Prologs. zināšanas par eksistenci vai kas ir mazākā daļiņa Visumā? Tikai par kompleksu: Visuma mazākās daļiņas noslēpums jeb kā noķert neitrīno

Atbilde uz nebeidzamo jautājumu: kurš no tiem attīstījās līdz ar cilvēci.

Reiz cilvēki domāja, ka smilšu graudi ir pamatelementi tam, ko mēs redzam sev apkārt. Pēc tam atoms tika atklāts un uzskatīts par nedalāmu, līdz tas tika sadalīts, lai atklātu protonus, neitronus un elektronus. Tās arī nebija mazākās daļiņas Visumā, jo zinātnieki atklāja, ka protoni un neitroni sastāv no trim kvarkiem katrs.

Pagaidām zinātniekiem nav izdevies saskatīt nekādus pierādījumus tam, ka kvarku iekšienē kaut kas atrastos un ka ir sasniegts visfundamentālākais matērijas slānis vai mazākā daļiņa Visumā.

Un pat tad, ja kvarki un elektroni ir nedalāmi, zinātnieki nezina, vai tie ir mazākie matērijas gabaliņi, vai arī Visums satur objektus, kas ir vēl mazāki.

Vismazākās daļiņas Visumā

Tie ir dažādās garšās un izmēros, daži tādi ir pārsteidzošs savienojums, citi būtībā iztvaiko viens otru, daudziem no tiem ir fantastiski nosaukumi: kvarki, kas sastāv no barioniem un mezoniem, neitroni un protoni, nukleoni, hiperoni, mezoni, barioni, nukleoni, fotoni utt.

Higsa bozons ir zinātnei tik svarīga daļiņa, ka to sauc par “Dieva daļiņu”. Tiek uzskatīts, ka tas nosaka visu pārējo masu. Pirmo reizi šis elements tika teoretizēts 1964. gadā, kad zinātnieki prātoja, kāpēc dažas daļiņas ir masīvākas par citām.

Higsa bozons ir saistīts ar tā saukto Higsa lauku, kas, domājams, aizpilda Visumu. Divi elementi (Higsa lauka kvants un Higsa bozons) ir atbildīgi par masas piešķiršanu pārējiem. Nosaukts skotu zinātnieka Pītera Higsa vārdā. Ar 2013. gada 14. marta palīdzību tika oficiāli paziņots par Higsa bozona esamības apstiprinājumu.

Daudzi zinātnieki apgalvo, ka Higsa mehānisms ir atrisinājis trūkstošo mīklas daļu, lai pabeigtu esošo fizikas "standarta modeli", kas apraksta zināmās daļiņas.

Higsa bozons fundamentāli noteica visu Visumā esošā masu.

Kvarki (kas nozīmē kvarki) ir protonu un neitronu celtniecības bloki. Viņi nekad nav vieni, pastāv tikai grupās. Acīmredzot spēks, kas saista kvarkus kopā, palielinās līdz ar attālumu, tāpēc, jo tālāk dosies, jo grūtāk būs tos atdalīt. Tāpēc brīvie kvarki dabā nekad nepastāv.

Kvarki ir pamatdaļiņas ir bezstruktūras, smailas apmēram 10-16 cm liels .

Piemēram, protonus un neitronus veido trīs kvarki, kur protoni satur divus identiskus kvarkus, bet neitroniem ir divi dažādi kvarki.

Supersimetrija

Ir zināms, ka matērijas pamata “celtniecības bloki” fermioni ir kvarki un leptoni, bet spēka sargātāji – bozoni – ir fotoni un gluoni. Supersimetrijas teorija saka, ka fermioni un bozoni var pārveidoties viens otrā.

Paredzētā teorija apgalvo, ka katrai mums zināmajai daļiņai ir radniecīga daļiņa, kuru mēs vēl neesam atklājuši. Piemēram, elektronam tas ir selekrons, kvarks ir skvarks, fotons ir fotono, un higs ir higsino.

Kāpēc mēs tagad nenovērojam šo supersimetriju Visumā? Zinātnieki uzskata, ka viņi ir daudz smagāki par saviem parastajiem brālēniem un, jo smagāki viņi ir, jo īsāks ir viņu mūžs. Patiesībā tie sāk sabrukt, tiklīdz tie rodas. Supersimetrijas radīšana prasa ļoti liels daudzums enerģija, kas pastāvēja tikai neilgi pēc tam lielais sprādziens un, iespējams, to varētu izveidot lielos paātrinātājos, piemēram, lielajā hadronu paātrinātājā.

Runājot par to, kāpēc simetrija radās, fiziķi izvirza teoriju, ka simetrija varētu būt salauzta kādā slēptā Visuma sektorā, kuru mēs nevaram redzēt vai pieskarties, bet varam sajust tikai gravitācijas ceļā.

Neitrīno

Neitrīni ir vieglas subatomiskas daļiņas, kas visur svilpo ar tuvu gaismas ātrumu. Faktiski triljoni neitrīno jebkurā brīdī plūst caur jūsu ķermeni, lai gan tie reti mijiedarbojas ar normālu vielu.

Daži nāk no saules, bet citi no kosmiskie stari mijiedarbojoties ar Zemes atmosfēru un astronomiskiem avotiem, piemēram, Piena Ceļa un citu tālu galaktiku eksplodējošām zvaigznēm.

Antimatērija

Tiek uzskatīts, ka visām normālām daļiņām ir antimateriāls ar vienādu masu, bet pretēju lādiņu. Kad matērija satiekas, viņi iznīcina viens otru. Piemēram, protona antimatērijas daļiņa ir antiprotons, bet elektrona antimatērijas partneri sauc par pozitronu. Antimateriāls attiecas uz tiem, kurus cilvēki ir spējuši identificēt.

Gravitoni

Kvantu mehānikas jomā visus fundamentālos spēkus pārraida daļiņas. Piemēram, gaismu veido bezmasas daļiņas, ko sauc par fotoniem, kas nes elektromagnētisko spēku. Tāpat gravitons ir teorētiska daļiņa, kas nes gravitācijas spēku. Zinātniekiem vēl nav atklāti gravitoni, kurus ir grūti atrast, jo tie tik vāji mijiedarbojas ar vielu.

Enerģijas pavedieni

Eksperimentos sīkas daļiņas, piemēram, kvarki un elektroni, darbojas kā atsevišķi matērijas punkti bez telpiskā sadalījuma. Bet punktveida objekti sarežģī fizikas likumus. Tā kā nav iespējams bezgalīgi tuvu pietuvoties punktam, kopš aktīvie spēki, var kļūt bezgalīgi liels.

Ideja, ko sauc par superstīgu teoriju, varētu atrisināt šo problēmu. Teorija apgalvo, ka visas daļiņas tā vietā, lai būtu punktveida, patiesībā ir mazi enerģijas pavedieni. Tas ir, visi objekti mūsu pasaulē sastāv no vibrējošiem pavedieniem un enerģijas membrānām.
Nekas nevar būt bezgalīgi tuvu pavedienam, jo viena daļa vienmēr būs nedaudz tuvāk par otru. Šķiet, ka šī nepilnība atrisina dažas problēmas ar bezgalību, padarot ideju pievilcīgu fiziķiem. Tomēr zinātniekiem joprojām nav eksperimentālu pierādījumu, ka stīgu teorija ir pareiza.

Vēl viens veids, kā atrisināt punktu problēmu, ir teikt, ka pati telpa nav nepārtraukta un gluda, bet faktiski sastāv no diskrētiem pikseļiem vai graudiem, ko dažreiz sauc par telpas-laika struktūru. Šajā gadījumā abas daļiņas nevarēs tuvoties viena otrai bezgalīgi, jo tām vienmēr jābūt atdalītām ar minimālu telpas graudu izmēru.

Melnā cauruma punkts

Vēl viens pretendents uz Visuma mazākās daļiņas titulu ir singularitāte (viens punkts) melnā cauruma centrā. Melnie caurumi veidojas, kad viela kondensējas telpā, kas ir pietiekami maza, lai to satvertu gravitācija, izraisot matērijas ievilkšanu uz iekšu, galu galā kondensējoties vienā bezgalīga blīvuma punktā. Vismaz pēc pašreizējiem fizikas likumiem.

Taču lielākā daļa ekspertu neuzskata, ka melnie caurumi ir patiesi bezgala blīvi. Viņi uzskata, ka šī bezgalība ir iekšēja konflikta rezultāts starp divām pašreizējām teorijām – vispārējo relativitāti un kvantu mehāniku. Viņi liek domāt, ka tad, kad varēs formulēt kvantu gravitācijas teoriju, tiks atklāta melno caurumu patiesā būtība.

Planka garums

Enerģijas pavedieni un pat vismazākā daļiņa Visumā var būt “planka garuma” lielumā.

Stieņa garums ir 1,6 x 10 -35 metri (pirms skaitļa 16 ir 34 nulles un komata) - neaptverami mazs mērogs, kas saistīts ar dažādiem fizikas aspektiem.

Planka garums ir “dabiskā garuma vienība”, ko ierosināja vācu fiziķis Makss Planks.

Planka garums ir pārāk īss, lai to varētu izmērīt, taču tiek uzskatīts, ka tas atspoguļo īsākā izmērāmā garuma teorētisko robežu. Saskaņā ar nenoteiktības principu neviens instruments nekad nevarētu izmērīt neko mazāk, jo šajā diapazonā Visums ir varbūtējs un nenoteikts.

Šī skala tiek uzskatīta arī par dalījuma līniju starp vispārējo relativitāti un kvantu mehāniku.

Planka garums atbilst attālumam, kurā gravitācijas lauks ir tik spēcīgs, ka tas var sākt veidot melnos caurumus no lauka enerģijas.

Acīmredzot šobrīd Vismazākā daļiņa ir aptuveni dēļa izmēra: 1,6 x 10–35 metri

Jau no skolas laikiem bija zināms, ka vismazākajai Visuma daļiņai elektronam ir negatīvs lādiņš un ļoti maza masa, kas vienāda ar 9,109 x 10 - 31 kg, un elektrona klasiskais rādiuss ir 2,82 x 10 -15 m.

Tomēr fiziķi jau darbojas ar vismazākajām daļiņām Visumā, Planka izmēru, kas ir aptuveni 1,6 x 10–35 metri.

Neitrīni, neticami niecīga daļiņa Visumā, ir fascinējuši zinātniekus gandrīz gadsimtu. Par neitrīno pētījumiem ir piešķirts vairāk Nobela prēmiju nekā par darbu ar jebkuru citu daļiņu, un tiek būvētas milzīgas iekārtas, lai to pētītu ar mazo valstu budžeta līdzekļiem. Aleksandrs Noziks, Krievijas Zinātņu akadēmijas Kodolpētniecības institūta vecākais pētnieks, MIPT pasniedzējs un neitrīno masas meklēšanas eksperimenta “Troitsk nu-mass” dalībnieks, stāsta, kā to pētīt, taču lielākā daļa galvenais, kā to vispirms noķert.

Nozagtās enerģijas noslēpums

Neitrīno izpētes vēsturi var lasīt kā aizraujošu detektīvu. Šī daļiņa ne reizi vien ir pārbaudījusi zinātnieku deduktīvās spējas: ne katru mīklu varēja atrisināt uzreiz, un dažas vēl nav atrisinātas. Sāksim ar atklājuma vēsturi. Radioaktīvā sabrukšana 19. gadsimta beigās sāka pētīt dažādus veidus, un nav pārsteidzoši, ka 20. gados zinātnieku arsenālā bija ne tikai instrumenti paša sabrukšanas fiksēšanai, bet arī izplūstošo daļiņu enerģijas mērīšanai, lai gan ne. īpaši precīzi pēc mūsdienu standartiem. Pieaugot instrumentu precizitātei, pieauga arī zinātnieku prieks un apjukums, kas cita starpā saistīts ar beta sabrukšanu, kurā no radioaktīvā kodola izlido elektrons, un pats kodols maina savu lādiņu. Šo sabrukšanu sauc par divu daļiņu, jo tā rada divas daļiņas - jaunu kodolu un elektronu. Jebkurš vidusskolēns paskaidros, ka šādā sabrukšanas laikā ir iespējams precīzi noteikt fragmentu enerģiju un impulsu, izmantojot saglabāšanas likumus un zinot šo fragmentu masas. Citiem vārdiem sakot, jebkura elementa kodola sabrukšanas gadījumā, piemēram, elektrona enerģija vienmēr būs vienāda. Praksē tika novērota pavisam cita aina. Elektronu enerģija ne tikai nebija fiksēta, bet arī tika izplatīta nepārtrauktā spektrā līdz nullei, kas izraisīja zinātnieku neizpratni. Tas var notikt tikai tad, ja kāds nozog enerģiju no beta sabrukšanas. Bet šķiet, ka nav neviena, kas to nozagtu.

Laika gaitā instrumenti kļuva arvien precīzāki, un drīz vien pazuda iespēja šādu anomāliju attiecināt uz iekārtas kļūdu. Tādējādi radās noslēpums. Meklējot tā risinājumu, zinātnieki izteikuši dažādus, pat pēc mūsdienu standartiem pilnīgi absurdus pieņēmumus. Pats Nīls Bors, piemēram, izteica nopietnu paziņojumu, ka saglabāšanas likumi elementārdaļiņu pasaulē nedarbojas. Volfgangs Pauli izglāba situāciju 1930. gadā. Viņš nevarēja ierasties uz fizikas konferenci Tībingenā un, nespējot piedalīties attālināti, nosūtīja vēstuli, kuru lūdza nolasīt. Šeit ir izvilkumi no tā:

“Dārgie radioaktīvie dāmas un kungi! Es lūdzu jūs ar uzmanību visērtākajā brīdī uzklausīt sūtni, kurš nogādājis šo vēstuli. Viņš jums pateiks, ka esmu atradis lielisku līdzekli saglabāšanas likumam un pareizai statistikai. Tas slēpjas elektriski neitrālu daļiņu pastāvēšanas iespējamībā... B spektra nepārtrauktība kļūs skaidra, ja pieņemsim, ka B sabrukšanas laikā šāds “neitrons” tiek emitēts kopā ar katru elektronu, un summa "neitrona" un elektrona enerģija ir nemainīga..."

Vēstules beigās bija šādas rindas:

"Ja jūs neuzņematies risku, jūs neuzvarēsit. Situācijas smagums, ņemot vērā nepārtraukto B spektru, kļūst īpaši skaidrs pēc prof. Debijs, kurš man ar nožēlu teica: "Ak, labāk nedomāt par to visu ... kā par jauniem nodokļiem." Tāpēc ir nopietni jāapspriež katrs ceļš uz pestīšanu. Tātad, dārgie radioaktīvie cilvēki, pārbaudiet to un spriediet.

Vēlāk pats Pauli pauda bažas, ka, lai gan viņa ideja izglāba mikropasaules fiziku, jaunā daļiņa nekad netiks atklāta eksperimentāli. Viņi saka, ka viņš pat strīdējās ar saviem kolēģiem, ka, ja daļiņa pastāvētu, viņu dzīves laikā to nebūtu iespējams atklāt. Dažu nākamo gadu laikā Enriko Fermi izstrādāja beta sabrukšanas teoriju, iesaistot daļiņu, ko viņš sauca par neitrīno, kas lieliski piekrita eksperimentam. Pēc tam nevienam nebija šaubu, ka hipotētiskā daļiņa patiešām pastāv. 1956. gadā, divus gadus pirms Pauli nāves, Frederika Reinesa un Klaida Kovana komanda eksperimentāli atklāja neitrīnus reversā beta sabrukšanas procesā (Reins saņēma Nobela prēmija).

Pazudušo saules neitrīnu lieta

Tiklīdz kļuva skaidrs, ka neitrīnos, lai arī sarežģītus, tomēr var atklāt, zinātnieki sāka mēģināt notvert neitrīnos. ārpuszemes izcelsme. Viņu visredzamākais avots ir Saule. Tajā pastāvīgi notiek kodolreakcijas, un var aprēķināt, ka katrs kvadrātcentimetrs zemes virsma Sekundē cauri iziet aptuveni 90 miljardi saules neitrīno.

Tajā brīdī visvairāk efektīva metode Saules neitrīno ķeršana bija radioķīmiska metode. Tās būtība ir šāda: Saules neitrīno ierodas uz Zemes, mijiedarbojas ar kodolu; rezultāts ir, teiksim, 37Ar kodols un elektrons (tieši tāda reakcija tika izmantota Raimonda Deivisa eksperimentā, par ko viņam vēlāk tika piešķirta Nobela prēmija). Pēc tam, saskaitot argona atomu skaitu, mēs varam pateikt, cik neitrīno mijiedarbojās detektora tilpumā ekspozīcijas laikā. Praksē, protams, viss nav tik vienkārši. Jums jāsaprot, ka mērķī, kas sver simtiem tonnu, ir jāsaskaita atsevišķi argona atomi. Masu attiecība ir aptuveni tāda pati kā starp skudras masu un Zemes masu. Toreiz tika atklāts, ka ir nozagta ⅔ saules neitrīno (izmērītā plūsma bija trīs reizes mazāka, nekā prognozēts).

Protams, aizdomas vispirms krita uz pašu Sauli. Galu galā par viņa iekšējo dzīvi mēs varam spriest tikai pēc netiešām pazīmēm. Nav zināms, kā uz tā rodas neitrīni, un pat iespējams, ka visi Saules modeļi ir nepareizi. Tika apspriests diezgan daudz dažādu hipotēžu, taču galu galā zinātnieki sāka sliecas uz domu, ka tā nav Saule, bet gan pašu neitrīno viltīgā daba.

Neliela vēsturiska atkāpe: laika posmā starp neitrīno eksperimentālo atklāšanu un saules neitrīno izpētes eksperimentiem notika vēl vairāki interesanti atklājumi. Pirmkārt, tika atklāti antineitrīni un tika pierādīts, ka neitrīno un antineitrono mijiedarbībā piedalās atšķirīgi. Turklāt visi neitrīno visās mijiedarbībās vienmēr ir kreisi (griešanās projekcija kustības virzienam ir negatīva), un visi antineitrīni ir labās puses. Šī īpašība ne tikai tiek novērota starp visām elementārdaļiņām tikai neitrīnos, bet arī netieši norāda, ka mūsu Visums principā nav simetrisks. Otrkārt, tika atklāts, ka katram lādētam leptonam (elektronam, mionam un tau leptonam) ir savs neitrīno tips jeb aromāts. Turklāt katra veida neitrīno mijiedarbojas tikai ar savu leptonu.

Atgriezīsimies pie mūsu Saules problēmas. 20. gadsimta 50. gados tika ierosināts, ka leptoniskā garša (neitrīna veids) nav jāsaglabā. Tas ir, ja vienā reakcijā piedzima elektronu neitrīno, tad ceļā uz citu reakciju neitrīno var pārģērbties un darboties kā mions. Tas varētu izskaidrot saules neitrīno trūkumu radioķīmiskos eksperimentos, kas ir jutīgi tikai pret elektronu neitrīniem. Šo hipotēzi lieliski apstiprināja Saules neitrīno plūsmas mērījumi SNO un Kamiokandes lielo ūdens mērķa scintilācijas eksperimentos (par kuriem nesen tika piešķirta vēl viena Nobela prēmija). Šajos eksperimentos vairs netiek pētīta apgrieztā beta sabrukšana, bet gan neitrīno izkliedes reakcija, kas var notikt ne tikai ar elektronu, bet arī ar mionu neitrīniem. Kad elektronu neitrīno plūsmas vietā sāka mērīt visu veidu neitrīno kopējo plūsmu, rezultāti lieliski apstiprināja neitrīno pāreju no viena veida uz otru jeb neitrīno svārstībām.

Uzbrukums standarta modelim

Neitrīno svārstību atklāšana, atrisinot vienu problēmu, radīja vairākas jaunas. Lieta ir tāda, ka kopš Pauli laikiem neitrīno tika uzskatīti par bezmasas daļiņām, piemēram, fotoniem, un tas bija piemērots visiem. Mēģinājumi izmērīt neitrīno masu turpinājās, taču bez liela entuziasma. Svārstības mainīja visu, jo to pastāvēšanai ir nepieciešama masa, lai arī cik maza. Masas atklāšana neitrīnos, protams, iepriecināja eksperimentētājus, bet mulsināja teorētiķus. Pirmkārt, masīvi neitrīno neietilpst daļiņu fizikas standarta modelī, ko zinātnieki ir veidojuši kopš 20. gadsimta sākuma. Otrkārt, tā pati noslēpumainā neitrīno kreisība un antineitronu labroba ir labi izskaidrota tikai bezmasas daļiņām. Ja ir masa, kreisajiem neitrīniem ar zināmu varbūtību vajadzētu pārvērsties par labročiem, tas ir, par antidaļiņām, pārkāpjot šķietami nemainīgo leptona skaitļa saglabāšanas likumu, vai pat pārvērsties par kaut kādiem neitrīniem, kas to dara. nepiedalīties mijiedarbībā. Mūsdienās šādas hipotētiskas daļiņas parasti sauc par steriliem neitrīniem.

Neitrīno detektors "Super Kamiokande" © Kamioka observatorija, ICRR (Kosmisko staru pētniecības institūts), Tokijas universitāte

Protams, eksperimentālie neitrīno masas meklējumi nekavējoties strauji atsākās. Taču uzreiz radās jautājums: kā izmērīt masu tam, ko nevar noķert? Atbilde ir tikai viena: neitrīnos vispār neķer. Mūsdienās visaktīvāk tiek attīstīti divi virzieni - tiešā neitrīno masas meklēšana beta sabrukšanas procesā un bez neitrīno dubultās beta sabrukšanas novērošana. Pirmajā gadījumā ideja ir ļoti vienkārša. Kodols sadalās ar elektronu un neitrīno starojumu. Nav iespējams noķert neitrīno, bet ir iespējams noķert un izmērīt elektronu ar ļoti augstu precizitāti. Elektronu spektrs satur arī informāciju par neitrīno masu. Šāds eksperiments ir viens no grūtākajiem daļiņu fizikā, taču tā neapšaubāmā priekšrocība ir tā, ka tā pamatā ir pamatprincipi enerģijas un impulsa saglabāšanās un tās rezultāts ir atkarīgs no maz. Pašlaik labākais neitrīno masas ierobežojums ir aptuveni 2 eV. Tas ir 250 tūkstošus reižu mazāk nekā elektronam. Tas ir, pati masa netika atrasta, bet to ierobežoja tikai augšējais rāmis.

Ar dubultu beta samazināšanos lietas ir sarežģītākas. Ja pieņemam, ka griešanās laikā neitrīno pārvēršas par antineitrīnu (šis modelis tiek saukts itāļu fiziķa Ettore Majorana vārdā), tad ir iespējams process, kad kodolā vienlaicīgi notiek divas beta sabrukšanas, bet neitrīno neizlido bet tiek samazināti. Šāda procesa iespējamība ir saistīta ar neitrīno masu. Augšējās robežas šādos eksperimentos ir labākas - 0,2 - 0,4 eV -, bet ir atkarīgas no fiziskā modeļa.

Masveida neitrīno problēma vēl nav atrisināta. Higsa teorija nevar izskaidrot tik mazas masas. Tas prasa ievērojamus sarežģījumus vai dažu viltīgāku likumu izmantošanu, saskaņā ar kuriem neitrīno mijiedarbojas ar pārējo pasauli. Neitrīno pētījumos iesaistītajiem fiziķiem bieži tiek uzdots jautājums: “Kā neitrīno pētījumi var palīdzēt vidusmēra cilvēkam? Kādu finansiālu vai citu labumu no šīs daļiņas var gūt? Fiziķi parausta plecus. Un viņi to tiešām nezina. Kādreiz pusvadītāju diožu izpēte bija tīri fundamentāla fizika, bez jebkāda praktiska pielietojuma. Atšķirība ir tāda, ka tehnoloģijas, kas tiek izstrādātas, lai radītu modernus eksperimentus neitrīno fizikā, šobrīd tiek plaši izmantotas rūpniecībā, tāpēc katrs šajā jomā ieguldītais santīms atmaksājas diezgan ātri. Šobrīd pasaulē tiek veikti vairāki eksperimenti, kuru mērogs ir salīdzināms ar Lielā hadronu paātrinātāja mērogiem; šie eksperimenti ir paredzēti tikai neitrīno īpašību izpētei. Nav zināms, kurā no tām fizikā varēs atvērt jaunu lappusi, taču tā noteikti tiks atvērta.

Pasaule un zinātne nekad nestāv uz vietas. Pavisam nesen fizikas mācību grāmatas pārliecinoši rakstīja, ka elektrons ir mazākā daļiņa. Tad par mazākajām daļiņām kļuva mezoni, tad par bozoniem. Un tagad zinātne ir atklājusi jaunu visvairāk mazākā daļiņa Visumā- Planka melnais caurums. Tiesa, tas joprojām ir atvērts tikai teorētiski. Šī daļiņa tiek klasificēta kā melnais caurums, jo tās gravitācijas rādiuss ir lielāks vai vienāds ar viļņa garumu. No visiem esošajiem melnajiem caurumiem Planka ir mazākais.

Šo daļiņu kalpošanas laiks ir pārāk īss, lai būtu iespējams to praktiski noteikt. Vismaz ieslēgts Šis brīdis. Un tie veidojas, kā parasti tiek uzskatīts, rezultātā kodolreakcijas. Taču ne tikai Planka melno caurumu kalpošanas laiks neļauj tos atklāt. Tagad diemžēl tas nav iespējams no tehniskā viedokļa. Lai sintezētu Planka melnos caurumus, ir nepieciešams vairāk nekā tūkstoš elektronvoltu enerģijas paātrinātājs.

Video:

Neskatoties uz šīs Vismazākās daļiņas hipotētisko esamību, tās praktisks atklājums nākotnē tas ir pilnīgi iespējams. Galu galā ne tik sen nevarēja atklāt arī leģendāro Higsa bozonu. Tieši tā atklāšanai tika izveidota instalācija, par kuru nav dzirdējis tikai slinkākais Zemes iedzīvotājs - Lielais hadronu paātrinātājs. Zinātnieku pārliecība par šo pētījumu panākumiem palīdzēja sasniegt sensacionālu rezultātu. Higsa bozons šobrīd ir mazākā daļiņa, kuras eksistence ir praktiski pierādīta. Tās atklājums ir ļoti svarīgs zinātnei, tas ļāva visām daļiņām iegūt masu. Un, ja daļiņām nebūtu masas, Visums nevarētu pastāvēt. Tajā nevarēja veidoties neviena viela.

Neskatoties uz praktiski pierādīto šīs daļiņas, Higsa bozona, esamību, praktiski pielietojumi tai vēl nav izgudroti. Pagaidām tās ir tikai teorētiskas zināšanas. Bet nākotnē viss ir iespējams. Ne visiem atklājumiem fizikas jomā uzreiz bija praktisks pielietojums. Neviens nezina, kas notiks pēc simts gadiem. Galu galā, kā minēts iepriekš, pasaule un zinātne nekad nestāv uz vietas.

Fizikālo un matemātikas zinātņu doktors M. KAGANOVS.

Saskaņā ar senām tradīcijām žurnālā "Zinātne un dzīve" tiek runāts par jaunākie sasniegumi mūsdienu zinātne, par jaunākajiem atklājumiem fizikas, bioloģijas un medicīnas jomā. Bet, lai saprastu, cik tie ir svarīgi un interesanti, ir nepieciešams vismaz vispārīgs izklāsts ir izpratne par zinātnes pamatiem. Mūsdienu fizika strauji attīstās, un vecākās paaudzes cilvēkiem, tiem, kuri mācījās skolā un koledžā pirms 30–40 gadiem, daudzi tās noteikumi nav pazīstami: toreiz to vienkārši nebija. Un mūsu mazajiem lasītājiem vēl nav bijis laika par tiem uzzināt: populārzinātniskā literatūra ir praktiski beigusi izdot. Tāpēc mēs lūdzām ilggadējo žurnāla autoru M.I.Kaganovu runāt par atomiem un elementārdaļiņām un likumiem, kas tos regulē, par to, kas ir matērija. Mozus Isaakovičs Kaganovs ir teorētiskais fiziķis, vairāku simtu darbu autors un līdzautors par cietvielu kvantu teoriju, metālu teoriju un magnētismu. Viņš bija vadošais darbinieks nosauktajā Fizisko problēmu institūtā. P. L. Kapitsa un Maskavas Valsts universitātes profesors. M. V. Lomonosovs, žurnālu "Daba" un "Kvants" redkolēģu loceklis. Daudzu populārzinātnisku rakstu un grāmatu autore. Tagad dzīvo Bostonā (ASV).

Zinātne un dzīve // Ilustrācijas

Grieķu filozofs Demokrits bija pirmais, kurš lietoja vārdu "atoms". Saskaņā ar viņa mācību atomi ir nedalāmi, neiznīcināmi un atrodas iekšā pastāvīga kustība. Tie ir bezgalīgi daudzveidīgi, tiem ir ieplakas un izliekumi, ar kuriem tie savienojas, veidojot visus materiālos ķermeņus.

1. tabula. Svarīgākie elektronu, protonu un neitronu raksturlielumi.

Deitērija atoms.

Angļu fiziķis Ernsts Rezerfords pamatoti tiek uzskatīts par dibinātāju kodolfizika, radioaktivitātes doktrīna un atomu uzbūves teorija.

Attēlā: volframa kristāla virsma, palielināta 10 miljonus reižu; katrs spilgtais punkts ir tā individuālais atoms.

Zinātne un dzīve // Ilustrācijas

Strādājot pie radiācijas teorijas izveides, Makss Planks 1900. gadā nonāca pie secinājuma, ka sakarsētas vielas atomiem jāizstaro gaisma porcijās, kvantos, kuru darbības dimensija (J.s) un enerģija ir proporcionāla starojuma frekvencei: E = hn .

1923. gadā Luiss de Broglis Einšteina ideju par gaismas duālo dabu – viļņu daļiņu dualitāti – pārnesa uz matēriju: daļiņas kustība atbilst bezgalīga viļņa izplatībai.

Difrakcijas eksperimenti pārliecinoši apstiprināja de Broglie teoriju, kas apgalvoja, ka jebkuras daļiņas kustību pavada vilnis, kura garums un ātrums ir atkarīgs no daļiņas masas un enerģijas.

Zinātne un dzīve // Ilustrācijas

Pieredzējis biljarda spēlētājs vienmēr zina, kā bumbiņas ripos pēc sitiena, un viegli iedzen tās kabatā. Ar atomu daļiņām tas ir daudz grūtāk. Nav iespējams norādīt lidojošā elektrona trajektoriju: tā ir ne tikai daļiņa, bet arī vilnis, bezgalīgs telpā.

Naktīs, kad debesīs nav mākoņu, mēness nav redzams un gaisma nav ceļā, debesis ir piepildītas ar spilgti mirdzošām zvaigznēm. Nav nepieciešams meklēt pazīstamus zvaigznājus vai mēģināt atrast planētas tuvu Zemei. Skaties! Mēģiniet iedomāties milzīgu telpu, kas ir piepildīta ar pasaulēm un stiepjas miljardiem miljardu gaismas gadu. Tikai attāluma dēļ pasaules šķiet kā punkti, un daudzas no tām atrodas tik tālu, ka tās nav atšķiramas atsevišķi un saplūst miglājos. Šķiet, ka mēs atrodamies Visuma centrā. Tagad mēs zinām, ka tā nav taisnība. Ģeocentrisma noraidīšana ir liels zinātnes nopelns. Bija jāpieliek lielas pūles, lai saprastu, ka mazā Zeme pārvietojas nejaušā, šķietami nemarķētā plašā (burtiskā!) kosmosa apgabalā.

Bet dzīvība radās uz Zemes. Tā attīstījās tik veiksmīgi, ka spēja radīt cilvēku, kurš spēj izprast apkārtējo pasauli, meklēt un atrast dabas likumus. Cilvēces sasniegumi dabas likumu izpratnē ir tik iespaidīgi, ka jūs neviļus jūtaties lepns par piederību šai saprāta šķipsniņai, kas ir pazudusi parastas Galaktikas perifērijā.

Ņemot vērā visa, kas mūs ieskauj, daudzveidību, vispārēju likumu esamība ir pārsteidzoša. Tas ir ne mazāk pārsteidzošs viss ir veidots tikai no trīs veidu daļiņām – elektroniem, protoniem un neitroniem.

Lai, izmantojot dabas pamatlikumus, atvasinātu novērojamos un prognozētu jaunas dažādu vielu un objektu īpašības, komplekss matemātiskās teorijas, kuras nemaz nav viegli saprast. Bet Pasaules zinātniskā attēla kontūras var aptvert, neizmantojot stingru teoriju. Protams, tas prasa vēlmi. Bet ne tikai: pat iepriekšēja iepazīšanās prasīs zināmu darbu. Jācenšas izprast jaunus faktus, nepazīstamas parādības, kas no pirmā acu uzmetiena nesaskan ar esošo pieredzi.

Zinātnes sasniegumi bieži noved pie domas, ka tai "nekas nav svēts": tas, kas bija patiess vakar, šodien tiek atmests. Līdz ar zināšanām nāk izpratne par to, cik godbijīgi zinātne izturas pret katru uzkrātās pieredzes graudiņu, ar kādu piesardzību tā virzās uz priekšu, īpaši gadījumos, kad ir jāatsakās no iesakņojušām idejām.

Šī stāsta mērķis ir iepazīstināt ar neorganisko vielu struktūras pamatpazīmēm. Neskatoties uz bezgalīgo daudzveidību, to struktūra ir salīdzinoši vienkārša. It īpaši, ja salīdzina tos ar jebkuru, pat visvienkāršāko dzīvo organismu. Bet ir arī kaut kas kopīgs: visi dzīvie organismi, piemēram neorganiskās vielas, veidots no elektroniem, protoniem un neitroniem.

Nevar aptvert bezgalīgumu: lai vismaz vispārīgi iepazīstinātu ar dzīvo organismu uzbūvi, nepieciešams īpašs stāsts.

IEVADS

Lietu, priekšmetu dažādība – viss, ko lietojam, kas mūs ieskauj, ir milzīgs. Ne tikai pēc to mērķa un dizaina, bet arī pēc to radīšanai izmantotajiem materiāliem - vielām, kā saka, kad nav jāuzsver to funkcija.

Vielas un materiāli izskatās cieti, un taustes sajūta apstiprina to, ko redz acis. Šķiet, ka nav izņēmumu. Plūstošais ūdens un cietais metāls, kas tik atšķirīgi viens no otra, ir līdzīgi vienā lietā: gan metāls, gan ūdens ir ciets. Tiesa, jūs varat izšķīdināt sāli vai cukuru ūdenī. Viņi atrod sev vietu ūdenī. Jā un iekšā ciets, piemēram, koka dēlī var iedzīt naglu. Ar ievērojamu piepūli jūs varat panākt, ka vietu, kuru aizņēma koks, aizņems dzelzs nagla.

Mēs labi zinām: no cieta korpusa var noraut mazu gabaliņu, var slīpēt gandrīz jebkuru materiālu. Dažreiz tas ir grūti, dažreiz tas notiek spontāni, bez mūsu līdzdalības. Iedomāsimies sevi pludmalē, smiltīs. Mēs saprotam: smilšu graudiņš ir tālu no mazākās vielas daļiņas, no kuras sastāv smiltis. Ja jūs mēģināt, jūs varat samazināt smilšu graudus, piemēram, izlaižot tos caur veltņiem - caur diviem cilindriem, kas izgatavoti no ļoti cietais metāls. Nokļūstot starp veltņiem, smilšu graudi tiek sasmalcināti mazākos gabaliņos. Būtībā šādi milti tiek ražoti no graudiem dzirnavās.

Tagad, kad atoms ir stingri ienācis mūsu pasaules uztverē, ir ļoti grūti iedomāties, ka cilvēki nezināja, vai smalcināšanas process ir ierobežots vai vielu var sasmalcināt bezgalīgi.

Nav zināms, kad cilvēki pirmo reizi sev uzdeva šo jautājumu. Pirmo reizi tas tika ierakstīts seno grieķu filozofu rakstos. Daži no viņiem uzskatīja, ka neatkarīgi no tā, cik maza ir viela, to var sadalīt vēl mazākās daļās - nav ierobežojumu. Citi izteica domu, ka ir sīkas nedalāmas daļiņas, no kurām viss sastāv. Lai uzsvērtu, ka šīs daļiņas ir sadrumstalotības robeža, tās sauca par atomiem (sengrieķu valodā vārds “atoms” nozīmē nedalāms).

Ir jānosauc tie, kas pirmie izvirzīja ideju par atomu esamību. Tie ir Demokrits (dzimis ap 460. vai 470. gadu p.m.ē., miris ļoti lielā vecumā) un Epikūrs (341.-270.g.pmē.). Tātad atomzinātnei ir gandrīz 2500 gadu. Ne visi uzreiz pieņēma atomu jēdzienu. Pat pirms aptuveni 150 gadiem bija maz cilvēku, kas bija pārliecināti par atomu esamību, pat zinātnieku vidū.

Fakts ir tāds, ka atomi ir ļoti mazi. Tos nevar redzēt ne tikai ar neapbruņotu aci, bet arī, piemēram, ar mikroskopu, kas palielina 1000 reižu. Padomāsim par to: kāds ir mazāko redzamo daļiņu izmērs? U dažādi cilvēki dažāda redze, taču droši vien visi piekritīs, ka nav iespējams saskatīt daļiņu, kas mazāka par 0,1 milimetru. Tāpēc, ja izmantojat mikroskopu, jūs varat, lai arī ar grūtībām, redzēt daļiņas, kuru izmērs ir aptuveni 0,0001 milimetrs jeb 10–7 metri. Salīdzinot atomu izmērus un starpatomiskos attālumus (10-10 metri) ar garumu, ko pieņēmām par redzes spējas robežu, mēs sapratīsim, kāpēc jebkura viela mums šķiet cieta.

2500 gadi ir milzīgs laiks. Neatkarīgi no tā, kas notika pasaulē, vienmēr bija cilvēki, kuri centās atbildēt uz jautājumu, kā darbojas apkārtējā pasaule. Dažkārt pasaules uzbūves problēmas satrauca vairāk, citreiz – mazāk. Zinātnes dzimšana tās mūsdienu izpratnē notika salīdzinoši nesen. Zinātnieki ir iemācījušies veikt eksperimentus – uzdot dabas jautājumus un saprast tās atbildes, radīt teorijas, kas apraksta eksperimentu rezultātus. Teorijas prasīja stingras matemātiskas metodes, lai izdarītu ticamus secinājumus. Zinātne ir gājusi garu ceļu. Pa šo ceļu, kas fizikai aizsākās pirms aptuveni 400 gadiem ar Galileo Galileja (1564-1642) darbu, iegūts bezgala daudz informācijas par matērijas uzbūvi un dažāda rakstura ķermeņu īpašībām, bezgalīgi daudz ir atklātas un izprastas dažādas parādības.

Cilvēce ir iemācījusies ne tikai pasīvi izprast dabu, bet arī izmantot to saviem mērķiem.

Mēs neņemsim vērā atomu koncepciju attīstības vēsturi 2500 gadu laikā un fizikas vēsturi pēdējo 400 gadu laikā. Mūsu uzdevums ir pēc iespējas īsi un skaidrāk pastāstīt par to, kas un kā viss ir būvēts - objekti ap mums, ķermeņi un mēs paši.

Kā jau minēts, visa matērija sastāv no elektroniem, protoniem un neitroniem. Es par to zinu kopš skolas laikiem, bet mani nebeidz pārsteigt, ka viss ir veidots tikai no trīs veidu daļiņām! Bet pasaule ir tik daudzveidīga! Turklāt arī līdzekļi, ko daba izmanto būvniecības veikšanai, ir diezgan vienmuļi.

Saskanīgs apraksts par to, kā vielas tiek veidotas dažādi veidi, ir sarežģīta zinātne. Viņa izmanto nopietnu matemātiku. Jāuzsver, ka citas, vienkāršas teorijas nav. Bet fizikālos principus, kas ir pamatā vielu struktūras un īpašību izpratnei, lai gan tie nav triviāli un grūti iedomāties, tomēr var saprast. Ar savu stāstu centīsimies palīdzēt ikvienam, kurš interesējas par tās pasaules uzbūvi, kurā dzīvojam.

FRAGMENTU METODE VAI SADALĪT UN SAPROTI

Šķiet, ka dabiskākais veids, kā saprast, kā darbojas noteikta sarežģīta ierīce (rotaļlieta vai mehānisms), ir to izjaukt un sadalīt sastāvdaļās. Jums vienkārši jābūt ļoti uzmanīgiem, atceroties, ka locīšana būs daudz grūtāka. “Lauzt nenozīmē būvēt,” saka tautas gudrība. Un vēl viena lieta: mēs varam saprast, no kā sastāv ierīce, bet maz ticams, ka mēs sapratīsim, kā tā darbojas. Dažreiz jums vienkārši jāatskrūvē viena skrūve, un tas ir viss - ierīce pārstāj darboties. Ir nepieciešams ne tik daudz izjaukt, cik saprast.

Jo mēs runājam par nevis par visu mums apkārt esošo objektu, lietu, organismu faktisko sadalīšanos, bet gan par iedomāto, tas ir, par garīgo, nevis par reālu pieredzi, tad jums nav jāuztraucas: jums nav jāvāc. Turklāt neskoposim ar saviem centieniem. Nedomāsim par to, vai ierīci ir grūti vai viegli sadalīt tā sastāvdaļās. Tikai sekundi. Kā mēs zinām, ka esam sasnieguši robežu? Varbūt ar lielāku piepūli varam tikt tālāk? Atzīsimies sev: mēs nezinām, vai esam sasnieguši robežu. Mums ir jāizmanto vispārpieņemtais viedoklis, saprotot, ka tas nav pārāk uzticams arguments. Bet, ja atceraties, ka tas ir tikai vispārpieņemts viedoklis, nevis galīgā patiesība, tad briesmas ir mazas.

Tagad ir vispārpieņemts, ka daļas, no kurām viss tiek būvēts, ir elementārdaļiņas. Un tomēr tas vēl nav viss. Apskatījuši atbilstošo uzziņu grāmatu, mēs pārliecināsimies: elementārdaļiņu ir vairāk nekā trīs simti. Elementārdaļiņu pārpilnība lika aizdomāties par subelementāro daļiņu – daļiņu, kas veido pašas elementārdaļiņas, pastāvēšanas iespējamību. Tā radās ideja par kvarkiem. Viņiem tas ir pārsteidzošs īpašums, kas acīmredzot neeksistē brīvvalsts. Kvarku ir diezgan daudz - seši, un katram ir sava antidaļiņa. Varbūt ceļojums matērijas dziļumos nav beidzies.

Mūsu stāstam elementāro daļiņu pārpilnība un subelementāro daļiņu esamība nav svarīga. Elektroni, protoni un neitroni ir tieši iesaistīti vielu konstruēšanā – viss tiek būvēts tikai no tiem.

Pirms apspriest reālo daļiņu īpašības, padomāsim par to, ko mēs vēlētos redzēt daļas, no kurām viss ir uzbūvēts. Runājot par to, ko mēs vēlētos redzēt, protams, jāņem vērā viedokļu dažādība. Atlasīsim dažas funkcijas, kas šķiet obligātas.

Pirmkārt, elementārdaļiņām ir jāspēj apvienoties dažādās struktūrās.

Otrkārt, es gribētu domāt, ka elementārdaļiņas ir neiznīcināmas. Zinot kuru garš stāsts ir pasaule, ir grūti iedomāties, ka daļiņas, no kurām tā sastāv, ir mirstīgas.

Treškārt, es vēlētos, lai nebūtu pārāk daudz detaļu. Aplūkojot celtniecības blokus, mēs redzam, cik daudz dažādu konstrukciju var izveidot no vieniem un tiem pašiem elementiem.

Iepazīstoties ar elektroniem, protoniem un neitroniem, redzēsim, ka to īpašības nav pretrunā ar mūsu vēlmēm, un tieksme pēc vienkāršības neapšaubāmi atbilst tam, ka visu vielu struktūrā piedalās tikai trīs veidu elementārdaļiņas.

ELEKTRONI, PROTONI, NEITRONI

Ļaujiet mums iepazīstināt ar svarīgākajiem elektronu, protonu un neitronu raksturlielumiem. Tie ir apkopoti 1. tabulā.

Lādiņa lielumu norāda kulonos, masu kilogramos (SI mērvienībās); Vārdi "spin" un "statistika" tiks izskaidroti tālāk.

Pievērsīsim uzmanību daļiņu masas atšķirībai: protoni un neitroni ir gandrīz 2000 reižu smagāki par elektroniem. Līdz ar to jebkura ķermeņa masu gandrīz pilnībā nosaka protonu un neitronu masa.

Neitrons, kā norāda tā nosaukums, ir neitrāls - tā lādiņš ir nulle. Un protonam un elektronam ir vienāda lieluma lādiņi, bet pretēji zīmei. Elektrons ir negatīvi uzlādēts, bet protons ir pozitīvi.

Starp daļiņu īpašībām nav šķietami svarīgas īpašības - to lieluma. Aprakstot atomu un molekulu uzbūvi, par materiāliem punktiem var uzskatīt elektronus, protonus un neitronus. Protonu un neitronu izmēri būs jāatceras tikai aprakstot atomu kodolus. Pat salīdzinot ar atomu izmēru, protoni un neitroni ir ārkārtīgi mazi (apmēram 10-16 metri).

Būtībā šī īsā sadaļa ir saistīta ar elektronu, protonu un neitronu kā visu dabas ķermeņu pamatelementu ieviešanu. Mēs varētu vienkārši aprobežoties ar 1. tabulu, bet mums ir jāsaprot, kā elektroni, protoni un neitroni tiek veikta būvniecība, kas liek daļiņām apvienoties sarežģītākās struktūrās un kādas ir šīs struktūras.

ATOMS IR VIENKĀRŠĀKĀ NO KOMPLEKTĀM STRUKTŪRĀM

Ir daudz atomu. Izrādījās, ka nepieciešams un iespējams tos sakārtot īpašā veidā. Sakārtošana ļauj uzsvērt atomu atšķirības un līdzības. Saprātīgais atomu izvietojums ir D. I. Mendeļejeva (1834-1907) nopelns, kurš formulēja periodisko likumu, kas nes viņa vārdu. Ja mēs īslaicīgi ignorējam periodu esamību, elementu izkārtojuma princips ir ārkārtīgi vienkāršs: tie ir sakārtoti secīgi atbilstoši atomu svaram. Vieglākais ir ūdeņraža atoms. Pēdējais dabiskais (nav mākslīgi radītais) atoms ir urāna atoms, kas ir vairāk nekā 200 reižu smagāks.

Izpratne par atomu struktūru izskaidroja periodiskuma klātbūtni elementu īpašībās.

Pašā 20. gadsimta sākumā E. Raterfords (1871-1937) pārliecinoši parādīja, ka gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta tā kodolā - nelielā (pat salīdzinot ar atomu) telpas apgabalā: atoma rādiusā. Kodols ir aptuveni 100 tūkstošus reižu mazāks par atoma izmēru. Kad Rezerfords veica savus eksperimentus, neitrons vēl nebija atklāts. Atklājot neitronu, tika saprasts, ka kodoli sastāv no protoniem un neitroniem, un ir dabiski uzskatīt atomu kā kodolu, ko ieskauj elektroni, kuru skaits ir vienāds ar protonu skaitu kodolā - pēc viss, atoms kopumā ir neitrāls. Protoni un neitroni ir līdzīgi celtniecības materiāls kodoli, saņemti parastais nosaukums- nukloni (no latīņu valodas kodols - kodols). Šis ir nosaukums, ko mēs izmantosim.

Nukleonu skaitu kodolā parasti apzīmē ar burtu A. Tas ir skaidrs A = N + Z, Kur N ir neitronu skaits kodolā, un Z- protonu skaits, kas vienāds ar elektronu skaitu atomā. Numurs A sauc par atomu masu, un Z- atomskaitlis. Atomus ar vienādiem atomu numuriem sauc par izotopiem: periodiskajā tabulā tie atrodas vienā šūnā (grieķu valodā isos - vienāds , topos - vieta). Fakts ir tāds Ķīmiskās īpašības izotopi ir gandrīz identiski. Rūpīgi izpētot periodisko tabulu, jūs varat pārliecināties, ka, stingri ņemot, elementu izvietojums neatbilst atomu masa, un atomskaitli. Ja ir aptuveni 100 elementu, tad ir vairāk nekā 2000 izotopu, daudzi no tiem ir nestabili, tas ir, radioaktīvi (no latīņu valodas radio- Es staroju, activus- aktīvi), tie sadalās, izdalot dažādus starojumus.

Rezerforda eksperimenti ne tikai noveda pie atomu kodolu atklāšanas, bet arī parādīja, ka atomā darbojas vieni un tie paši elektrostatiskie spēki, kas atgrūž līdzīgi lādētus ķermeņus vienu no otra un piesaista atšķirīgi lādētus (piemēram, elektroskopu lodītes).

Atoms ir stabils. Līdz ar to elektroni atomā pārvietojas ap kodolu: centrbēdzes spēks kompensē pievilkšanas spēku. To saprotot, tika izveidots atoma planetārais modelis, kurā kodols ir Saule un elektroni ir planētas (no klasiskās fizikas viedokļa planētu modelis ir nekonsekvents, bet par to tālāk).

Ir vairāki veidi, kā novērtēt atoma izmēru. Dažādi aprēķini noved pie līdzīgiem rezultātiem: atomu izmēri, protams, ir atšķirīgi, bet aptuveni vienādi ar vairākām nanometra desmitdaļām (1 nm = 10 -9 m).

Vispirms apskatīsim atoma elektronu sistēmu.

IN Saules sistēma planētas pievelk Saulei gravitācijas dēļ. Atomā iedarbojas elektrostatiskais spēks. To bieži sauc par Kulonu par godu Čārlzam Augustīnam Kulonam (1736-1806), kurš konstatēja, ka mijiedarbības spēks starp diviem lādiņiem ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tiem. Tas, ka divas maksas J 1 un J 2 piesaista vai atgrūž ar spēku, kas vienāds ar F C = Q 1 J 2 /r 2 , Kur r- attālumu starp lādiņiem sauc par "Kulona likumu". Rādītājs " AR" uzdots piespiest F ar Kulona uzvārda pirmo burtu (franču valodā Kulons). Starp visdažādākajiem apgalvojumiem ir daži tādi, kurus tikpat pareizi dēvē par likumu kā Kulona likumu: galu galā tā piemērošanas joma ir praktiski neierobežota. Uzlādēti ķermeņi neatkarīgi no to izmēra, kā arī atomu un pat subatomu lādētas daļiņas – tās visas piesaista vai atgrūž saskaņā ar Kulona likumu.

ATKLĀJUMS PAR GRAVITĀCIJU

Cilvēks iepazīst gravitāciju Agra bērnība. Krītot viņš iemācās respektēt gravitācijas spēku pret Zemi. Iepazīšanās ar paātrinātu kustību parasti sākas ar ķermeņu brīvā kritiena izpēti - ķermeņa kustību gravitācijas ietekmē.

Starp diviem masas ķermeņiem M 1 un M 2 spēka darbības F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Šeit r- attālums starp ķermeņiem, G- gravitācijas konstante vienāda ar 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indekss "N" dots par godu Ņūtonam (1643 - 1727). Šo izteicienu sauc par likumu universālā gravitācija, uzsverot tā universālo raksturu. Spēks F N nosaka galaktiku kustību, debess ķermeņi un priekšmeti, kas nokrīt zemē. Universālās gravitācijas likums ir spēkā jebkurā attālumā starp ķermeņiem. Mēs neminēsim izmaiņas gravitācijas attēlā, ko ieviesa Einšteina vispārējā relativitātes teorija (1879-1955).

Gan Kulona elektrostatiskais spēks, gan Ņūtona universālās gravitācijas spēks ir vienādi (kā 1/ r 2) samazinās, palielinoties attālumam starp ķermeņiem. Tas ļauj salīdzināt abu spēku darbību jebkurā attālumā starp ķermeņiem. Ja divu protonu Kulona atgrūšanas spēku lielumu salīdzina ar to gravitācijas pievilkšanas spēku, izrādās, ka F N/ F C= 10 -36 (J 1 =J 2 = e p ; M 1 = =M 2 =m p). Tāpēc gravitācijai nav būtiskas nozīmes atoma struktūrā: tas ir pārāk mazs salīdzinājumā ar elektrostatisko spēku.

Atklājiet elektriskie lādiņi un izmērīt mijiedarbību starp tām nav grūti. Ja elektriskais spēks ir tik liels, tad kāpēc tas nav svarīgi, teiksim, krītot, lecot, metot bumbu? Jo vairumā gadījumu mums ir darīšana ar neitrāliem (neuzlādētiem) ķermeņiem. Kosmosā vienmēr ir daudz lādētu daļiņu (elektronu, jonu). atšķirīga zīme). Milzīga (atomu mērogā) pievilcīga elektriskā spēka ietekmē, ko rada uzlādēts ķermenis, lādētas daļiņas steidzas pie tā avota, pielīp pie ķermeņa un neitralizē tā lādiņu.

VILNIS VAI DAĻĻA? GAN VILNIS, UN DAĻIŅA!

Ir ļoti grūti runāt par atomu un vēl mazākām subatomiskām daļiņām, galvenokārt tāpēc, ka to īpašībām mūsu ikdienas dzīvē nav analogu. Varētu domāt, ka būtu ērti domāt par daļiņām, kas veido tik mazus atomus kā materiālie punkti. Taču viss izrādījās daudz sarežģītāk.

Daļiņa un vilnis... Šķiet, ka ir bezjēdzīgi pat salīdzināt, tie ir tik dažādi.

Droši vien, domājot par vilni, jūs vispirms iztēlojaties viļņojošu jūras virsmu. Viļņi nāk krastā no atklāta jūra, viļņu garumi – attālumi starp divām secīgām virsotnēm – var būt dažādi. Ir viegli novērot viļņus, kuru garums ir vairāki metri. Viļņu laikā ūdens masa acīmredzami vibrē. Vilnis aptver ievērojamu platību.

Vilnis ir periodisks laikā un telpā. Viļņa garums ( λ ) ir telpiskās periodiskuma mērs. Viļņu kustības periodiskums laikā ir redzams viļņu virsotņu pienākšanas biežumā krastā, un to var noteikt, piemēram, pludiņa svārstības augšup un lejup. Viļņa kustības periodu - laiku, kurā viens vilnis pāriet - apzīmēsim ar burtu T. Perioda apgriezto vērtību sauc par frekvenci ν = 1/T. Vienkāršākajiem viļņiem (harmonikiem) ir noteikta frekvence, kas laika gaitā nemainās. Jebkuru sarežģītu viļņu kustību var attēlot kā vienkāršu viļņu kopumu (sk. “Zinātne un dzīve” Nr. 11, 2001). Stingri sakot, vienkāršs vilnis aizņem bezgalīgu telpu un pastāv bezgalīgi ilgu laiku. Daļiņa, kā mēs to iedomājamies, un vilnis ir pilnīgi atšķirīgi.

Kopš Ņūtona laikiem ir notikušas debates par gaismas dabu. Kas ir gaisma, tā ir daļiņu kopums (ķermeņi, no latīņu valodas corpusculum- mazs ķermenis) vai viļņi? Teorijas sacentās ilgu laiku. Viļņu teorija uzvarēja: korpuskulārā teorija nevarēja izskaidrot eksperimentālos faktus (gaismas traucējumus un difrakciju). Viļņu teorija viegli tika galā ar gaismas stara taisnvirziena izplatīšanos. Svarīgu lomu spēlēja fakts, ka gaismas viļņu garums saskaņā ar ikdienas priekšstatiem ir ļoti mazs: viļņu garumu diapazons redzamā gaisma no 380 līdz 760 nanometriem. Īsāks elektromagnētiskie viļņi- ultravioletie, rentgena un gamma stari, un garāki - infrasarkanie, milimetru, centimetru un visi citi radioviļņi.

UZ 19. gadsimta beigas gadsimtā gaismas viļņu teorijas uzvara pār korpuskulāro teoriju šķita galīga un neatsaucama. Tomēr divdesmitais gadsimts veica nopietnas korekcijas. Šķita, ka tā ir gaisma, viļņi vai daļiņas. Izrādījās – gan viļņi, gan daļiņas. Gaismas daļiņām, tās kvantiem, kā saka, tika izgudrots īpašs vārds - “fotons”. Vārds "kvanti" cēlies no Latīņu vārds kvantu- cik, un "fotons" - no grieķu vārda fotogrāfijas - gaismas. Vārdiem, kas apzīmē daļiņu nosaukumu, vairumā gadījumu ir galotne Viņš. Pārsteidzoši, dažos eksperimentos gaisma uzvedas kā viļņi, bet citos tā uzvedas kā daļiņu straume. Pamazām bija iespējams izveidot teoriju, kas paredzēja, kā gaisma izturēsies kādā eksperimentā. Šī teorija tagad ir vispārpieņemta. atšķirīga uzvedība gaisma vairs nepārsteidz.

Pirmie soļi vienmēr ir īpaši grūti. Man nācās stāties pretī zinātnē iedibinātajam viedoklim un izteikt apgalvojumus, kas šķita kā ķecerība. Īsti zinātnieki patiesi tic teorijai, ko viņi izmanto, lai aprakstītu parādības, kuras viņi novēro. Ir ļoti grūti atteikties no pieņemtas teorijas. Pirmos soļus spēra Makss Planks (1858-1947) un Alberts Einšteins (1879-1955).

Saskaņā ar Planka - Einšteina teikto, matērija izstaro un absorbē gaismu atsevišķās daļās, kvantos. Fotona pārnestā enerģija ir proporcionāla tā frekvencei: E = hν. Proporcionalitātes faktors h sauca par Planka konstanti par godu vācu fiziķim, kurš to ieviesa radiācijas teorijā 1900. gadā. Un jau 20. gadsimta pirmajā trešdaļā kļuva skaidrs, ka Planka konstante ir viena no svarīgākajām pasaules konstantēm. Protams, tas tika rūpīgi izmērīts: h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Vai gaismas kvants ir daudz vai maz? Redzamās gaismas frekvence ir aptuveni 10 14 s -1. Atgādināt: gaismas frekvence un viļņa garums ir saistīti ar sakarību ν = c/λ, kur Ar= 299792458.10 10 m/s (precīzi) - gaismas ātrums vakuumā. Kvantu enerģija hν, kā to var viegli redzēt, ir aptuveni 10 -18 J. Pateicoties šai enerģijai, 10 -13 gramu masu var pacelt līdz 1 centimetra augstumam. Cilvēka mērogā tas ir ārkārtīgi mazs. Bet tā ir 10 14 elektronu masa. Mikrokosmosā mērogs ir pavisam cits! Protams, cilvēks nevar sajust 10 -13 gramu masu, taču cilvēka acs ir tik jutīga, ka spēj saskatīt atsevišķus gaismas kvantus – to apstiprināja virkne smalku eksperimentu. Normālos apstākļos cilvēks neatšķir gaismas “graudu”, uztverot to kā nepārtrauktu plūsmu.

Zinot, ka gaismai ir gan korpuskulāra, gan viļņa raksturs, ir vieglāk iedomāties, ka arī “īstajām” daļiņām piemīt viļņu īpašības. Šo ķecerīgo domu pirmais izteica Luiss de Broglis (1892-1987). Viņš necentās noskaidrot, kāds ir viļņa raksturs, kura īpašības viņš prognozēja. Saskaņā ar viņa teoriju, daļiņa ar masu m, lidojot ar ātrumu v, atbilst vilnim ar viļņa garumu l = hmv un biežums ν = E/h, Kur E = mv 2/2 - daļiņu enerģija.

Atomu fizikas turpmākā attīstība ļāva izprast to viļņu būtību, kas raksturo atomu un subatomisko daļiņu kustību. Radās zinātne, ko sauca par "kvantu mehāniku" (sākotnējos gados to biežāk sauca par viļņu mehāniku).

Kvantu mehānika attiecas uz mikroskopisko daļiņu kustību. Apsverot parasto ķermeņu kustību (piemēram, jebkuras mehānismu daļas), nav jēgas ņemt vērā kvantu korekcijas (korekcijas matērijas viļņu īpašību dēļ).

Viena no daļiņu viļņu kustības izpausmēm ir to trajektorijas trūkums. Lai pastāvētu trajektorija, ir nepieciešams, lai katrā laika brīdī daļiņai būtu noteikta koordināta un noteikts ātrums. Bet tieši to aizliedz kvantu mehānika: daļiņai vienlaikus nevar būt noteikta koordinātu vērtība X, un noteiktu ātruma vērtību v. Viņu neskaidrības Dx Un Dv saistīta ar Vernera Heizenberga (1901-1974) atklāto nenoteiktības attiecību: D X D v ~ h/m, Kur m ir daļiņas masa un h- Planka konstante. Planka konstanti bieži sauc par universālo "darbības" kvantu. Nenorāda termiņu darbība, pievērsiet uzmanību epitetam universāls. Viņš uzsver, ka nenoteiktības attiecība vienmēr ir spēkā. Zinot kustības apstākļus un daļiņas masu, var novērtēt, kad ir nepieciešams ņemt vērā kustības kvantu likumus (citiem vārdiem sakot, kad nevar ignorēt daļiņu viļņu īpašības un to sekas - nenoteiktības attiecības). , un kad ir pilnīgi iespējams izmantot klasiskos kustības likumus. Uzsvērsim: ja tas ir iespējams, tad tas ir nepieciešams, jo klasiskā mehānika ir ievērojami vienkāršāka nekā kvantu mehānika.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka Planka konstante tiek dalīta ar masu (tās ir iekļautas kombinācijās h/m). Jo lielāka masa, jo mazāka nozīme ir kvantu likumiem.

Sajust, kad atstāt novārtā kvantu īpašības noteikti iespējams, mēs mēģināsim novērtēt nenoteiktību D lielumu X un D v. Ja D X un D v ir niecīgas salīdzinājumā ar to vidējām (klasiskajām) vērtībām, klasiskās mehānikas formulas lieliski apraksta kustību, ja tās nav mazas, ir jāizmanto kvantu mehānika. Nav jēgas ņemt vērā kvantu nenoteiktību pat tad, ja citi iemesli (klasiskās mehānikas ietvaros) rada lielāku nenoteiktību nekā Heizenberga attiecība.

Apskatīsim vienu piemēru. Paturot prātā, ka mēs vēlamies parādīt iespēju izmantot klasisko mehāniku, apsveriet "daļiņu", kuras masa ir 1 grams un kuras izmērs ir 0,1 milimetrs. Cilvēka mērogā tas ir grauds, viegla, maza daļiņa. Bet tas ir 10 24 reizes smagāks par protonu un miljons reižu lielāks par atomu!

Ļaujiet “mūsu” graudiem pārvietoties traukā, kas piepildīts ar ūdeņradi. Ja grauds lido pietiekami ātri, mums šķiet, ka tas virzās taisnā līnijā ar noteiktu ātrumu. Šāds iespaids ir kļūdains: ūdeņraža molekulu ietekmes dēļ uz graudiem tā ātrums ar katru triecienu nedaudz mainās. Novērtēsim, cik tieši.

Ļaujiet ūdeņraža temperatūrai būt 300 K (mēs vienmēr mēram temperatūru ar absolūtā skala, pēc Kelvina skalas; 300 K = 27 o C). Reizinot temperatūru Kelvinos ar Bolcmana konstanti k B = 1.381.10 -16 J/K, izteiksim enerģijas vienībās. Graudu ātruma izmaiņas var aprēķināt, izmantojot impulsa saglabāšanas likumu. Ar katru grauda sadursmi ar ūdeņraža molekulu tā ātrums mainās par aptuveni 10 -18 cm/s. Izmaiņas notiek pilnīgi nejauši un nejaušā virzienā. Tāpēc ir dabiski uzskatīt vērtību 10–18 cm/s kā graudu ātruma klasiskās nenoteiktības mēru (D v) cl šim gadījumam. Tātad (D v) klase = 10 -18 cm/s. Acīmredzot ir ļoti grūti noteikt graudu atrašanās vietu ar precizitāti, kas lielāka par 0,1 no tā izmēra. Pieņemsim (D X) cl = 10 -3 cm, visbeidzot (D X) klase (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Šķiet, ka tā ir ļoti maza vērtība. Jebkurā gadījumā ātruma un pozīcijas nenoteiktības ir tik mazas, ka var ņemt vērā graudu vidējo kustību. Bet, salīdzinot ar kvantu nenoteiktību, ko nosaka Heizenberga attiecība (D X D v= 10 -27), klasiskā neviendabība ir milzīga - šajā gadījumā tā pārsniedz to miljons reižu.

Secinājums: apsverot graudu kustību, nav jāņem vērā tā viļņu īpašības, tas ir, koordinātu un ātruma kvantu nenoteiktība. Runājot par atomu un subatomisko daļiņu kustību, situācija krasi mainās.

Tie parādās iekšā dažādas formas un izmēriem, daži ir destruktīvi dueti, kas nozīmē, ka tie galu galā iznīcina viens otru, un dažiem ir neticami nosaukumi, piemēram, "neutralino". Šeit ir saraksts ar sīkajām daļiņām, kas pārsteidz pat pašus fiziķus.

Dieva daļiņa

Higsa bozons ir zinātnei tik svarīga daļiņa, ka tā tika saukta par "Dieva daļiņu". Tas ir tas, kas, kā uzskata zinātnieki, piešķir masu visām pārējām daļiņām. Pirmo reizi tas tika apspriests 1964. gadā, kad fiziķi prātoja, kāpēc dažām daļiņām ir lielāka masa nekā citām. Higsa bozons ir saistīts ar Higsa lauku, sava veida režģi, kas aizpilda Visumu. Tiek uzskatīts, ka lauks un bozons ir atbildīgi par citu daļiņu masas palielināšanos. Daudzi zinātnieki uzskata, ka Higsa mehānismā ir trūkstošās puzles daļas, lai pilnībā izprastu standarta modeli, kas apraksta visas zināmās daļiņas, taču saikne starp tām vēl nav pierādīta.

Kvarki

Kvarki ir apburoši nosaukti protonu un neitronu bloki, kas nekad nav vieni un pastāv tikai grupās. Acīmredzot spēks, kas kvarkus saista kopā, palielinās līdz ar attālumu, tas ir, jo vairāk kāds mēģina attālināt kādu no kvarkiem no grupas, jo vairāk tas tiks piesaistīts atpakaļ. Tādējādi brīvie kvarki dabā vienkārši nepastāv. Kopumā ir seši kvarku veidi, un, piemēram, protoni un neitroni sastāv no vairākiem kvarkiem. Protonā tie ir trīs - divi viena tipa un viens otrs, bet neitronā ir tikai divi, abi ir dažāda veida.

Super partneri

Šīs daļiņas pieder pie supersimetrijas teorijas, kas nosaka, ka katrai cilvēkam zināmajai daļiņai ir vēl viena līdzīga daļiņa, kas vēl nav atklāta. Piemēram, elektrona superpartneris ir selekrons, kvarka superpartneris ir skvarks, bet fotona superpartneris ir fotono. Kāpēc šīs superdaļiņas tagad netiek novērotas Visumā? Zinātnieki uzskata, ka viņi ir daudz smagāki par partneriem, un lielāks svars saīsina viņu kalpošanas laiku. Šīs daļiņas sāk sadalīties, tiklīdz tās piedzimst. Lai izveidotu daļiņu, ir nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums, piemēram, saražotā Lielais sprādziens. Iespējams, zinātnieki atradīs veidu, kā reproducēt superdaļiņas, piemēram, Lielajā hadronu paātrinātājā. Kas attiecas uz lielāks izmērs un superpartneru svari, zinātnieki uzskata, ka simetrija ir izjaukta slēptā Visuma sektorā, ko nevar redzēt vai atrast.

Neitrīno

Tās ir vieglas subatomiskas daļiņas, kas pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Faktiski triljoni neitrīno jebkurā brīdī pārvietojas pa jūsu ķermeni, taču tie gandrīz nekad nesadarbojas ar parasto vielu. Daži neitrīno nāk no Saules, citi no kosmiskajiem stariem, kas mijiedarbojas ar atmosfēru.

Antimatērija

Visām parastajām daļiņām ir partneris antimatērijā, identiskas daļiņas ar pretējiem lādiņiem. Kad matērija un antimatērija satiekas, tās iznīcina viena otru. Protonam šāda daļiņa ir antiprotons, bet elektronam – pozitrons.

Gravitoni

Kvantu mehānikā visus pamatspēkus veic daļiņas. Piemēram, gaismu veido daļiņas ar nulles masu, ko sauc par fotoniem, kas nes elektromagnētisko spēku. Tāpat gravitoni ir teorētiskas daļiņas, kas nes gravitācijas spēku. Zinātnieki joprojām cenšas atrast gravitonus, taču tas ir ļoti grūti, jo šīs daļiņas ļoti vāji mijiedarbojas ar vielu. Zinātnieki tomēr nepamet mēģinājumus, jo cer, ka tomēr izdosies noķert gravitonus, lai tos izpētītu sīkāk – tas varētu būt īsts izrāviens kvantu mehānikā, jo daudzas līdzīgas daļiņas jau ir pētītas, taču gravitons paliek tikai teorētisks. Kā redzat, fizika var būt daudz interesantāka un aizraujošāka, nekā jūs varētu iedomāties. Visa pasaule ir piepildīta ar dažādām daļiņām, no kurām katra ir milzīgs izpētes un izpētes lauks, kā arī milzīga zināšanu bāze par visu, kas ieskauj cilvēku. Un jums vienkārši jādomā par to, cik daudz daļiņu jau ir atklātas - un cik daudz cilvēku vēl ir jāatklāj.