. Molekule su nam razumljive samo na papiru u obliku apstraktnih formula i crteža njihove navodne strukture. Također još ne možemo dobiti jasnu sliku molekule s izraženim vezama među atomima.

U kolovozu 2009. godine, koristeći tehnologiju mikroskopije atomske sile, europski su istraživači prvi put uspjeli prikazati strukturu prilično velike molekule pentacena (C 22 H 14). Najsuvremenija tehnologija omogućila je razaznavanje samo pet prstenova koji određuju strukturu ovog ugljikovodika, kao i mrlje pojedinačnih atoma ugljika i vodika (slika 2). I to je sve što možemo učiniti za sada...

Riža. 2. Strukturni prikaz molekule pentacena (gore)

i njena fotografija (ispod)

S jedne strane, dobivene fotografije omogućuju nam da tvrdimo da put koji su odabrali znanstvenici kemičari, opisujući sastav i strukturu molekula, više nije podložan sumnji, ali, s druge strane, možemo samo nagađati o

Kako, uostalom, dolazi do povezivanja atoma u molekuli i elementarnih čestica u atomu? Zašto su te atomske i molekularne veze stabilne? Kako nastaju, koje ih snage podržavaju? Kako izgledaju elektron, proton ili neutron? Kakva je njihova struktura? Što je atomska jezgra? Kako proton i neutron koegzistiraju u istom prostoru i zašto odbijaju elektron iz njega?

Mnogo je pitanja ove vrste. Odgovori također. Istina, mnogi se odgovori temelje samo na pretpostavkama koje rađaju nova pitanja.

Moji prvi pokušaji da proniknem u tajne mikrosvijeta naišli su na prilično površnu prezentaciju suvremene znanosti mnogih temeljnih spoznaja o strukturi objekata mikrosvijeta, principima njihova funkcioniranja, sustavima njihovih međusobnih veza i odnosa. Pokazalo se da čovječanstvo još uvijek ne razumije kako je strukturirana jezgra atoma i njezine sastavne čestice - elektroni, protoni i neutroni. Imamo samo opću ideju o tome što se zapravo događa tijekom fisije atomske jezgre, koji se događaji mogu dogoditi tijekom dugog tijeka ovog procesa.

Proučavanje nuklearnih reakcija bilo je ograničeno na promatranje procesa i utvrđivanje određenih uzročno-posljedičnih odnosa izvedenih eksperimentalnim putem. Istraživači su naučili odrediti samo ponašanje pojedinih čestica pod jednim ili drugim utjecajem. To je sve! Bez razumijevanja njihove strukture, bez otkrivanja mehanizama međudjelovanja! Samo ponašanje! Na temelju ovakvog ponašanja utvrđene su ovisnosti pojedinih parametara i, radi veće važnosti, ti eksperimentalni podaci stavljeni su u višerazinske matematičke formule. To je cijela teorija!

Nažalost, to je bilo dovoljno da se hrabro krene u izgradnju nuklearnih elektrana, raznih akceleratora, sudarača i izradu nuklearnih bombi. Dobivši primarna znanja o nuklearnim procesima, čovječanstvo je odmah ušlo u neviđenu utrku za posjedovanje moćne energije pod svojom kontrolom.

Broj zemalja naoružanih nuklearnim potencijalom vrtoglavo je rastao. Nuklearni projektili u ogromnom broju prijeteći su gledali prema neprijateljskim susjedima. Počele su se pojavljivati ​​nuklearne elektrane koje su neprekidno proizvodile jeftinu električnu energiju. Ogromne količine novca potrošene su na nuklearni razvoj sve više i više novih dizajna. Znanost je, pokušavajući sagledati unutrašnjost atomske jezgre, intenzivno gradila ultramoderne akceleratore čestica.

Međutim, materija nije došla do strukture atoma i njegove jezgre. Strast za traženjem sve više i više novih čestica i potraga za Nobelovim regalijama gurnula je u drugi plan duboko proučavanje strukture atomske jezgre i čestica koje su u njoj uključene.

No, površno znanje o nuklearnim procesima odmah se negativno očitovalo tijekom rada nuklearnih reaktora i izazvalo pojavu spontanih nuklearnih lančanih reakcija u nizu situacija.

Ovaj popis prikazuje datume i mjesta spontanih nuklearnih reakcija:

21.08.1945. SAD, Nacionalni laboratorij Los Alamos.

21.05.1946. SAD, Nacionalni laboratorij Los Alamos.

15.03.1953. SSSR, Čeljabinsk-65, PA "Mayak".

21.04.1953. SSSR, Čeljabinsk-65, PA "Mayak".

16.06.1958. SAD, Oak Ridge, Radiokemijska tvornica Y-12.

15.10.1958. Jugoslavija, Institut B. Kidrich.

30.12.1958. SAD, Nacionalni laboratorij Los Alamos.

01.03.1963. SSSR, Tomsk-7, Sibirska kemijska tvornica.

23.07.1964. SAD, Woodreaver, Radiokemijska tvornica.

30.12.1965. Belgija, Mol.

05.03.1968. SSSR, Čeljabinsk-70, VNIITF.

10.12.1968. SSSR, Čeljabinsk-65, PA "Mayak".

26.05.1971. SSSR, Moskva, Institut za atomsku energiju.

13.12.1978. SSSR, Tomsk-7, Sibirska kemijska tvornica.

23.09.1983. Argentina, reaktor RA-2.

15.05.1997. Rusija, Novosibirsk, tvornica kemijskih koncentrata.

17.06.1997. Rusija, Sarov, VNIIEF.

30.09.1999. Japan, Tokaimura, postrojenje za nuklearno gorivo.

Ovom popisu potrebno je dodati brojne nesreće sa zračnim i podvodnim nosačima nuklearnog oružja, incidente u poduzećima ciklusa nuklearnog goriva, hitne slučajeve u nuklearnim elektranama, hitne slučajeve tijekom testiranja nuklearnih i termonuklearnih bombi. Tragedije Černobila i Fukushime zauvijek će ostati u našem sjećanju. Tisuće ljudi poginulo je u ovim katastrofama i nesrećama. A ovo vas tjera na vrlo ozbiljno razmišljanje.

Zastrašujuća je i sama pomisao na rad nuklearnih elektrana, koje mogu u trenu pretvoriti cijeli svijet u kontinuiranu radioaktivnu zonu. Nažalost, ovi strahovi su opravdani. Prije svega, činjenica da su tvorci nuklearnih reaktora u svom radu koristio se ne temeljnim znanjem, već iskazom određenih matematičkih ovisnosti i ponašanja čestica, na temelju kojih je izgrađena opasna nuklearna struktura. Za znanstvenike su nuklearne reakcije još uvijek neka vrsta “crne kutije” koja funkcionira uz ispunjenje određenih radnji i zahtjeva.

Međutim, ako se u toj „kutiji“ nešto počne događati, a to „nešto“ nije opisano u uputama i izlazi iz okvira stečenog znanja, onda se mi, osim vlastitog herojstva i neintelektualnog rada, ne možemo suprotstaviti ničemu. do nuklearne katastrofe koja se razvija. Mase ljudi su prisiljene jednostavno ponizno čekati nadolazeću opasnost, pripremiti se za strašne i neshvatljive posljedice, pomičući se na sigurnu udaljenost, po njihovom mišljenju. Nuklearni stručnjaci u većini slučajeva samo sliježu ramenima, mole se i čekaju pomoć viših sila.

Japanski nuklearni znanstvenici, naoružani najsuvremenijom tehnologijom, još uvijek ne mogu obuzdati davno bez struje nuklearnu elektranu u Fukushimi. Mogu samo konstatirati da je 18. listopada 2013. razina zračenja u podzemnim vodama premašila normu za više od 2500 puta. Dan kasnije razina radioaktivnih tvari u vodi porasla je gotovo 12.000 puta! Zašto?! Japanski stručnjaci još ne mogu odgovoriti na to pitanje niti zaustaviti te procese.

Rizik od stvaranja atomske bombe ipak je bio nekako opravdan. Napeta vojno-politička situacija na planeti zahtijevala je neviđene mjere obrane i napada zaraćenih zemalja. Podvrgnuvši se situaciji, nuklearni istraživači riskirali su ne ulazeći u zamršenost strukture i funkcioniranja elementarnih čestica i atomskih jezgri.

No, u mirnodopskim uvjetima trebalo je započeti s izgradnjom nuklearnih elektrana i sudarača svih vrsta samo pod uvjetom, Što Znanost je u potpunosti razumjela strukturu atomske jezgre, elektrona, neutrona, protona i njihove odnose.Štoviše, u nuklearnim elektranama nuklearna reakcija mora biti strogo kontrolirana. Ali stvarno i učinkovito možete upravljati samo onim što temeljito poznajete. Pogotovo ako se radi o najsnažnijoj vrsti energije današnjice koju nije nimalo lako obuzdati. To se, naravno, ne događa. Ne samo tijekom izgradnje nuklearnih elektrana.

Trenutno u Rusiji, Kini, SAD-u i Europi postoji 6 različitih sudarača - snažnih akceleratora protutokova čestica koji ih ubrzavaju do enormnih brzina, dajući česticama visoku kinetičku energiju, kako bi se zatim sudarale jedna s drugom. Svrha sudara je proučavanje produkata sudara čestica u nadi da će u procesu njihovog raspada biti moguće vidjeti nešto novo i do sada nepoznato.

Jasno je da istraživače jako zanima što će od svega toga biti. Brzina sudara čestica i razina izdvajanja znanstvenih istraživanja rastu, ali znanje o strukturi onoga što se sudara ostalo je na istoj razini već mnogo, mnogo godina. Utvrđene prognoze o rezultatima planiranih studija još uvijek nema i ne može ih biti. Ni slučajno. Savršeno dobro razumijemo da je znanstveno predviđanje moguće samo ako imamo točna i provjerena znanja barem o detaljima predviđenog procesa. Moderna znanost još nema takve spoznaje o elementarnim česticama. U ovom slučaju možemo pretpostaviti da je glavno načelo postojećih istraživačkih metoda prijedlog: "Idemo pokušati i vidjeti što će se dogoditi." Nažalost.

Stoga je sasvim prirodno da se danas sve češće raspravlja o opasnostima pokusa. Nije čak ni riječ o mogućnosti nastanka mikroskopskih crnih rupa tijekom eksperimenata, koje, rastući, mogu proždrijeti naš planet. Ne vjerujem baš u takvu mogućnost, barem na današnjoj razini i stupnju mog intelektualnog razvoja.

Ali postoji dublja i stvarnija opasnost. Na primjer, u Velikom hadronskom sudaraču struje protona ili iona olova sudaraju se u različitim konfiguracijama. Čini se, kakva prijetnja može doći od mikroskopske čestice, pa čak i pod zemljom, u tunelu obavijenom snažnom metalnom i betonskom zaštitom? Čestica težine 1.672.621.777(74) x 10 -27 kg i čvrsti, višetonski, više od 26 kilometara dug tunel u debljini teškog tla očito su neusporedive kategorije.

Međutim, prijetnja postoji. Prilikom provođenja pokusa vjerojatno će doći do nekontroliranog oslobađanja ogromne količine energije, koja će se pojaviti ne samo kao posljedica kidanja intranuklearnih sila, već i energije koja se nalazi unutar protona ili iona olova. Nuklearna eksplozija suvremenog balističkog projektila, koja se temelji na oslobađanju intranuklearne energije atoma, neće izgledati ništa gore od novogodišnjeg krekera u usporedbi sa snažnom energijom koja se može osloboditi kada se unište elementarne čestice. Sasvim neočekivano, možemo pustiti vilinskog duha iz boce. Ali ne onaj savitljivi, dobroćudni i majstor za sve koji samo sluša i sluša, već nekontrolirano, svemoćno i nemilosrdno čudovište koje ne poznaje milost i milost. I neće biti bajno, nego sasvim stvarno.

Ali najgore je što, baš kao u nuklearnoj bombi, u sudaraču može započeti lančana reakcija koja oslobađa sve više i više porcija energije i uništava sve ostale elementarne čestice. U isto vrijeme, uopće nije važno od čega će se sastojati - od metalnih tunelskih konstrukcija, betonskih zidova ili stijena. Energija će se oslobađati posvuda, uništavajući sve što je povezano ne samo s našom civilizacijom, već i s cijelim planetom. U trenu će od naše slatke plave ljepotice ostati samo jadni, bezoblični komadići koji će se rasuti po velikim i nepreglednim prostranstvima Svemira.

Ovo je, naravno, užasan, ali vrlo realan scenarij, a mnogi Europljani to danas vrlo dobro razumiju i aktivno se suprotstavljaju opasnim nepredvidivim eksperimentima, zahtijevajući osiguranje sigurnosti planeta i civilizacije. Svaki put ti su govori sve organiziraniji i povećavaju unutarnju zabrinutost zbog postojeće situacije.

Nisam protiv eksperimenata, jer dobro razumijem da je put do novog znanja uvijek trnovit i težak. Gotovo ga je nemoguće prevladati bez eksperimentiranja. Međutim, duboko sam uvjeren da svaki eksperiment treba provoditi samo ako je siguran za ljude i okoliš. Danas nemamo povjerenja u takvu sigurnost. Ne, jer nema znanja o tim česticama s kojima već danas eksperimentiramo.

Situacija se pokazala mnogo alarmantnijom nego što sam prije zamišljao. Ozbiljno zabrinut, strmoglavo sam uronio u svijet spoznaja o mikrokozmosu. Priznajem, to mi nije pričinjavalo posebno zadovoljstvo, budući da je u razvijenim teorijama mikrosvijeta bilo teško dokučiti jasan odnos između prirodnih pojava i zaključaka na kojima su se temeljili neki znanstvenici, koristeći teorijska načela kvantne fizike, kvantne mehanike te teorija elementarnih čestica kao istraživački aparat.

Zamislite moje čuđenje kada sam iznenada otkrio da se znanje o mikrosvijetu temelji više na pretpostavkama koje nemaju jasna logična opravdanja. Zasitivši matematičke modele određenim konvencijama u obliku Planckove konstante s konstantom većom od trideset nula iza decimalne točke, raznim zabranama i postulatima, teoretičari su ipak dovoljno detaljno i precizno opisali A Postoje li praktične situacije koje odgovaraju na pitanje: “Što će se dogoditi ako...?” Međutim, glavno pitanje: “Zašto se to događa?”, nažalost, ostalo je bez odgovora.

Činilo mi se da je razumijevanje bezgraničnog Svemira i njegovih vrlo dalekih galaksija, rasprostranjenih na fantastično golemim udaljenostima, puno teže nego pronaći put spoznaje do onoga što nam zapravo “leži pod nogama”. Na temelju svog srednjeg i visokog obrazovanja, iskreno sam vjerovao da naša civilizacija više nema pitanja o strukturi atoma i njegove jezgre, ili o elementarnim česticama i njihovoj strukturi, ili o silama koje drže elektron u orbiti i održavati stabilnu vezu protona i neutrona u jezgri atoma.

Do tog trenutka nisam morao proučavati osnove kvantne fizike, ali sam bio samouvjeren i naivno pretpostavljao da je ta nova fizika ono što će nas doista izvesti iz tame nerazumijevanja mikrosvijeta.

Ali, na moju duboku žalost, prevario sam se. Suvremena kvantna fizika, fizika atomske jezgre i elementarnih čestica, te cjelokupna fizika mikrosvijeta, po mom mišljenju, nisu samo u žalosnom stanju. Dugo su zapeli u intelektualnoj slijepoj ulici, koja im ne dopušta da se razvijaju i usavršavaju, krećući se putem spoznaje atoma i elementarnih čestica.

Istraživači mikrosvijeta, strogo ograničeni ustaljenim nepokolebljivim stajalištima velikih teoretičara 19. i 20. stoljeća, nisu se više od stotinu godina usuđivali vratiti se svojim korijenima i ponovno krenuti na težak put istraživanja dubina našeg okolni svijet. Moj kritički pogled na trenutnu situaciju oko proučavanja mikrosvijeta daleko je od jedinog. Mnogi progresivni istraživači i teoretičari više su puta izrazili svoja stajališta o problemima koji se javljaju tijekom razumijevanja osnova teorije atomske jezgre i elementarnih čestica, kvantne fizike i kvantne mehanike.

Analiza moderne teorijske kvantne fizike omogućuje nam da izvučemo definitivan zaključak da je bit teorije u matematičkom prikazu određenih prosječnih vrijednosti čestica i atoma, na temelju pokazatelja određene mehaničke statistike. Glavna stvar u teoriji nije proučavanje elementarnih čestica, njihove strukture, njihovih veza i međudjelovanja tijekom manifestacije određenih prirodnih pojava, već pojednostavljenih probabilističkih matematičkih modela temeljenih na ovisnostima dobivenim tijekom eksperimenata.

Nažalost, i ovdje su, kao i tijekom razvoja teorije relativnosti, na prvo mjesto stavljene izvedene matematičke ovisnosti, koje su zasjenile prirodu pojava, njihovu međusobnu povezanost i razloge njihova nastanka.

Proučavanje strukture elementarnih čestica bilo je ograničeno na pretpostavku o prisutnosti tri hipotetska kvarka u protonima i neutronima, čije su se varijante, kako se ta teorijska pretpostavka razvijala, mijenjale od dva, zatim tri, četiri, šest, dvanaest... Znanost se jednostavno prilagodila rezultatima eksperimenata, prisiljena izmišljati nove elemente čije postojanje još uvijek nije dokazano. Ovdje možemo čuti o preonima i gravitonima koji još nisu pronađeni. Možete biti sigurni da će broj hipotetskih čestica nastaviti rasti kako znanost o mikrosvijetu bude sve dublje zalazila u slijepu ulicu.

Nerazumijevanje fizikalnih procesa koji se odvijaju unutar elementarnih čestica i atomskih jezgri, mehanizma međudjelovanja sustava i elemenata mikrosvijeta, dovelo je u arenu suvremene znanosti hipotetske elemente – nositelje interakcije – poput kalibracijskih i vektorskih bozona, gluona. , virtualni fotoni. Oni su ti koji su na vrhu liste entiteta odgovornih za procese interakcije jednih čestica s drugima. I nije važno da čak ni njihovi neizravni znakovi nisu otkriveni. Važno je da se oni barem nekako mogu smatrati odgovornima za to što se jezgra atoma ne raspada na sastavne dijelove, što Mjesec ne padne na Zemlju, što se elektroni i dalje okreću u svojoj orbiti i što magnetsko polje planeta još uvijek nas štiti od kozmičkih utjecaja.

Sve me to rastuživalo, jer što sam više zalazio u teorije mikrosvijeta, to je više raslo moje razumijevanje slijepe ulice razvoja najvažnije komponente teorije o strukturi svijeta. Stav današnje znanosti o mikrokozmosu nije slučajan, već prirodan. Činjenica je da su temelje kvantne fizike postavili dobitnici Nobelove nagrade Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli i Paul Dirac krajem devetnaestog i početkom dvadesetog stoljeća. Fizičari su u to vrijeme imali samo rezultate nekih početnih eksperimenata usmjerenih na proučavanje atoma i elementarnih čestica. Međutim, mora se priznati da su te studije provedene na nesavršenoj opremi koja odgovara tom vremenu, a eksperimentalna baza podataka tek se počela popunjavati.

Stoga ne čudi što klasična fizika nije uvijek mogla odgovoriti na brojna pitanja koja su se javljala tijekom proučavanja mikrosvijeta. Stoga se početkom dvadesetog stoljeća u znanstvenom svijetu počelo govoriti o krizi fizike i potrebi revolucionarnih promjena u sustavu istraživanja mikrosvijeta. Ova situacija definitivno je potaknula progresivne teoretske znanstvenike na traženje novih načina i novih metoda razumijevanja mikrosvijeta.

Problem, moramo odati priznanje, nije bio u zastarjelim odredbama klasične fizike, nego u nedovoljno razvijenoj tehničkoj bazi, koja u to vrijeme, sasvim razumljivo, nije mogla dati potrebne rezultate istraživanja i dati hranu za dublje teorijske razvoje. Trebalo je popuniti prazninu. I bilo je ispunjeno. Nova teorija - kvantna fizika, temeljena prvenstveno na probabilističkim matematičkim konceptima. U tome nije bilo ništa loše, osim što su u isto vrijeme zaboravili filozofiju i otrgli se od stvarnog svijeta.

Klasične ideje o atomu, elektronu, protonu, neutronu itd. zamijenjeni su njihovim probabilističkim modelima, koji su odgovarali određenoj razini znanstvenog razvoja i čak omogućili rješavanje vrlo složenih primijenjenih inženjerskih problema. Nedostatak potrebne tehničke baze i neki uspjesi u teoretskom i eksperimentalnom prikazivanju elemenata i sustava mikrosvijeta stvorili su uvjete za stanovito hlađenje znanstvenog svijeta prema dubokom proučavanju strukture elementarnih čestica, atoma i njihovih jezgri. . Štoviše, činilo se da je kriza u fizici mikrosvijeta ugašena, da se dogodila revolucija. Znanstvena zajednica željno je pohrlila proučavati kvantnu fiziku, ne trudeći se razumjeti osnove elementarnih i fundamentalnih čestica.

Naravno, ovakvo stanje moderne znanosti o mikrosvijetu nije me moglo ne oduševiti i odmah sam se počeo pripremati za novu ekspediciju, za novo putovanje. Na putovanje u mikrosvijet. Već smo imali sličan izlet. Bilo je to prvo putovanje u svijet galaksija, zvijezda i kvazara, u svijet tamne materije i tamne energije, u svijet u kojem se rađa i živi punim životom naš Svemir. U svom izvješću “Dah svemira. Prvo putovanje“Pokušali smo razumjeti strukturu Svemira i procese koji se u njemu odvijaju.

Shvativši da drugo putovanje također neće biti lako i da će zahtijevati milijarde trilijuna puta da se smanji razmjer prostora u kojem ću morati proučavati svijet oko sebe, počeo sam se pripremati prodrijeti ne samo u strukturu atoma ili molekule, ali iu dubine elektrona i protona, neutrona i fotona, i to u volumenima milijunima puta manjim od volumena tih čestica. To je zahtijevalo posebnu obuku, nova znanja i naprednu opremu.

Predstojeće putovanje uključivalo je polazak od samog početka stvaranja našeg svijeta, a upravo je taj početak bio najopasniji i s najnepredvidljivijim ishodom. Ali o našoj je ekspediciji ovisilo hoćemo li pronaći izlaz iz sadašnje situacije u znanosti o mikrokozmosu ili ćemo ostati balansirati na klimavom užetom mostu moderne nuklearne energije, svake sekunde stavljajući život i postojanje civilizacije na kocku. planet u smrtnoj opasnosti.

Stvar je u tome da je, da bismo saznali početne rezultate našeg istraživanja, bilo potrebno doći do crne rupe Svemira i, zanemarujući osjećaj samoodržanja, jurnuti u gorući pakao univerzalnog tunela. Samo tamo, u uvjetima ultravisokih temperatura i fantastičnog tlaka, pažljivo se krećući u brzo rotirajućim tokovima materijalnih čestica, mogli smo vidjeti kako dolazi do anihilacije čestica i antičestica i kako se veliki i moćni praotac svih stvari - Eter - ponovno rađa. , razumjeti sve procese koji se odvijaju, uključujući stvaranje čestica, atoma i molekula.

Vjerujte mi, nema mnogo odvažnika na Zemlji koji se mogu odlučiti na ovo. Štoviše, rezultat nitko ne jamči i nitko nije spreman preuzeti odgovornost za uspješan ishod ovog puta. Tijekom postojanja civilizacije nitko nije ni posjetio crnu rupu galaksije, ali ovdje - SVEMIR! Ovdje je sve odraslo, grandiozno i ​​kozmičkih razmjera. Ovdje nema šale. Ovdje, u trenu, mogu pretvoriti ljudsko tijelo u mikroskopski ugrušak vruće energije ili ga raspršiti po beskrajnim hladnim prostranstvima svemira bez prava obnove i ponovnog ujedinjenja. Ovo je Svemir! Ogromno i veličanstveno, hladno i vruće, beskrajno i tajanstveno...

Stoga, pozivajući sve da se pridruže našoj ekspediciji, moram upozoriti da, ako netko sumnja, još nije kasno odbiti. Bilo koji razlozi su prihvaćeni. Potpuno smo svjesni veličine opasnosti, ali spremni smo joj se hrabro suprotstaviti pod svaku cijenu! Spremamo se zaroniti u dubine Svemira.

Jasno je da nije lako zaštititi se i preživjeti dok uranjate u užareni univerzalni tunel ispunjen snažnim eksplozijama i nuklearnim reakcijama, a naša oprema mora odgovarati uvjetima u kojima ćemo morati raditi. Stoga je prijeko potrebno pripremiti najbolju opremu i pažljivo razmotriti opremu za sve sudionike ove opasne ekspedicije.

Prije svega, na našem drugom putovanju ćemo uzeti ono što nam je omogućilo da prevladamo vrlo težak put kroz prostranstva Svemira kada smo radili na izvješću o našoj ekspediciji “Dah svemira. Prvo putovanje." Naravno da je zakone svijeta. Bez njihove upotrebe naše prvo putovanje teško da bi moglo uspješno završiti. Zakoni su bili ti koji su omogućili pronalaženje pravog puta među gomilom neshvatljivih pojava i dvojbenih zaključaka istraživača da ih objasne.

ako se sjećaš, zakon ravnoteže suprotnosti, predodređujući da u svijetu bilo koja manifestacija stvarnosti, bilo koji sustav ima svoju suprotnu bit i jest ili nastoji biti u ravnoteži s njom, omogućila nam je razumijevanje i prihvaćanje prisutnosti u svijetu oko nas, osim obične energije, i tamne energije, a također, osim obične materije, i tamne materije. Zakon ravnoteže suprotnosti omogućio je pretpostavku da se svijet ne sastoji samo od etera, već se i eter sastoji od dvije njegove vrste - pozitivne i negativne.

Zakon univerzalne međusobne povezanosti, što podrazumijeva stabilnu, ponavljajuću vezu između svih objekata, procesa i sustava u Svemiru, bez obzira na njihovu veličinu, i zakon hijerarhije, poredajući razine bilo kojeg sustava u Svemiru od najniže do najviše, omogućio je izgradnju logične “ljestvice bića” od etera, čestica, atoma, supstanci, zvijezda i galaksija do Svemira. I, zatim, pronađite načine da transformirate nevjerojatno ogroman broj galaksija, zvijezda, planeta i drugih materijalnih objekata, prvo u čestice, a zatim u tokove vrućeg etera.

Potvrdu ovih stavova pronašli smo na djelu. zakon razvoja, koji određuje evolucijsko kretanje u svim sferama svijeta koji nas okružuje. Analizom djelovanja ovih zakona došli smo do opisa oblika i razumijevanja strukture Svemira, naučili smo evoluciju galaksija, uvidjeli mehanizme nastanka čestica i atoma, zvijezda i planeta. Postalo nam je potpuno jasno kako od malog nastaje veliko, a od velikog malo.

Samo razumijevanje zakon kontinuiteta gibanja, koji tumači objektivnu nužnost procesa stalnog kretanja u prostoru za sve objekte i sustave bez iznimke, omogućio nam je spoznaju rotacije jezgre Svemira i galaksija oko univerzalnog tunela.

Zakoni strukture svijeta bili su svojevrsna karta našeg putovanja, koja nam je pomogla da se krenemo duž rute i savladamo njene najteže dionice i prepreke na putu do razumijevanja svijeta. Stoga će zakoni strukture svijeta biti najvažniji atribut naše opreme na ovom putovanju u dubine Svemira.

Drugi važan uvjet za uspjeh prodiranja u dubine Svemira bit će, naravno Rezultati eksperimenta znanstvenici su provodili više od sto godina, i sve zalihu znanja i informacija o pojavama mikrosvijet akumulirala moderna znanost. Na našem prvom izletu uvjerili smo se da se mnoge prirodne pojave mogu tumačiti na različite načine i donositi sasvim suprotne zaključke.

Netočni zaključci, potkrijepljeni glomaznim matematičkim formulama, u pravilu vode znanost u slijepu ulicu i ne daju potreban razvoj. Oni postavljaju temelj za daljnje pogrešno razmišljanje, koje zauzvrat oblikuje teorijska stajališta pogrešnih teorija koje se razvijaju. Ne radi se o formulama. Formule mogu biti apsolutno točne. Ali odluke istraživača o tome kako i kojim putem napredovati možda nisu posve točne.

Situacija se može usporediti sa željom da se od Pariza do zračne luke nazvane po Charlesu De Gaulleu stigne dvjema cestama. Prvi je najkraći, koji ne može trajati više od pola sata, samo automobilom, a drugi je upravo suprotno, oko svijeta automobilom, brodom, posebnom opremom, čamcima, psećim zapregama po cijeloj Francuskoj, Atlantik, Južna Amerika, Antarktika, Tihi ocean, Arktik i konačno kroz sjeveroistočnu Francusku ravno do zračne luke. Oba puta će nas odvesti od jedne točke do istog mjesta. Ali kroz koje vrijeme i uz koji napor? Da, i održavanje točnosti i postizanje odredišta tijekom dugog i teškog putovanja vrlo je problematično. Stoga nije važan samo proces kretanja, već i odabir pravog puta.

Na našem putovanju, kao iu prvoj ekspediciji, pokušat ćemo malo drugačije sagledati zaključke o mikrosvijetu koje je već iznio i prihvatio cijeli znanstveni svijet. Prije svega, u odnosu na spoznaje stečene proučavanjem elementarnih čestica, nuklearnih reakcija i postojećih međudjelovanja. Sasvim je moguće da će se kao rezultat našeg uranjanja u dubine svemira elektron pojaviti pred nama ne kao čestica bez strukture, već kao neki složeniji objekt mikrosvijeta, a jezgra atoma otkrit će svoju raznolikost strukturu, živi svoj neobičan i aktivan život.

Ne zaboravimo ponijeti logiku sa sobom. Omogućila nam je da pronađemo put na najtežim mjestima našeg posljednjeg putovanja. Logike bio je svojevrsni kompas, koji je pokazivao smjer pravog puta pri putovanju prostranstvima Svemira. Jasno je da ni sada ne možemo bez toga.

Međutim, sama logika očito neće biti dovoljna. U ovoj ekspediciji ne možemo bez intuicije. Intuicija omogućit će nam da pronađemo nešto o čemu još ne možemo ni slutiti, a gdje nitko prije nas ništa nije tražio. Upravo je intuicija naš divan pomoćnik, čiji ćemo glas pažljivo slušati. Intuicija će nas tjerati da se, bez obzira na kišu i hladnoću, snijeg i mraz, krećemo bez čvrste nade i jasnih informacija, ali upravo ona će nam omogućiti da svoj cilj postignemo suprotno svim pravilima i smjernicama kojima je cijelo čovječanstvo privrženo. naviknuti se još od škole.

Konačno, ne možemo nikamo bez neobuzdane mašte. Mašta- ovo je alat znanja koji nam treba, a koji će nam omogućiti da bez najsuvremenijih mikroskopa vidimo ono što je mnogo manje od najsitnijih čestica koje su već otkrili ili samo pretpostavljaju istraživači. Mašta će nam demonstrirati sve procese koji se odvijaju u crnoj rupi iu univerzalnom tunelu, pružiti mehanizme za nastanak gravitacijskih sila tijekom formiranja čestica i atoma, voditi nas kroz galerije atomske jezgre i dati nam priliku napraviti fascinantan let na laganom rotirajućem elektronu oko čvrstog, ali nespretnog društva protona i neutrona u atomskoj jezgri.

Na ovo putovanje u dubine Svemira, nažalost, nećemo moći ponijeti ništa drugo - prostora je vrlo malo i moramo se ograničiti čak i na najnužnije stvari. Ali to nas ne može zaustaviti! Cilj nam je jasan! Čekaju nas dubine svemira!

Svijet i znanost nikada ne miruju. Nedavno su udžbenici fizike samouvjereno pisali da je elektron najmanja čestica. Tada su mezoni postali najmanje čestice, pa bozoni. A sada je znanost otkrila novo najmanja čestica u svemiru- Planck crna rupa. Istina, još uvijek je otvoreno samo u teoriji. Ova se čestica klasificira kao crna rupa jer je njezin gravitacijski radijus veći ili jednak valnoj duljini. Od svih postojećih crnih rupa, Planckova je najmanja.

Životni vijek ovih čestica je prekratak da bi njihovo praktično otkrivanje bilo moguće. Barem za sada. I oni nastaju, kako se obično vjeruje, kao rezultat nuklearnih reakcija. No nije samo životni vijek Planckovih crnih rupa ono što sprječava njihovo otkrivanje. Sada, nažalost, to je nemoguće s tehničke točke gledišta. Kako bi se sintetizirale Planckove crne rupe, potreban je energetski akcelerator od više od tisuću elektron volti.

Video:

Unatoč hipotetskom postojanju ove najmanje čestice u Svemiru, njezino praktično otkriće u budućnosti sasvim je moguće. Uostalom, ne tako davno, ni legendarni Higgsov bozon nije mogao biti otkriven. Upravo za njegovo otkriće stvorena je instalacija za koju nije čuo samo najljeniji stanovnik Zemlje - Veliki hadronski sudarač. Povjerenje znanstvenika u uspjeh ovih studija pomoglo je u postizanju senzacionalnog rezultata. Higgsov bozon trenutno je najmanja čestica čije je postojanje praktično dokazano. Njegovo otkriće je vrlo važno za znanost, omogućilo je svim česticama da steknu masu. A da čestice nemaju masu, svemir ne bi mogao postojati. U njemu se nije mogla stvoriti niti jedna tvar.

Unatoč praktično dokazanom postojanju ove čestice, Higgsovog bozona, još uvijek nije izmišljena njegova praktična primjena. Za sada je to samo teoretsko znanje. Ali u budućnosti je sve moguće. Nisu sva otkrića u području fizike odmah imala praktičnu primjenu. Nitko ne zna što će se dogoditi za sto godina. Uostalom, kao što je ranije spomenuto, svijet i znanost nikada ne miruju.

U fizici, elementarne čestice su fizički objekti na razini atomske jezgre koji se ne mogu podijeliti na sastavne dijelove. Međutim, danas su znanstvenici uspjeli razdvojiti neke od njih. Strukturu i svojstva ovih sićušnih objekata proučava fizika čestica.

Najmanje čestice koje čine svu materiju poznate su od davnina. Međutim, utemeljiteljima takozvanog “atomizma” smatraju se starogrčki filozof Leukip i njegov poznatiji učenik Demokrit. Pretpostavlja se da je potonji skovao termin "atom". Sa starogrčkog "atomos" se prevodi kao "nedjeljiv", što određuje poglede antičkih filozofa.

Kasnije je postalo poznato da se atom još uvijek može podijeliti na dva fizička objekta - jezgru i elektron. Potonja je kasnije postala prva elementarna čestica, kada je 1897. Englez Joseph Thomson proveo pokus s katodnim zrakama i otkrio da su to struja identičnih čestica iste mase i naboja.

Paralelno s Thomsonovim radom, Henri Becquerel, koji proučava x-zrake, provodi pokuse s uranom i otkriva novu vrstu zračenja. Godine 1898. francuski par fizičara, Marie i Pierre Curie, proučavali su različite radioaktivne tvari, otkrivši isto radioaktivno zračenje. Kasnije će se ustanoviti da se sastoji od alfa čestica (2 protona i 2 neutrona) i beta čestica (elektrona), a Becquerel i Curie će dobiti Nobelovu nagradu. Tijekom istraživanja s elementima kao što su uran, radij i polonij, Marie Sklodowska-Curie nije poduzela nikakve sigurnosne mjere, uključujući čak ni korištenje rukavica. Zbog toga ju je 1934. godine sustigla leukemija. U znak sjećanja na postignuća velikog znanstvenika, element koji je otkrio bračni par Curie, polonij, nazvan je u čast Marijine domovine - Polonia, od latinskog - Poljska.

Fotografija s V Solvay kongresa 1927. Pokušajte pronaći sve znanstvenike iz ovog članka na ovoj fotografiji.

Od 1905. Albert Einstein svoje je publikacije posvetio nesavršenosti valne teorije svjetlosti, čiji su postulati bili u suprotnosti s rezultatima eksperimenata. Što je kasnije dovelo izvanrednog fizičara do ideje o "kvantu svjetlosti" - dijelu svjetlosti. Kasnije, 1926. godine, američki fizikalni kemičar Gilbert N. Lewis nazvao ga je "foton", u prijevodu s grčkog "phos" ("svjetlost").

Godine 1913. Ernest Rutherford, britanski fizičar, na temelju rezultata tada već izvedenih eksperimenata, primijetio je da su mase jezgri mnogih kemijskih elemenata višestruke mase jezgre vodika. Stoga je pretpostavio da je jezgra vodika sastavni dio jezgri drugih elemenata. Rutherford je u svom eksperimentu ozračio atom dušika alfa česticama, koje su kao rezultat emitirale određenu česticu, koju je Ernest nazvao "proton", od drugog grčkog "protos" (prvi, glavni). Kasnije je eksperimentalno potvrđeno da je proton jezgra vodika.

Očito, proton nije jedina komponenta jezgri kemijskih elemenata. Ova ideja je vođena činjenicom da bi se dva protona u jezgri međusobno odbijala, a atom bi se trenutno raspao. Stoga je Rutherford pretpostavio prisutnost druge čestice, koja ima masu jednaku masi protona, ali je nenabijena. Neki eksperimenti znanstvenika o interakciji radioaktivnih i lakših elemenata doveli su ih do otkrića još jednog novog zračenja. Godine 1932. James Chadwick je utvrdio da se sastoji od onih vrlo neutralnih čestica koje je nazvao neutroni.

Tako su otkrivene najpoznatije čestice: foton, elektron, proton i neutron.

Nadalje, otkriće novih subnuklearnih objekata postalo je sve češći događaj, a trenutno je poznato oko 350 čestica koje se općenito smatraju “elementarnim”. Oni od njih koji još nisu podijeljeni smatraju se besstrukturnim i nazivaju se "temeljni".

Što je spin?

Prije nego što se krene naprijed s daljnjim inovacijama u području fizike, moraju se odrediti karakteristike svih čestica. Najpoznatiji, osim mase i električnog naboja, uključuje i spin. Ta se veličina inače naziva "intrinzični kutni moment" i ni na koji način nije povezana s kretanjem subnuklearnog objekta kao cjeline. Znanstvenici su uspjeli detektirati čestice sa spinom 0, ½, 1, 3/2 i 2. Da biste vizualizirali, iako pojednostavljeno, vrtnju kao svojstvo objekta, razmotrite sljedeći primjer.

Neka objekt ima spin jednak 1. Tada će se takav objekt, kada se okrene za 360 stupnjeva, vratiti u prvobitni položaj. U avionu taj objekt može biti olovka, koja će nakon okretanja od 360 stupnjeva završiti u svom prvobitnom položaju. U slučaju nulte vrtnje, bez obzira kako se objekt okreće, uvijek će izgledati isto, na primjer, jednobojna kugla.

Za ½ vrtnje trebat će vam predmet koji zadržava svoj izgled kada se okrene za 180 stupnjeva. To može biti ista olovka, samo simetrično naoštrena s obje strane. Okretanje od 2 će zahtijevati održavanje oblika kada se okrene za 720 stupnjeva, a okretanje od 3/2 će zahtijevati 540.

Ova karakteristika je vrlo važna za fiziku čestica.

Standardni model čestica i interakcija

Imajući impresivan skup mikroobjekata koji čine svijet oko nas, znanstvenici su ih odlučili strukturirati i tako je nastala poznata teorijska struktura nazvana “Standardni model”. Ona opisuje tri interakcije i 61 česticu koristeći 17 fundamentalnih, od kojih je neke predvidjela davno prije otkrića.

Tri interakcije su:

• Elektromagnetski. Javlja se između električki nabijenih čestica. U jednostavnom slučaju, poznatom iz škole, suprotno nabijeni objekti se privlače, a slično nabijeni odbijaju. To se događa preko takozvanog nositelja elektromagnetske interakcije - fotona.
• Jaka, inače poznata kao nuklearna interakcija. Kao što naziv govori, njegovo djelovanje se proteže na objekte reda atomske jezgre; odgovoran je za privlačenje protona, neutrona i drugih čestica koje se također sastoje od kvarkova. Snažnu interakciju nose gluoni.
• Slab. Učinkovito na udaljenostima tisuću manjim od veličine jezgre. U toj interakciji sudjeluju leptoni i kvarkovi, kao i njihove antičestice. Štoviše, u slučaju slabe interakcije, oni se mogu transformirati jedni u druge. Nosioci su bozoni W+, W− i Z0.

Tako je standardni model formiran na sljedeći način. Uključuje šest kvarkova, od kojih se sastoje svi hadroni (čestice podložne snažnoj interakciji):

• Gornji(u);
• Začaran (c);
• istina(t);
• Donji (d);
• Čudno(s);
• Preslatka (b).

Jasno je da fizičari imaju mnogo epiteta. Ostalih 6 čestica su leptoni. To su fundamentalne čestice sa spinom ½ koje ne sudjeluju u jakoj interakciji.

• Elektron;
• Elektronski neutrino;
• mion;
• mionski neutrino;
• Tau lepton;
• Tau neutrino.

I treća skupina Standardnog modela su mjerni bozoni, koji imaju spin jednak 1 i predstavljeni su kao nositelji interakcija:

• Gluon – jak;
• Foton – elektromagnetski;
• Z-bozon - slab;
• W bozon je slab.

To također uključuje nedavno otkrivenu česticu spina 0, koja, jednostavno rečeno, daje inertnu masu svim ostalim subnuklearnim objektima.

Kao rezultat toga, prema standardnom modelu, naš svijet izgleda ovako: sva se materija sastoji od 6 kvarkova koji tvore hadrone i 6 leptona; sve te čestice mogu sudjelovati u tri interakcije, čiji su nositelji baždarni bozoni.

Nedostaci standardnog modela

Međutim, čak i prije otkrića Higgsovog bozona, posljednje čestice predviđene Standardnim modelom, znanstvenici su otišli izvan njegovih granica. Eklatantan primjer za to je tzv. “gravitacijske interakcije”, koja je danas ravnopravna s drugima. Pretpostavlja se da je njegov nositelj čestica sa spinom 2, koja nema masu, a koju fizičari još nisu uspjeli detektirati - "graviton".

Štoviše, Standardni model opisuje 61 česticu, a danas je čovječanstvu već poznato više od 350 čestica. To znači da posao teorijskih fizičara nije gotov.

Klasifikacija čestica

Kako bi im olakšali život, fizičari su grupirali sve čestice ovisno o njihovim strukturnim značajkama i drugim karakteristikama. Razvrstavanje se temelji na sljedećim kriterijima:

• Doživotno.
  1. Stabilan. To uključuje proton i antiproton, elektron i pozitron, foton i graviton. Postojanje stabilnih čestica nije vremenski ograničeno, sve dok su u slobodnom stanju, tj. nemoj komunicirati ni s čim.
  2. Nestabilan. Sve ostale čestice se nakon nekog vremena raspadnu na svoje sastavne dijelove, zbog čega se nazivaju nestabilnim. Na primjer, mion živi samo 2,2 mikrosekunde, a proton - 2,9 10 * 29 godina, nakon čega se može raspasti u pozitron i neutralni pion.
• Težina.
  1. Bezmasene elementarne čestice, kojih ima samo tri: foton, gluon i graviton.
  2. Masivne čestice su sve ostalo.
• Spin značenje.
  1. Cijeli spin, uklj. nula, imaju čestice koje se nazivaju bozoni.
  2. Čestice s polucijelim spinom su fermioni.
• Sudjelovanje u interakcijama.
  1. Hadroni (strukturne čestice) su subnuklearni objekti koji sudjeluju u sve četiri vrste interakcija. Ranije je spomenuto da se sastoje od kvarkova. Hadroni se dijele na dvije podvrste: mezoni (cijeli spin, bozoni) i barioni (polucijeli spin, fermioni).
  2. Fundamentalni (čestice bez strukture). To uključuje leptone, kvarkove i mjerne bozone (pročitajte ranije - “Standardni model..”).

Nakon što ste se upoznali s klasifikacijom svih čestica, možete, primjerice, točno odrediti neke od njih. Dakle neutron je fermion, hadron, bolje rečeno barion i nukleon, odnosno ima polucijeli spin, sastoji se od kvarkova i sudjeluje u 4 interakcije. Nukleon je zajednički naziv za protone i neutrone.

• Zanimljivo je da su Demokritovi protivnici atomizma, koji je predvidio postojanje atoma, tvrdili da je svaka tvar na svijetu podijeljena na neodređeno vrijeme. Donekle bi se moglo pokazati da su u pravu, jer su znanstvenici atom već uspjeli podijeliti na jezgru i elektron, jezgru na proton i neutron, a ove pak na kvarkove.
• Demokrit je pretpostavio da atomi imaju jasan geometrijski oblik, pa stoga "oštri" atomi vatre gore, hrapavi atomi čvrstih tijela čvrsto se drže zajedno svojim izbočinama, a glatki atomi vode klize tijekom interakcije, inače teku.
• Joseph Thomson sastavio je vlastiti model atoma, koji je vidio kao pozitivno nabijeno tijelo u koje se činilo da su elektroni "zaglavljeni". Njegov model je nazvan "Model pudinga od šljiva".
• Kvarkovi su svoje ime dobili zahvaljujući američkom fizičaru Murrayu Gell-Mannu. Znanstvenik je htio upotrijebiti riječ sličnu zvuku pačjeg kvakanja (kwork). No, u romanu Finnegans Wake Jamesa Joycea naišao je na riječ “quark” u stihu “Tri quarks for Mr. Mark!”, čije značenje nije točno definirano i moguće je da ju je Joyce upotrijebio samo radi rime. Murray je odlučio nazvati čestice ovom riječju, budući da su u to vrijeme bila poznata samo tri kvarka.
• Iako su fotoni, čestice svjetlosti, bez mase, čini se da u blizini crne rupe mijenjaju svoju putanju jer ih privlače gravitacijske sile. Zapravo, supermasivno tijelo savija prostor-vrijeme, zbog čega sve čestice, uključujući i one bez mase, mijenjaju putanju prema crnoj rupi (vidi).
• Veliki hadronski sudarač je “hadronski” upravo zato što sudara dva usmjerena snopa hadrona, čestica dimenzija veličine atomske jezgre koje sudjeluju u svim interakcijama.

Na pitanje Koja je najmanja čestica u svemiru? Kvark, neutrino, Higgsov bozon ili Planckova crna rupa? dao autor bijele rase najbolji odgovor je da su sve fundamentalne čestice veličine nula (radijus je nula). Po težini. Postoje čestice čija je masa jednaka nuli (foton, gluon, graviton). Od masivnih najmanju masu imaju neutrini (manje od 0,28 eV/s^2, točnije još nisu izmjereni). Frekvencija i vrijeme nisu karakteristike čestica. Možete govoriti o vremenima života, ali ovo je drugačiji razgovor.

Odgovor od Šav[guru]
Mosk zerobubus.

Odgovor od Mihail Levin[guru]
Zapravo, praktički ne postoji koncept "veličine" u mikrokozmosu. Dobro, za jezgru se još uvijek može govoriti o nekakvom analogu veličine, na primjer, kroz vjerojatnost ulaska elektrona iz snopa u nju, ali za manje - ne.

Odgovor od napraviti krista[guru]
“veličina” elementarne čestice je karakteristika čestice koja odražava prostornu raspodjelu njezine mase ili električnog naboja; obično govore o tzv. srednji kvadratni radijus distribucije električnog naboja (koji istovremeno karakterizira distribuciju mase)
Kalibracijski bozoni i leptoni, unutar točnosti izvedenih mjerenja, ne pokazuju konačne "dimenzije". To znači da njihove "veličine"< 10^-16 см
Za razliku od istinski elementarnih čestica, "veličine" hadrona su konačne. Njihov karakteristični srednji kvadratni polumjer određen je radijusom zatvorenosti (ili zatvorenosti kvarkova) i reda je veličine jednakog 10^-13 cm. Štoviše, on, naravno, varira od hadrona do hadrona.

Odgovor od Kirill Odding[guru]
Jedan od velikih fizičara rekao je (možda ne Niels Bohr?) "Ako uspijete objasniti kvantnu mehaniku vizualnim terminima, idite i primite Nobelovu nagradu."

Odgovor od SerŠkod Polikanov Sergej[guru]
Koja je najmanja elementarna čestica u svemiru?
Elementarne čestice koje stvaraju gravitacijski učinak.
Čak i manje?
Elementarne čestice koje pokreću one koje stvaraju gravitacijski učinak
ali su i sami uključeni u ovo.
Postoje još manje elementarne čestice.
Njihovi parametri ne ulaze niti u izračune jer su strukture i njihovi fizički parametri nepoznati.

Odgovor od Miša Nikitin[aktivan]
KVARK

Odgovor od Matipati kipirofinovich[aktivan]
PLANCK CRNA RUPA

Odgovor od Brate qwerty[novak]
Kvarkovi su najmanje čestice na svijetu. Za svemir ne postoji koncept veličine; on je neograničen. Ako izmislite stroj da smanjite čovjeka, tada će se moći beskonačno smanjivati ​​sve manje, manje, manje... Da, kvark je najmanja “čestica” Ali postoji nešto manje od čestice. Prostor. Ne. Ima. Veličina.

Odgovor od Anton Kuročka[aktivan]
Proton Neutron 1*10^-15 1 femtometar
Quark-U Quark-D Electron 1*10^-18 1 atometar
Quark-S 4*10^-19 400 zeptometara
Quark-C 1*10^-19 100 zeptometara
Quark-B 3*10^-20 30 zeptometara
Neutrini visoke energije 1,5*10^-20 15 zeptometara
Preon 1*10^-21 1 zeptometar
Quark-T 1*10^-22 100 joktometara
MeV Neutrino 2*10^-23 20 joktometara
Neutrino 1*10^-24 1 joktometar - (jako mala veličina!!!) -
Plonk čestica 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 joktometar
Quantum pjena Quantum string 1*10^-35 0,000 000 000 01 yoktometar
Ovo je tablica veličina čestica. I ovdje možete vidjeti da je najmanja čestica Planckova čestica, ali budući da je premala, neutrino je najmanja čestica. Ali za svemir samo je Planckova duljina manja

Neutrini, nevjerojatno sićušne čestice u svemiru, fasciniraju znanstvenike već gotovo stoljeće. Za istraživanje neutrina dodijeljeno je više Nobelovih nagrada nego za rad na bilo kojoj drugoj čestici, a golema postrojenja se grade za njihovo proučavanje s proračunom malih država. Alexander Nozik, viši istraživač na Institutu za nuklearna istraživanja Ruske akademije znanosti, nastavnik na MIPT-u i sudionik eksperimenta "Troitsk nu-mass" za traženje mase neutrina, govori kako je proučavati, ali većina što je najvažnije, kako ga uopće uhvatiti.

Misterij ukradene energije

Povijest istraživanja neutrina može se čitati kao fascinantna detektivska priča. Ova je čestica više puta testirala deduktivne sposobnosti znanstvenika: nije se svaka zagonetka mogla odmah riješiti, a neke još nisu riješene. Počnimo s poviješću otkrića. Radioaktivni raspadi raznih vrsta počeli su se proučavati krajem 19. stoljeća i ne čudi da su dvadesetih godina prošlog stoljeća znanstvenici u svom arsenalu imali ne samo instrumente za snimanje samog raspada, već i za mjerenje energije čestica koje bježe, iako ne osobito točan prema današnjim standardima. Kako je točnost instrumenata rasla, tako je rasla radost znanstvenika i zbunjenost povezana, među ostalim, s beta raspadom, u kojem elektron izleti iz radioaktivne jezgre, a sama jezgra promijeni svoj naboj. Ovaj raspad se naziva dvočestični, jer proizvodi dvije čestice - novu jezgru i elektron. Svaki će srednjoškolac objasniti da je moguće točno odrediti energiju i zamah fragmenata u takvom raspadu koristeći zakone očuvanja i poznavajući mase tih fragmenata. Drugim riječima, energija npr. elektrona uvijek će biti ista u svakom raspadu jezgre određenog elementa. U praksi je uočena potpuno drugačija slika. Energija elektrona ne samo da nije bila fiksna, već je bila raširena u kontinuirani spektar sve do nule, što je zbunilo znanstvenike. To se može dogoditi samo ako netko ukrade energiju iz beta raspada. No, čini se da ga nema tko ukrasti.

S vremenom su instrumenti postajali sve precizniji i ubrzo je nestala mogućnost da se takva anomalija pripiše pogrešci opreme. Tako je nastala misterija. U potrazi za njegovim rješenjem, znanstvenici su iznosili razne, čak i za današnje standarde potpuno apsurdne pretpostavke. Sam Niels Bohr je, primjerice, dao ozbiljnu izjavu da zakoni očuvanja ne vrijede u svijetu elementarnih čestica. Wolfgang Pauli spasio je stvar 1930. Nije mogao prisustvovati konferenciji fizike u Tübingenu i, budući da nije mogao sudjelovati na daljinu, poslao je pismo koje je tražio da ga se pročita. Evo izvadaka iz njega:

“Drage radioaktivne dame i gospodo. Molim vas da u najprikladnijem trenutku pažljivo saslušate glasnika koji je dostavio ovo pismo. Reći će vam da sam pronašao odličan lijek za zakon očuvanja i ispravnu statistiku. Leži u mogućnosti postojanja električki neutralnih čestica... Kontinuitet B-spektra postat će jasan ako pretpostavimo da se tijekom B-raspada takav “neutron” emitira zajedno sa svakim elektronom, a zbroj energija “neutrona” i elektrona je konstantna...”

Na kraju pisma bili su sljedeći redovi:

“Ako ne riskirate, nećete pobijediti. Ozbiljnost situacije kada se razmatra kontinuirani B-spektar postaje posebno jasna nakon riječi prof. Debye, koji mi je sa žaljenjem rekao: "Oh, bolje je ne razmišljati o svemu ovome... kao o novim porezima." Stoga je potrebno ozbiljno razgovarati o svakom putu do spasenja. Dakle, dragi radioaktivni ljudi, stavite ovo na test i prosudite.”

Kasnije je sam Pauli izrazio bojazan da, iako je njegova ideja spasila fiziku mikrosvijeta, nova čestica nikada neće biti eksperimentalno otkrivena. Kažu da je čak raspravljao s kolegama da čestica postoji, ne bi je bilo moguće detektirati tijekom njihova života. Tijekom sljedećih nekoliko godina Enrico Fermi razvio je teoriju beta raspada koja uključuje česticu koju je nazvao neutrino, a koja se sjajno slagala s eksperimentom. Nakon toga više nitko nije sumnjao da hipotetska čestica doista postoji. Godine 1956., dvije godine prije Paulijeve smrti, tim Fredericka Reinesa i Clydea Cowana eksperimentalno je otkrio neutrine u obrnutom beta raspadu (za što je Reines dobio Nobelovu nagradu).

Slučaj nestalih solarnih neutrina

Nakon što je postalo jasno da se neutrini, iako teško, ipak mogu otkriti, znanstvenici su počeli pokušavati otkriti neutrine izvanzemaljskog podrijetla. Njihov najočitiji izvor je Sunce. U njemu se neprestano događaju nuklearne reakcije, a može se izračunati da kroz svaki kvadratni centimetar zemljine površine prođe oko 90 milijardi solarnih neutrina u sekundi.

U to vrijeme najučinkovitija metoda hvatanja solarnih neutrina bila je radiokemijska metoda. Njegova suština je sljedeća: solarni neutrino stiže na Zemlju, stupa u interakciju s jezgrom; rezultat je, recimo, jezgra 37Ar i elektron (upravo je takva reakcija korištena u eksperimentu Raymonda Davisa, za što je kasnije dobio Nobelovu nagradu). Nakon toga, brojanjem broja atoma argona, možemo reći koliko je neutrina interagiralo u volumenu detektora tijekom ekspozicije. U praksi, naravno, sve nije tako jednostavno. Morate razumjeti da trebate prebrojati pojedinačne atome argona u meti teškoj stotine tona. Omjer mase približno je isti kao između mase mrava i mase Zemlje. Tada je otkriveno da je ⅔ solarnih neutrina ukradeno (izmjereni tok bio je tri puta manji od predviđenog).

Naravno, sumnja je prvo pala na samo Sunce. Uostalom, o njegovom unutarnjem životu možemo suditi samo posrednim znakovima. Ne zna se kako na njemu nastaju neutrini, a čak je moguće da su svi modeli Sunca pogrešni. Raspravljalo se o dosta različitih hipoteza, ali na kraju su znanstvenici počeli naginjati ideji da to nije Sunce, već lukava priroda samih neutrina.

Mala povijesna digresija: u razdoblju između eksperimentalnog otkrića neutrina i pokusa proučavanja solarnih neutrina dogodilo se još nekoliko zanimljivih otkrića. Najprije su otkriveni antineutrini i dokazano je da neutrini i antineutrini različito sudjeluju u interakcijama. Štoviše, svi su neutrini u svim interakcijama uvijek lijevokretni (projekcija spina na smjer gibanja je negativna), a svi antineutrini desnokretni. Ne samo da je ovo svojstvo uočeno među svim elementarnim česticama samo kod neutrina, ono neizravno ukazuje i na to da naš Svemir u načelu nije simetričan. Drugo, otkriveno je da svaki nabijeni lepton (elektron, mion i tau lepton) ima svoju vlastitu vrstu ili okus neutrina. Štoviše, neutrini svake vrste međusobno djeluju samo sa svojim leptonom.

Vratimo se našem solarnom problemu. Još 50-ih godina 20. stoljeća sugerirano je da leptonski okus (vrsta neutrina) ne mora biti očuvan. To jest, ako je elektronski neutrino rođen u jednoj reakciji, tada se na putu do druge reakcije neutrino može promijeniti i pokrenuti kao mion. To bi moglo objasniti nedostatak solarnih neutrina u radiokemijskim eksperimentima koji su osjetljivi samo na elektronske neutrine. Ova je hipoteza briljantno potvrđena mjerenjima toka solarnih neutrina u eksperimentima scintilacije velike vodene mete SNO i Kamiokande (za što je nedavno dodijeljena još jedna Nobelova nagrada). U tim eksperimentima više se ne proučava inverzni beta raspad, već reakcija raspršenja neutrina, koja se može dogoditi ne samo s elektronskim, već i s mionskim neutrinima. Kada su umjesto toka elektronskih neutrina počeli mjeriti ukupni tok svih vrsta neutrina, rezultati su savršeno potvrdili prijelaz neutrina iz jedne vrste u drugu, odnosno oscilacije neutrina.

Napad na standardni model

Otkriće oscilacija neutrina, riješivši jedan problem, stvorilo je nekoliko novih. Stvar je u tome da su se od vremena Paulija neutrini smatrali česticama bez mase poput fotona, a to je svima odgovaralo. Pokušaji mjerenja mase neutrina su se nastavili, ali bez puno entuzijazma. Oscilacije su promijenile sve, budući da je za njihovo postojanje potrebna masa, koliko god mala bila. Otkriće mase u neutrinima, naravno, oduševilo je eksperimentatore, ali je zbunilo teoretičare. Prvo, masivni neutrini ne uklapaju se u standardni model fizike čestica, koji su znanstvenici gradili od početka 20. stoljeća. Drugo, ista misteriozna lijevokretnost neutrina i desnokretnost antineutrina dobro je objašnjena samo, opet, za čestice bez mase. Ako postoji masa, ljevoruki neutrini bi se s određenom vjerojatnošću trebali pretvoriti u desnokretne, odnosno u antičestice, kršeći naizgled nepromjenjivi zakon očuvanja leptonskog broja, ili se čak pretvoriti u neku vrstu neutrina koji ne sudjeluju u interakciji. Danas se takve hipotetske čestice obično nazivaju sterilni neutrini.

Detektor neutrina "Super Kamiokande" © Zvjezdarnica Kamioka, ICRR (Institut za istraživanje kozmičkih zraka), Sveučilište u Tokiju

Naravno, eksperimentalna potraga za masom neutrina odmah je naglo nastavljena. Ali odmah se postavilo pitanje: kako izmjeriti masu nečega što se ne može uhvatiti? Postoji samo jedan odgovor: ne hvatajte neutrine uopće. Danas se najaktivnije razvijaju dva pravca - izravna potraga za masom neutrina u beta raspadu i promatranje dvostrukog beta raspada bez neutrina. U prvom slučaju, ideja je vrlo jednostavna. Jezgra se raspada zračenjem elektrona i neutrina. Nije moguće uhvatiti neutrino, ali je moguće uhvatiti i izmjeriti elektron s vrlo velikom točnošću. Elektronski spektar također nosi informaciju o masi neutrina. Takav eksperiment jedan je od najtežih u fizici čestica, no njegova je apsolutna prednost što se temelji na osnovnim principima očuvanja energije i količine gibanja i njegov rezultat ovisi o malo čemu. Trenutno je najbolja granica mase neutrina oko 2 eV. To je 250 tisuća puta manje od elektrona. Odnosno, sama masa nije pronađena, već je samo ograničena gornjim okvirom.

S dvostrukim beta raspadom stvari su kompliciranije. Ako pretpostavimo da se neutrino pretvara u antineutrino tijekom spin flip-a (ovaj model je nazvan prema talijanskom fizičaru Ettoreu Majorani), tada je moguć proces kada se dva beta raspada dogode istovremeno u jezgri, ali neutrini ne izlete van, već ali su smanjene. Vjerojatnost takvog procesa povezana je s masom neutrina. Gornje granice u takvim eksperimentima su bolje - 0,2 - 0,4 eV - ali ovise o fizičkom modelu.

Problem masivnih neutrina još nije riješen. Higgsova teorija ne može objasniti tako male mase. Zahtijeva značajno kompliciranje ili korištenje nekih lukavijih zakona prema kojima neutrini međusobno djeluju s ostatkom svijeta. Fizičarima koji se bave istraživanjem neutrina često se postavlja pitanje: “Kako istraživanje neutrina može pomoći prosječnoj osobi? Koja se financijska ili druga korist može izvući iz ove čestice? Fizičari sliježu ramenima. A oni to stvarno ne znaju. Nekad davno, proučavanje poluvodičkih dioda bilo je čisto fundamentalna fizika, bez ikakve praktične primjene. Razlika je u tome što se tehnologije koje se razvijaju za stvaranje modernih eksperimenata u fizici neutrina danas široko koriste u industriji, tako da se svaki novčić uložen u ovo područje prilično brzo isplati. Trenutno se diljem svijeta provodi nekoliko eksperimenata čija je skala usporediva s skalom Velikog hadronskog sudarača; ovi eksperimenti su usmjereni isključivo na proučavanje svojstava neutrina. Ne zna se u kojoj će od njih biti moguće otvoriti novu stranicu fizike, ali će se sigurno otvoriti.