Prolog. kunnskap om eksistens eller hva er den minste partikkelen i universet? Bare om komplekset: mysteriet om den minste partikkelen i universet, eller hvordan man fanger en nøytrino

Svaret på det uendelige spørsmålet: hvilken utviklet seg med menneskeheten.

Folk trodde en gang at sandkorn var byggesteinene i det vi ser rundt oss. Atomet ble deretter oppdaget og antatt å være udelelig inntil det ble delt for å avsløre protonene, nøytronene og elektronene i det. De viste seg heller ikke å være de minste partiklene i universet, siden forskerne oppdaget at protoner og nøytroner består av tre kvarker hver.

Foreløpig har forskerne ikke klart å se noen bevis for at det er noe inne i kvarkene og at det mest fundamentale laget av materie eller den minste partikkelen i universet er nådd.

Og selv om kvarker og elektroner er udelelige, vet ikke forskerne om de er de minste materiebitene som finnes eller om universet inneholder objekter som er enda mindre.

De minste partiklene i universet

De kommer i forskjellige smaker og størrelser, noen har fantastisk forbindelse, andre fordamper i hovedsak hverandre, mange av dem har fantastiske navn: kvarker som består av baryoner og mesoner, nøytroner og protoner, nukleoner, hyperoner, mesoner, baryoner, nukleoner, fotoner, etc.

Higgs-bosonet er en partikkel som er så viktig for vitenskapen at den kalles "Gud-partikkelen". Det antas at det bestemmer massen til alle andre. Grunnstoffet ble først teoretisert i 1964 da forskere lurte på hvorfor noen partikler var mer massive enn andre.

Higgs-bosonet er assosiert med det såkalte Higgs-feltet, som antas å fylle universet. To grunnstoffer (Higgs feltkvante og Higgs boson) er ansvarlige for å gi de andre massen. Oppkalt etter den skotske forskeren Peter Higgs. Ved hjelp av 14. mars 2013 ble bekreftelsen av eksistensen av Higgs Boson offisielt kunngjort.

Mange forskere hevder at Higgs-mekanismen har løst den manglende brikken i puslespillet for å fullføre den eksisterende "standardmodellen" av fysikk, som beskriver kjente partikler.

Higgs-bosonet bestemte fundamentalt massen til alt som eksisterer i universet.

Kvarker (som betyr kvarker) er byggesteinene til protoner og nøytroner. De er aldri alene, de eksisterer bare i grupper. Tilsynelatende øker kraften som binder kvarker sammen med avstanden, så jo lenger du kommer, jo vanskeligere blir det å skille dem. Derfor eksisterer aldri frie kvarker i naturen.

Kvarker er grunnleggende partikler er strukturløse, spisse ca 10-16 cm i størrelse .

For eksempel består protoner og nøytroner av tre kvarker, med protoner som inneholder to identiske kvarker, mens nøytroner har to forskjellige.

Supersymmetri

Det er kjent at de grunnleggende "byggesteinene" for materie, fermioner, er kvarker og leptoner, og kraftens voktere, bosoner, er fotoner og gluoner. Teorien om supersymmetri sier at fermioner og bosoner kan forvandles til hverandre.

Den forutsagte teorien sier at for hver partikkel vi kjenner, er det en relatert en som vi ennå ikke har oppdaget. For eksempel, for et elektron er det et selectron, en kvark er en squark, et foton er en photino, og en higgs er en higgsino.

Hvorfor observerer vi ikke denne supersymmetrien i universet nå? Forskere tror de er mye tyngre enn sine vanlige fettere og jo tyngre de er, jo kortere levetid. Faktisk begynner de å kollapse så snart de oppstår. Å skape supersymmetri krever veldig stor mengde energi som bare eksisterte kort tid etter stort smell og kan muligens lages i store akseleratorer som Large Hadron Collider.

Når det gjelder hvorfor symmetrien oppsto, teoretiserer fysikere at symmetrien kan ha blitt brutt i en eller annen skjult sektor av universet som vi ikke kan se eller berøre, men bare kan føles gravitasjonsmessig.

Nøytrino

Nøytrinoer er lette subatomære partikler som plystrer overalt nær lysets hastighet. Faktisk flyter billioner av nøytrinoer gjennom kroppen din når som helst, selv om de sjelden samhandler med normal materie.

Noen kommer fra solen, mens andre fra kosmiske stråler samspill med jordens atmosfære og astronomiske kilder som eksploderende stjerner i Melkeveien og andre fjerne galakser.

Antimaterie

Alle normale partikler antas å ha antimaterie med samme masse, men motsatt ladning. Når materie møtes, ødelegger de hverandre. For eksempel er antimateriepartikkelen til et proton et antiproton, mens antimateriepartneren til et elektron kalles et positron. Antimaterie refererer til de som folk har vært i stand til å identifisere.

Gravitoner

Innen kvantemekanikk blir alle grunnleggende krefter overført av partikler. For eksempel er lys bygd opp av masseløse partikler kalt fotoner, som bærer en elektromagnetisk kraft. Likeledes er graviton en teoretisk partikkel som bærer tyngdekraften. Forskere har ennå ikke oppdaget gravitoner, som er vanskelige å finne fordi de samhandler så svakt med materie.

Tråder av energi

I eksperimenter fungerer bittesmå partikler som kvarker og elektroner som enkeltpunkter uten romlig fordeling. Men punktobjekter kompliserer fysikkens lover. Siden det er umulig å komme uendelig nær et punkt, siden aktive krefter, kan bli uendelig stor.

En idé kalt superstrengteori kan løse dette problemet. Teorien sier at alle partikler, i stedet for å være punktlignende, faktisk er små tråder av energi. Det vil si at alle objekter i vår verden består av vibrerende tråder og membraner av energi.
Ingenting kan være uendelig nær tråden, for den ene delen vil alltid være litt nærmere enn den andre. Dette smutthullet ser ut til å løse noen av problemene med uendelighet, noe som gjør ideen attraktiv for fysikere. Imidlertid har forskere fortsatt ingen eksperimentelle bevis for at strengteori er riktig.

En annen måte å løse poengproblemet på er å si at selve rommet ikke er kontinuerlig og jevnt, men faktisk består av diskrete piksler eller korn, noen ganger kalt rom-tidsstruktur. I dette tilfellet vil de to partiklene ikke være i stand til å nærme seg hverandre på ubestemt tid, fordi de alltid må være adskilt med en minimumskornstørrelse.

Svart hull punkt

En annen utfordrer til tittelen minste partikkel i universet er singulariteten (et enkelt punkt) i midten av et svart hull. Sorte hull dannes når materie kondenserer til et rom som er lite nok til at tyngdekraften griper tak, noe som fører til at materie trekkes innover, og til slutt kondenserer til et enkelt punkt med uendelig tetthet. I hvert fall i henhold til de gjeldende fysikkens lover.

Men de fleste eksperter tror ikke at sorte hull virkelig er uendelig tette. De mener at denne uendeligheten er et resultat av en intern konflikt mellom to aktuelle teorier – generell relativitet og kvantemekanikk. De foreslår at når teorien om kvantetyngdekraft kan formuleres, vil den sanne naturen til sorte hull bli avslørt.

Planck lengde

Tråder med energi og til og med den minste partikkelen i universet kan være på størrelse med en "plankelengde".

Lengden på stolpen er 1,6 x 10 -35 meter (tallet 16 er innledet med 34 nuller og et desimaltegn) - en ubegripelig liten skala som er assosiert med ulike aspekter av fysikk.

Planck-lengden er en "naturlig enhet" av lengde som ble foreslått av den tyske fysikeren Max Planck.

Plancks lengde er for kort til at noe instrument kan måle, men utover dette antas det å representere den teoretiske grensen for den korteste målbare lengden. I følge usikkerhetsprinsippet skal ingen instrumenter noen gang kunne måle noe mindre, fordi i dette området er universet sannsynlighet og usikkert.

Denne skalaen regnes også som skillelinjen mellom generell relativitet og kvantemekanikk.

Planck-lengden tilsvarer avstanden der gravitasjonsfeltet er så sterkt at det kan begynne å lage sorte hull fra feltets energi.

Tilsynelatende nå er den minste partikkelen i universet omtrent på størrelse med en planke: 1,6 x 10 −35 meter

Fra skolen var det kjent at den minste partikkelen i universet, elektronet, har en negativ ladning og en veldig liten masse, lik 9,109 x 10 - 31 kg, og den klassiske radiusen til elektronet er 2,82 x 10 -15 m.

Imidlertid opererer fysikere allerede med de minste partiklene i universet, Planck-størrelsen som er omtrent 1,6 x 10 −35 meter.

Nøytrinoer, en utrolig liten partikkel i universet, har fascinert forskere i nesten et århundre. Flere Nobelpriser har blitt delt ut for forskning på nøytrinoer enn for arbeid med noen annen partikkel, og det bygges enorme anlegg for å studere den med små staters budsjett. Alexander Nozik, seniorforsker ved Institute of Nuclear Research ved det russiske vitenskapsakademiet, lærer ved MIPT og deltaker i «Troitsk nu-mass»-eksperimentet for å søke etter nøytrinomassen, forteller hvordan man studerer den, men de fleste viktigere, hvordan å fange det i utgangspunktet.

Mysteriet med stjålet energi

Nøytrinoforskningens historie kan leses som en fascinerende detektivhistorie. Denne partikkelen har testet de deduktive evnene til forskere mer enn én gang: ikke hver gåte kunne løses umiddelbart, og noen er ennå ikke løst. La oss starte med historien til funnet. Radioaktivt forfall forskjellige typer begynte å bli studert på slutten av 1800-tallet, og det er ikke overraskende at forskerne på 1920-tallet hadde i sitt arsenal ikke bare instrumenter for å registrere selve forfallet, men også for å måle energien til partikler som rømte, om enn ikke. spesielt nøyaktig etter dagens standarder. Etter hvert som instrumentenes nøyaktighet økte, økte også gleden for forskere og forvirringen knyttet til blant annet beta-forfall, der et elektron flyr ut av en radioaktiv kjerne, og selve kjernen endrer ladning. Dette forfallet kalles to-partikkel, siden det produserer to partikler - en ny kjerne og et elektron. Enhver videregående elev vil forklare at det er mulig å nøyaktig bestemme energien og momentumet til fragmenter i et slikt forfall ved å bruke bevaringslover og kjenne massene til disse fragmentene. Med andre ord vil energien til for eksempel et elektron alltid være den samme ved ethvert forfall av kjernen til et bestemt grunnstoff. I praksis ble det observert et helt annet bilde. Elektronenergien var ikke bare ikke fiksert, men ble også spredt ut i et kontinuerlig spektrum ned til null, noe som forbløffet forskerne. Dette kan bare skje hvis noen stjeler energi fra beta-forfall. Men det ser ut til at det ikke er noen som stjeler det.

Over tid ble instrumentene mer og mer nøyaktige, og snart forsvant muligheten for å tilskrive en slik anomali til en utstyrsfeil. Dermed oppsto et mysterium. På leting etter løsningen har forskere uttrykt forskjellige, til og med helt absurde etter dagens standarder, antakelser. Niels Bohr selv kom for eksempel med en seriøs uttalelse om at fredningslover ikke gjelder i elementærpartiklers verden. Wolfgang Pauli reddet dagen i 1930. Han klarte ikke å komme til fysikkkonferansen i Tübingen, og fordi han ikke kunne delta eksternt, sendte han et brev som han ba om å bli lest. Her er utdrag fra den:

«Kjære radioaktive damer og herrer. Jeg ber deg om å lytte med oppmerksomhet på det mest passende øyeblikket til budbringeren som leverte dette brevet. Han vil fortelle deg at jeg har funnet et utmerket middel for bevaringsloven og korrekt statistikk. Det ligger i muligheten for eksistensen av elektrisk nøytrale partikler... Kontinuiteten til B-spekteret vil bli tydelig hvis vi antar at under B-nedbrytning sendes et slikt "nøytron" ut sammen med hvert elektron, og summen av energiene til "nøytronet" og elektronet er konstant ..."

På slutten av brevet var det følgende linjer:

«Hvis du ikke tar risiko, vinner du ikke. Alvorligheten av situasjonen når man vurderer det kontinuerlige B-spekteret blir spesielt tydelig etter ordene til prof. Debye, som sa til meg med beklagelse: "Å, det er bedre å ikke tenke på alt dette ... som nye skatter." Derfor er det nødvendig å seriøst diskutere hver vei til frelse. Så, kjære radioaktive mennesker, sett dette på prøve og døm."

Senere uttrykte Pauli selv frykt for at selv om ideen hans reddet fysikken til mikroverdenen, ville den nye partikkelen aldri bli oppdaget eksperimentelt. De sier at han til og med argumenterte med kollegene om at hvis partikkelen fantes, ville det ikke være mulig å oppdage den i løpet av deres levetid. I løpet av de neste årene utviklet Enrico Fermi en teori om beta-forfall som involverte en partikkel han kalte nøytrinoen, som stemte glimrende med eksperimentet. Etter dette var det ingen som var i tvil om at den hypotetiske partikkelen faktisk eksisterte. I 1956, to år før Paulis død, ble nøytrinoer eksperimentelt oppdaget i omvendt beta-forfall av teamet til Frederick Reines og Clyde Cowan (Reines fikk en Nobelprisen).

Saken om de manglende solnøytrinoene

Så snart det ble klart at nøytrinoer, selv om de er komplekse, fortsatt kunne oppdages, begynte forskere å prøve å fange nøytrinoer utenomjordisk opprinnelse. Deres mest åpenbare kilde er solen. Kjernereaksjoner skjer hele tiden i den, og det kan beregnes at hver kvadratcentimeter jordens overflate Omtrent 90 milliarder solnøytrinoer passerer per sekund.

I det øyeblikket mest effektiv metodeÅ fange solnøytrinoer var en radiokjemisk metode. Dens essens er dette: en solnøytrino ankommer jorden, samhandler med kjernen; resultatet er for eksempel en 37Ar-kjerne og et elektron (dette er akkurat reaksjonen som ble brukt i forsøket til Raymond Davis, som han senere fikk Nobelprisen for). Etter dette kan vi ved å telle antall argonatomer si hvor mange nøytrinoer som interagerte i detektorvolumet under eksponeringen. I praksis er selvfølgelig ikke alt så enkelt. Du må forstå at du trenger å telle enkelt argon-atomer i et mål som veier hundrevis av tonn. Masseforholdet er omtrent det samme som mellom massen til en maur og jordens masse. Det var da det ble oppdaget at ⅔ av solnøytrinoer var blitt stjålet (den målte fluksen var tre ganger mindre enn forutsagt).

Selvfølgelig falt mistanken først på selve solen. Tross alt kan vi bedømme hans indre liv bare ved indirekte tegn. Det er ikke kjent hvordan nøytrinoer lages på den, og det er til og med mulig at alle modeller av solen er feil. Ganske mange forskjellige hypoteser ble diskutert, men til slutt begynte forskere å lene seg mot ideen om at det ikke var Solen, men nøytrinoenes utspekulerte natur.

En liten historisk digresjon: i perioden mellom den eksperimentelle oppdagelsen av nøytrinoer og eksperimenter med å studere solnøytrinoer, skjedde flere flere interessante funn. Først ble antinøytrinoer oppdaget og det ble bevist at nøytrinoer og antinøytrinoer deltar forskjellig i interaksjoner. Dessuten er alle nøytrinoer i alle interaksjoner alltid venstrehendte (projeksjonen av spinn på bevegelsesretningen er negativ), og alle antinøytrinoer er høyrehendte. Ikke bare er denne egenskapen observert blant alle elementærpartikler bare i nøytrinoer, den indikerer også indirekte at universet vårt i prinsippet ikke er symmetrisk. For det andre ble det oppdaget at hvert ladet lepton (elektron, myon og taulepton) har sin egen type, eller smak, av nøytrino. Dessuten samhandler nøytrinoer av hver type bare med deres lepton.

La oss gå tilbake til solproblemet vårt. Tilbake på 50-tallet av 1900-tallet ble det antydet at den leptoniske smaken (en type nøytrino) ikke trenger å bli bevart. Det vil si at hvis en elektronnøytrino ble født i en reaksjon, så kan nøytrinoen på vei til en annen reaksjon skifte klær og løpe som en myon. Dette kan forklare mangelen på solnøytrinoer i radiokjemiske eksperimenter som bare er følsomme for elektronnøytrinoer. Denne hypotesen ble briljant bekreftet av målinger av solnøytrinofluksen i SNO og Kamiokande store vannmålscintillasjonseksperimenter (som en annen Nobelpris nylig ble tildelt). I disse eksperimentene er det ikke lenger omvendt beta-forfall som studeres, men nøytrino-spredningsreaksjonen, som ikke bare kan oppstå med elektron, men også med myonnøytrinoer. Da de i stedet for fluksen av elektronnøytrinoer begynte å måle den totale fluksen til alle typer nøytrinoer, bekreftet resultatene perfekt overgangen til nøytrinoer fra en type til en annen, eller nøytrinoscillasjoner.

Angrep på standardmodellen

Oppdagelsen av nøytrinoscillasjoner, etter å ha løst ett problem, skapte flere nye. Poenget er at siden Paulis tid har nøytrinoer blitt ansett som masseløse partikler som fotoner, og dette passet alle. Forsøk på å måle massen av nøytrinoer fortsatte, men uten særlig entusiasme. Oscillasjoner endret alt, siden masse, uansett hvor liten, er nødvendig for deres eksistens. Oppdagelsen av masse i nøytrinoer gledet selvfølgelig eksperimentere, men forvirret teoretikere. For det første passer ikke massive nøytrinoer inn i standardmodellen for partikkelfysikk, som forskere har bygget siden begynnelsen av det 20. århundre. For det andre er den samme mystiske venstrehendelsen til nøytrinoer og høyrehendtheten til antinøytrinoer godt forklart bare, igjen, for masseløse partikler. Hvis det er masse, bør venstrehendte nøytrinoer med en viss sannsynlighet bli til høyrehendte, det vil si til antipartikler, bryte den tilsynelatende uforanderlige loven om bevaring av leptontallet, eller til og med bli til en slags nøytrinoer som gjør det ikke delta i samhandlingen. I dag kalles slike hypotetiske partikler vanligvis sterile nøytrinoer.

Nøytrino-detektor "Super Kamiokande" © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo

Selvfølgelig ble det eksperimentelle søket etter nøytrinomassen umiddelbart gjenopptatt kraftig. Men spørsmålet oppsto umiddelbart: hvordan måle massen til noe som ikke kan fanges? Det er bare ett svar: ikke fange nøytrinoer i det hele tatt. I dag utvikles det mest aktivt av to retninger - det direkte søket etter massen av nøytrinoer i beta-forfall og observasjon av nøytrinoløst dobbelt beta-forfall. I det første tilfellet er ideen veldig enkel. Kjernen forfaller med elektron- og nøytrinostråling. Det er ikke mulig å fange et nøytrino, men det er mulig å fange og måle et elektron med svært høy nøyaktighet. Elektronspekteret bærer også informasjon om nøytrinomassen. Et slikt eksperiment er et av de vanskeligste innen partikkelfysikk, men dets utvilsomme fordel er at det er basert på grunnleggende prinsipper bevaring av energi og fart og resultatet avhenger av lite. For øyeblikket er den beste grensen for nøytrinomasse omtrent 2 eV. Dette er 250 tusen ganger mindre enn for et elektron. Det vil si at selve massen ikke ble funnet, men kun begrenset av den øvre rammen.

Med dobbel beta-forfall er ting mer komplisert. Hvis vi antar at en nøytrino blir til en antinøytrino under en spin flip (denne modellen er kalt etter den italienske fysikeren Ettore Majorana), så er en prosess mulig når to beta-forfall skjer samtidig i kjernen, men nøytrinoene ikke flyr ut, men reduseres. Sannsynligheten for en slik prosess er relatert til nøytrinomassen. De øvre grensene i slike eksperimenter er bedre – 0,2 – 0,4 eV – men avhenger av den fysiske modellen.

Problemet med massive nøytrinoer er ennå ikke løst. Higgsteorien kan ikke forklare så små masser. Det krever betydelig komplikasjon eller bruk av noen mer utspekulerte lover i henhold til hvilke nøytrinoer samhandler med resten av verden. Fysikere involvert i nøytrinoforskning får ofte spørsmålet: «Hvordan kan nøytrinoforskning hjelpe gjennomsnittsmennesket? Hvilken økonomisk eller annen fordel kan man få fra denne partikkelen? Fysikere trekker på skuldrene. Og de vet det virkelig ikke. En gang i tiden var studiet av halvlederdioder rent grunnleggende fysikk, uten noen praktisk anvendelse. Forskjellen er at teknologiene som utvikles for å lage moderne eksperimenter innen nøytrinofysikk er mye brukt i industrien nå, så hver krone som investeres i dette området betaler seg ganske raskt. For tiden utføres det flere eksperimenter rundt om i verden, hvis skala er sammenlignbar med skalaen til Large Hadron Collider; disse eksperimentene er utelukkende rettet mot å studere egenskapene til nøytrinoer. Det er ukjent i hvilken av dem det vil være mulig å åpne en ny side i fysikk, men den vil definitivt bli åpnet.

Verden og vitenskapen står aldri stille. For nylig skrev lærebøker i fysikk trygt at elektronet er den minste partikkelen. Da ble mesoner de minste partiklene, deretter bosoner. Og nå har vitenskapen oppdaget en ny mest minste partikkel i universet- Planck sort hull. Riktignok er den fortsatt åpen bare i teorien. Denne partikkelen er klassifisert som et sort hull fordi dens gravitasjonsradius er større enn eller lik bølgelengden. Av alle de eksisterende sorte hullene er Plancks minste.

Levetiden til disse partiklene er for kort til å gjøre deres praktisk påvisning mulig. I hvert fall på for øyeblikket. Og de blir dannet, som det er vanlig å tro, som et resultat kjernefysiske reaksjoner. Men det er ikke bare levetiden til Planck sorte hull som forhindrer at de oppdages. Nå er dette dessverre umulig fra et teknisk synspunkt. For å syntetisere Planck sorte hull trengs en energiakselerator på mer enn tusen elektronvolt.

Video:

Til tross for denne hypotetiske eksistensen av denne minste partikkelen i universet, er dens praktisk oppdagelse i fremtiden er fullt mulig. Tross alt, for ikke så lenge siden kunne den legendariske Higgs-bosonen heller ikke oppdages. Det var for sin oppdagelse at det ble opprettet en installasjon som bare den lateste innbyggeren på jorden ikke har hørt om - Large Hadron Collider. Forskernes tillit til suksessen til disse studiene bidro til å oppnå et oppsiktsvekkende resultat. Higgs-bosonet er for tiden den minste partikkelen hvis eksistens er praktisk talt bevist. Oppdagelsen er veldig viktig for vitenskapen, den tillot alle partikler å tilegne seg masse. Og hvis partikler ikke hadde noen masse, kunne ikke universet eksistere. Ikke et eneste stoff kunne dannes i den.

Til tross for den praktisk talt beviste eksistensen av denne partikkelen, Higgs-bosonet, er praktiske anvendelser for den ennå ikke oppfunnet. Foreløpig er dette bare teoretisk kunnskap. Men i fremtiden er alt mulig. Ikke alle oppdagelser innen fysikk hadde umiddelbart praktisk anvendelse. Ingen vet hva som vil skje om hundre år. Tross alt, som nevnt tidligere, står verden og vitenskapen aldri stille.

Doktor i fysiske og matematiske vitenskaper M. KAGANOV.

I følge en lang tradisjon snakker tidsskriftet «Vitenskap og liv» om de siste prestasjonene moderne vitenskap, om de siste oppdagelsene innen fysikk, biologi og medisin. Men for å forstå hvor viktige og interessante de er, er det i det minste nødvendig generell disposisjon ha en forståelse av det grunnleggende innen vitenskap. Moderne fysikk utvikler seg raskt, og folk av den eldre generasjonen, de som studerte på skole og høyskole for 30-40 år siden, er ukjent med mange av dens bestemmelser: de eksisterte rett og slett ikke da. Og våre unge lesere har ennå ikke hatt tid til å lære om dem: populærvitenskapelig litteratur har praktisk talt sluttet å bli publisert. Derfor ba vi den mangeårige forfatteren av magasinet M.I. Kaganov om å snakke om atomer og elementærpartikler og lovene som styrer dem, om hva materie er. Moses Isaakovich Kaganov er en teoretisk fysiker, forfatter og medforfatter av flere hundre verk om kvanteteorien om faste stoffer, teorien om metaller og magnetisme. Han var en ledende ansatt ved Institute of Physical Problems oppkalt etter. P. L. Kapitsa og professor ved Moscow State University. M. V. Lomonosov, medlem av redaksjonene til tidsskriftene "Nature" og "Quantum". Forfatter av mange populærvitenskapelige artikler og bøker. Bor nå i Boston (USA).

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

Den greske filosofen Demokritos var den første som brukte ordet «atom». I følge hans lære er atomer udelelige, uforgjengelige og er inne konstant bevegelse. De er uendelig varierte, har fordypninger og konveksiteter som de griper sammen med, og danner alle materielle legemer.

Tabell 1. De viktigste egenskapene til elektroner, protoner og nøytroner.

Deuterium atom.

Den engelske fysikeren Ernst Rutherford regnes med rette som grunnleggeren kjernefysikk, læren om radioaktivitet og teorien om atomstruktur.

På bildet: overflaten av en wolframkrystall, forstørret 10 millioner ganger; hvert lyspunkt er dets individuelle atom.

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

I arbeidet med å lage teorien om stråling, kom Max Planck i 1900 til den konklusjon at atomer av oppvarmet stoff skulle sende ut lys i porsjoner, kvanter, med en handlingsdimensjon (J.s) og energi proporsjonal med strålingsfrekvensen: E = hn .

I 1923 overførte Louis de Broglie Einsteins idé om lysets doble natur - bølge-partikkel-dualitet - til materie: bevegelsen til en partikkel tilsvarer forplantningen av en uendelig bølge.

Diffraksjonseksperimenter bekreftet overbevisende de Broglies teori, som sa at bevegelsen til enhver partikkel er ledsaget av en bølge, hvis lengde og hastighet avhenger av massen og energien til partikkelen.

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

En erfaren biljardspiller vet alltid hvordan ballene vil rulle etter å ha blitt truffet og kjører dem enkelt ned i lommen. Med atompartikler er det mye vanskeligere. Det er umulig å indikere banen til et flygende elektron: det er ikke bare en partikkel, men også en bølge, uendelig i rommet.

Om natten, når det ikke er skyer på himmelen, månen ikke er synlig og ingen lys er i veien, er himmelen fylt med sterkt skinnende stjerner. Det er ikke nødvendig å lete etter kjente konstellasjoner eller prøve å finne planeter nær Jorden. Bare se på! Prøv å forestille deg et enormt rom som er fylt med verdener og strekker seg over milliarder av milliarder lysår. Det er bare på grunn av avstanden at verdenene ser ut til å være punkter, og mange av dem er så langt unna at de ikke kan skilles enkeltvis og smelter sammen til tåker. Det ser ut til at vi er i sentrum av universet. Nå vet vi at dette ikke stemmer. Avvisningen av geosentrisme er en stor fortjeneste ved vitenskapen. Det tok mye krefter å innse at den lille Jorden beveger seg i et tilfeldig, tilsynelatende umerket område med stort (bokstavelig talt!) rom.

Men livet oppsto på jorden. Det utviklet seg så vellykket at det var i stand til å produsere en person som var i stand til å forstå verden rundt seg, lete etter og finne lovene som styrer naturen. Menneskehetens prestasjoner med å forstå naturlovene er så imponerende at du ufrivillig føler deg stolt over å tilhøre denne klypen av intelligens, tapt i periferien av en vanlig galakse.

Med tanke på mangfoldet av alt som omgir oss, er eksistensen av generelle lover fantastisk. Ikke mindre fantastisk er det alt er bygget av bare tre typer partikler – elektroner, protoner og nøytroner.

For å bruke de grunnleggende naturlovene til å utlede observerbare og forutsi nye egenskaper til ulike stoffer og objekter, kompleks matematiske teorier, som slett ikke er lett å forstå. Men konturene av det vitenskapelige bildet av verden kan forstås uten å ty til streng teori. Dette krever naturligvis lyst. Men ikke bare det: selv foreløpig bekjentskap vil kreve litt arbeid. Vi må prøve å forstå nye fakta, ukjente fenomener som ved første øyekast ikke stemmer overens med eksisterende erfaring.

Vitenskapens prestasjoner fører ofte til ideen om at "ingenting er hellig" for det: det som var sant i går blir forkastet i dag. Med kunnskap følger en forståelse av hvor ærbødig vitenskapen behandler hvert korn av akkumulert erfaring, med hvilken forsiktighet den beveger seg fremover, spesielt i de tilfeller hvor det er nødvendig å forlate inngrodde ideer.

Hensikten med denne historien er å introdusere de grunnleggende trekk ved strukturen til uorganiske stoffer. Til tross for den uendelige variasjonen, er strukturen deres relativt enkel. Spesielt hvis du sammenligner dem med en hvilken som helst, selv den enkleste levende organismen. Men det er også noe til felles: alle levende organismer, som uorganiske stoffer, bygget av elektroner, protoner og nøytroner.

Det er umulig å forstå omfanget: for å introdusere, i det minste generelt sett, strukturen til levende organismer, er det nødvendig med en spesiell historie.

INTRODUKSJON

Variasjonen av ting, gjenstander - alt vi bruker, som omgir oss, er enorm. Ikke bare av deres formål og design, men også av materialene som brukes til å lage dem - stoffer, som de sier, når det ikke er nødvendig å understreke deres funksjon.

Stoffer og materialer ser solide ut, og følesansen bekrefter det øynene ser. Det ser ut til at det ikke er noen unntak. Rennende vann og fast metall, så forskjellige fra hverandre, er like på én ting: både metall og vann er faste. Riktignok kan du løse opp salt eller sukker i vann. De finner et sted for seg selv i vannet. Ja og inn fast, for eksempel kan du slå en spiker i en treplate. Med betydelig innsats kan du oppnå at stedet som ble okkupert av treet vil bli okkupert av en jernspiker.

Vi vet godt: du kan bryte av et lite stykke fra en solid kropp, du kan slipe nesten hvilket som helst materiale. Noen ganger er det vanskelig, noen ganger skjer det spontant, uten vår medvirkning. La oss se for oss på stranden, på sanden. Vi forstår: et sandkorn er langt fra den minste partikkelen av stoffet som sand består av. Hvis du prøver, kan du redusere sandkornene, for eksempel ved å føre dem gjennom ruller - gjennom to sylindre laget av svært hardt metall. En gang mellom rullene knuses sandkornet til mindre biter. I hovedsak er dette hvordan mel lages av korn i møller.

Nå som atomet har gått godt inn i vår oppfatning av verden, er det veldig vanskelig å forestille seg at folk ikke visste om knuseprosessen er begrenset eller om stoffet kan knuses i det uendelige.

Det er ukjent når folk først stilte seg dette spørsmålet. Det ble først registrert i skriftene til gamle greske filosofer. Noen av dem mente at uansett hvor lite et stoff er, kan det deles inn i enda mindre deler – det er ingen grense. Andre uttrykte ideen om at det er små udelelige partikler som alt består av. For å understreke at disse partiklene er grensen for fragmentering, kalte de dem atomer (på gammelgresk betyr ordet "atom" udelelig).

Det er nødvendig å nevne de som først fremmet ideen om eksistensen av atomer. Disse er Demokrit (født rundt 460 eller 470 f.Kr., død i svært høy alder) og Epikur (341-270 f.Kr.). Så, atomvitenskap er nesten 2500 år gammel. Begrepet atomer ble ikke umiddelbart akseptert av alle. Selv for rundt 150 år siden var det få mennesker som var sikre på eksistensen av atomer, selv blant forskere.

Faktum er at atomer er veldig små. De kan ikke sees ikke bare med det blotte øye, men også for eksempel med et mikroskop som forstørres 1000 ganger. La oss tenke på det: hva er størrelsen på de minste partiklene som kan sees? U forskjellige mennesker forskjellig syn, men sannsynligvis vil alle være enige om at det er umulig å se en partikkel mindre enn 0,1 millimeter. Derfor, hvis du bruker et mikroskop, kan du, men med vanskeligheter, se partikler som måler omtrent 0,0001 millimeter, eller 10 -7 meter. Ved å sammenligne størrelsen på atomer og interatomære avstander (10 -10 meter) med lengden vi aksepterte som grensen for evnen til å se, vil vi forstå hvorfor ethvert stoff virker solid for oss.

2500 år er en enorm tid. Uansett hva som skjedde i verden, var det alltid mennesker som prøvde å svare på spørsmålet om hvordan verden rundt dem fungerer. Noen ganger var problemene med verdens struktur mer av bekymring, andre - mindre. Vitenskapens fødsel i sin moderne forstand skjedde relativt nylig. Forskere har lært å utføre eksperimenter - å stille naturspørsmål og forstå svarene, å lage teorier som beskriver resultatene av eksperimenter. Teoriene krevde strenge matematiske metoder for å komme til pålitelige konklusjoner. Vitenskapen har kommet langt. På denne veien, som for fysikk begynte for rundt 400 år siden med arbeidet til Galileo Galilei (1564-1642), er det innhentet en uendelig mengde informasjon om materiens struktur og egenskapene til kropper av forskjellig natur, et uendelig antall forskjellige fenomener har blitt oppdaget og forstått.

Menneskeheten har lært å ikke bare passivt forstå naturen, men også å bruke den til sine egne formål.

Vi vil ikke ta for oss historien om utviklingen av atomkonsepter over 2500 år og fysikkens historie de siste 400 årene. Vår oppgave er å fortelle så kort og tydelig som mulig om hva og hvordan alt er bygget opp – gjenstandene rundt oss, kropper og oss selv.

Som allerede nevnt består all materie av elektroner, protoner og nøytroner. Jeg har visst om dette siden skolen, men det slutter aldri å forbløffe meg at alt er bygget av partikler av bare tre typer! Men verden er så mangfoldig! I tillegg er virkemidlene som naturen bruker for å utføre bygging også ganske ensformige.

En sammenhengende beskrivelse av hvordan stoffer bygges ulike typer, er en kompleks vitenskap. Hun bruker litt seriøs matematikk. Det må understrekes at det ikke finnes noen annen enkel teori. Men de fysiske prinsippene som ligger til grunn for forståelsen av strukturen og egenskapene til stoffer, selv om de er ikke-trivielle og vanskelige å forestille seg, kan likevel forstås. Med vår historie vil vi prøve å hjelpe alle som er interessert i strukturen i verden vi lever i.

METODE FOR FRAGMENT, ELLER DELE OG FORSTÅ

Det ser ut til at den mest naturlige måten å forstå hvordan en bestemt kompleks enhet (leketøy eller mekanisme) fungerer, er å demontere den og dekomponere den til dens komponentdeler. Du trenger bare å være veldig forsiktig, og husk at bretting vil være mye vanskeligere. "Å bryte er ikke å bygge," sier folkevisdom. Og en ting til: Vi forstår kanskje hva enheten består av, men vi forstår neppe hvordan den fungerer. Noen ganger trenger du bare å skru ut en skrue, og det er det - enheten slutter å fungere. Det er nødvendig ikke så mye å demontere som å forstå.

Fordi vi snakker om ikke om den faktiske nedbrytningen av alle gjenstandene, tingene, organismene rundt oss, men om det imaginære, det vil si om mentale, og ikke om ekte opplevelse, da trenger du ikke å bekymre deg: du trenger ikke å samle. La oss dessuten ikke spare på innsatsen vår. La oss ikke tenke på om det er vanskelig eller lett å dekomponere enheten i dens komponentdeler. Bare et sekund. Hvordan vet vi at vi har nådd grensen? Kanskje vi kan komme videre med mer innsats? La oss innrømme for oss selv: vi vet ikke om vi har nådd grensen. Vi må bruke den allment aksepterte oppfatningen, og innse at dette ikke er et veldig pålitelig argument. Men hvis du husker at dette bare er en allment akseptert mening, og ikke den ultimate sannheten, så er faren liten.

Det er nå generelt akseptert at delene som alt er bygget av er elementærpartikler. Og dette er ikke alt. Etter å ha sett på den tilsvarende oppslagsboken, vil vi være overbevist: det er mer enn tre hundre elementærpartikler. Overfloden av elementærpartikler fikk oss til å tenke på muligheten for eksistensen av subelementærpartikler - partikler som utgjør selve elementarpartiklene. Slik oppsto ideen om kvarker. Det har de fantastisk eiendom, som tilsynelatende ikke eksisterer i fri stat. Det er ganske mange kvarker - seks, og hver har sin egen antipartikkel. Kanskje er reisen inn i materiens dyp ikke over.

For vår historie er overfloden av elementære partikler og eksistensen av subelementære partikler uviktig. Elektroner, protoner og nøytroner er direkte involvert i konstruksjonen av stoffer - alt bygges bare fra dem.

Før vi diskuterer egenskapene til virkelige partikler, la oss tenke på hva vi ønsker å se delene som alt er bygget av. Når det gjelder hva vi ønsker å se, må vi selvsagt ta hensyn til mangfoldet av synspunkter. La oss velge noen funksjoner som virker obligatoriske.

For det første må elementærpartikler ha evnen til å kombineres til ulike strukturer.

For det andre vil jeg tro at elementærpartikler er uforgjengelige. Å vite hvilken lang historie har en verden, er det vanskelig å forestille seg at partiklene den består av er dødelige.

For det tredje vil jeg at det ikke skal være for mange detaljer. Når vi ser på byggeklosser, ser vi hvor mange forskjellige strukturer som kan lages av de samme elementene.

Når vi blir kjent med elektroner, protoner og nøytroner, vil vi se at egenskapene deres ikke motsier våre ønsker, og ønsket om enkelhet tilsvarer utvilsomt det faktum at bare tre typer elementærpartikler deltar i strukturen til alle stoffer.

ELEKTRONER, PROTONER, NØYTRONER

La oss presentere de viktigste egenskapene til elektroner, protoner og nøytroner. De er samlet i tabell 1.

Størrelsen på ladningen er gitt i coulombs, massen i kilogram (SI-enheter); Ordene "spinn" og "statistikk" vil bli forklart nedenfor.

La oss ta hensyn til forskjellen i massen av partikler: protoner og nøytroner er nesten 2000 ganger tyngre enn elektroner. Følgelig er massen til ethvert legeme nesten helt bestemt av massen av protoner og nøytroner.

Nøytronet, som navnet antyder, er nøytralt - ladningen er null. Og et proton og et elektron har ladninger av samme størrelse, men motsatt i fortegn. Et elektron er negativt ladet og et proton er positivt ladet.

Blant egenskapene til partikler er det ingen tilsynelatende viktig egenskap - størrelsen deres. Å beskrive strukturen til atomer og molekyler, kan elektroner, protoner og nøytroner betraktes som materielle punkter. Størrelsene på protonet og nøytronet må bare huskes når man beskriver atomkjerner. Selv sammenlignet med størrelsen på atomer, er protoner og nøytroner uhyrlig små (i størrelsesorden 10 -16 meter).

I hovedsak kommer denne korte delen ned til å introdusere elektroner, protoner og nøytroner som byggesteinene til alle kropper i naturen. Vi kan ganske enkelt begrense oss til tabell 1, men vi må forstå hvordan elektroner, protoner og nøytroner konstruksjon utføres, hva som får partikler til å kombinere til mer komplekse strukturer og hva disse strukturene er.

ATOM ER DEN ENKLESTE AV KOMPLEKSE STRUKTURER

Det er mange atomer. Det viste seg å være nødvendig og mulig å ordne dem på en spesiell måte. Ordning gjør det mulig å understreke forskjellene og likhetene til atomer. Det rimelige arrangementet av atomer er fordelen til D.I. Mendeleev (1834-1907), som formulerte den periodiske loven som bærer hans navn. Hvis vi midlertidig ignorerer eksistensen av perioder, er prinsippet for arrangementet av elementer ekstremt enkelt: de er ordnet sekvensielt i henhold til atomenes vekt. Det letteste er hydrogenatomet. Det siste naturlige (ikke kunstig skapte) atomet er uranatomet, som er mer enn 200 ganger tyngre.

Å forstå strukturen til atomer forklarte tilstedeværelsen av periodisitet i elementenes egenskaper.

Helt på begynnelsen av 1900-tallet viste E. Rutherford (1871-1937) overbevisende at nesten hele massen til et atom er konsentrert i kjernen - et lite (selv sammenlignet med et atom) område i rommet: radiusen til kjernen er omtrent 100 tusen ganger mindre enn størrelsen på atomet. Da Rutherford utførte sine eksperimenter, var nøytronet ennå ikke oppdaget. Med oppdagelsen av nøytronet ble det innsett at kjerner består av protoner og nøytroner, og det er naturlig å tenke på et atom som en kjerne omgitt av elektroner, hvis antall er lik antall protoner i kjernen - etter alt, atomet som helhet er nøytralt. Protoner og nøytroner er som byggemateriale kjerner, mottatt vanlig navn- nukleoner (fra latin kjerne - kjerne). Dette er navnet vi skal bruke.

Antall nukleoner i en kjerne er vanligvis angitt med bokstaven EN. Det er klart det A = N + Z, Hvor N er antall nøytroner i kjernen, og Z- antall protoner lik antall elektroner i et atom. Tall EN kalles atommasse, og Z- atomnummer. Atomer med samme atomnummer kalles isotoper: i det periodiske systemet er de plassert i samme celle (på gresk isos - lik , topos - sted). Poenget er det kjemiske egenskaper isotoper er nesten identiske. Hvis du undersøker det periodiske systemet nøye, kan du være overbevist om at arrangementet av elementer strengt tatt ikke samsvarer atommasse, og atomnummeret. Hvis det er omtrent 100 grunnstoffer, så er det mer enn 2000 isotoper Sant nok, mange av dem er ustabile, det vil si radioaktive (fra latin radio– Jeg stråler, aktivus- aktive), de forfaller og sender ut forskjellige strålinger.

Rutherfords eksperimenter førte ikke bare til oppdagelsen av atomkjerner, men viste også at de samme elektrostatiske kreftene virker i atomet, som frastøter likt ladede kropper fra hverandre og tiltrekker forskjellig ladede til hverandre (for eksempel elektroskopkuler).

Atomet er stabilt. Følgelig beveger elektronene i et atom seg rundt kjernen: sentrifugalkraften kompenserer for tiltrekningskraften. Forståelsen av dette førte til opprettelsen av en planetarisk modell av atomet, der kjernen er solen og elektronene er planetene (fra klassisk fysikks synspunkt er planetmodellen inkonsekvent, men mer om det nedenfor).

Det er flere måter å beregne størrelsen på et atom på. Ulike estimater fører til lignende resultater: Størrelsen på atomene er selvfølgelig forskjellige, men omtrent lik flere tideler av en nanometer (1 nm = 10 -9 m).

La oss først vurdere systemet av elektroner til et atom.

I solsystemet Planeter blir tiltrukket av solen av tyngdekraften. En elektrostatisk kraft virker i et atom. Det kalles ofte Coulomb til ære for Charles Augustin Coulomb (1736-1806), som fastslo at kraften i samspillet mellom to ladninger er omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem. Det faktum at to siktelser Q 1 og Q 2 tiltrekke eller frastøte med en kraft lik F C =Q 1 Q 2 /r 2 , Hvor r- avstanden mellom ladninger kalles "Coulombs lov". Indeks " MED" tildelt makt F med den første bokstaven i Coulombs etternavn (på fransk Coulomb). Blant de mest forskjellige uttalelsene er det få som med rette kalles en lov som Coulombs lov: Tross alt er omfanget av dens anvendelighet praktisk talt ubegrenset. Ladede legemer, uansett størrelse, så vel som atom- og til og med subatomære ladede partikler - de tiltrekker eller frastøter alle i samsvar med Coulombs lov.

EN OPPDANNELSE OM GRAVITET

En person blir kjent med tyngdekraften i tidlig barndom. Ved å falle lærer han å respektere tyngdekraften mot jorden. Bekjentskap med akselerert bevegelse begynner vanligvis med studiet av fritt fall av kropper - bevegelsen av en kropp under påvirkning av tyngdekraften.

Mellom to masselegemer M 1 og M 2 krafthandlinger F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Her r- avstand mellom kropper, G- gravitasjonskonstant lik 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indeksen "N" er gitt til ære for Newton (1643 - 1727). Dette uttrykket kalles loven universell gravitasjon, og understreker dens universelle karakter. Styrke F N bestemmer bevegelsen til galakser, himmellegemer og gjenstander som faller til bakken. Loven om universell gravitasjon er gyldig i enhver avstand mellom legemer. Vi vil ikke nevne endringene i gravitasjonsbildet som Einsteins generelle relativitetsteori (1879-1955) introduserte.

Både den elektrostatiske kraften i Coulomb og den newtonske kraften til universell gravitasjon er den samme (som 1/ r 2) reduseres med økende avstand mellom kroppene. Dette lar deg sammenligne virkningen av begge kreftene i hvilken som helst avstand mellom kroppene. Hvis kraften til Coulomb-frastøtingen til to protoner sammenlignes i størrelse med kraften til gravitasjonsattraksjonen deres, viser det seg at F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Derfor spiller tyngdekraften ingen vesentlig rolle i atomets struktur: den er for liten sammenlignet med den elektrostatiske kraften.

Oppdage elektriske ladninger og det er ikke vanskelig å måle samspillet mellom dem. Hvis den elektriske kraften er så stor, hvorfor er det da ikke viktig når for eksempel faller, hopper, kaster en ball? For i de fleste tilfeller har vi å gjøre med nøytrale (uladede) kropper. Det er alltid mange ladede partikler (elektroner, ioner) i rommet annet tegn). Under påvirkning av en enorm (på atomær skala) attraktiv elektrisk kraft skapt av en ladet kropp, skynder ladede partikler seg til kilden, holder seg til kroppen og nøytraliserer ladningen.

BØLGE ELLER Partikkel? BÅDE BØLGE OG Partikkel!

Det er veldig vanskelig å snakke om atomære og enda mindre, subatomære partikler, hovedsakelig fordi egenskapene deres ikke har noen analoger i hverdagen vår. Man skulle kanskje tro at det ville være praktisk å tenke på partiklene som utgjør så små atomer som materielle poeng. Men alt viste seg å være mye mer komplisert.

En partikkel og en bølge... Det virker som det er meningsløst å sammenligne, de er så forskjellige.

Sannsynligvis, når du tenker på en bølge, forestiller du deg først og fremst en rislende havoverflate. Bølger kommer i land fra åpent hav, bølgelengder - avstandene mellom to påfølgende topper - kan være forskjellige. Det er lett å observere bølger som har en lengde i størrelsesorden flere meter. Under bølger vibrerer vannmassen åpenbart. Bølgen dekker et betydelig område.

Bølgen er periodisk i tid og rom. Bølgelengde ( λ ) er et mål på romlig periodisitet. Periodisiteten til bølgebevegelse i tid er synlig i frekvensen for ankomst av bølgetopp til kysten, og den kan detekteres for eksempel ved svingningen av en flottør opp og ned. La oss betegne perioden med bølgebevegelse - tiden som en bølge passerer - ved bokstaven T. Periodens gjensidige kalles frekvens ν = 1/T. De enkleste bølgene (harmoniske) har en viss frekvens som ikke endres over tid. Enhver kompleks bølgebevegelse kan representeres som et sett med enkle bølger (se "Vitenskap og liv" nr. 11, 2001). Strengt tatt opptar en enkel bølge uendelig plass og eksisterer i uendelig lang tid. En partikkel, slik vi forestiller oss det, og en bølge er helt forskjellige.

Siden Newtons tid har det vært en debatt om lysets natur. Det lys er en samling av partikler (korpuskler, fra latin corpusculum- liten kropp) eller bølger? Teoriene konkurrerte lenge. Bølgeteorien vant: den korpuskulære teorien kunne ikke forklare de eksperimentelle fakta (interferens og diffraksjon av lys). Bølgeteorien taklet lett den rettlinjede forplantningen av en lysstråle. En viktig rolle ble spilt av det faktum at lengden på lysbølger, i henhold til dagligdagse konsepter, er veldig liten: rekkevidden av bølgelengder synlig lys fra 380 til 760 nanometer. Kortere elektromagnetiske bølger- ultrafiolett, røntgen- og gammastråler, og lengre - infrarød, millimeter, centimeter og alle andre radiobølger.

TIL slutten av 1800-talletårhundre, virket bølgeteoriens seier over den korpuskulære teorien endelig og ugjenkallelig. Imidlertid gjorde det tjuende århundre alvorlige justeringer. Det virket som lys eller bølger eller partikler. Det viste seg - både bølger og partikler. For partikler av lys, for dets kvanter, som de sier, ble det laget et spesielt ord - "foton". Ordet "kvante" kommer fra latinsk ord kvante- hvor mange, og "foton" - fra det greske ordet bilder - lys. Ord som angir navnene på partikler har i de fleste tilfeller endingen Han. Overraskende nok, i noen eksperimenter oppfører lys seg som bølger, mens det i andre oppfører seg som en strøm av partikler. Gradvis var det mulig å bygge en teori som forutså hvordan lys ville oppføre seg i hvilket eksperiment. Denne teorien er nå generelt akseptert. ulik oppførsel lys er ikke lenger overraskende.

De første trinnene er alltid spesielt vanskelige. Jeg måtte gå imot den etablerte oppfatningen i vitenskapen og komme med uttalelser som virket som kjetteri. Ekte forskere tror virkelig på teorien de bruker for å beskrive fenomenene de observerer. Det er veldig vanskelig å forlate en akseptert teori. De første skrittene ble tatt av Max Planck (1858-1947) og Albert Einstein (1879-1955).

I følge Planck - Einstein er det i separate porsjoner, quanta, at lys sendes ut og absorberes av materie. Energien som bæres av et foton er proporsjonal med dets frekvens: E = hν. Proporsjonalitetsfaktor h kalt Plancks konstant til ære for den tyske fysikeren som introduserte den i teorien om stråling i 1900. Og allerede i den første tredjedelen av det 20. århundre ble det klart at Plancks konstant er en av de viktigste verdenskonstantene. Naturligvis ble det nøye målt: h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Er et kvantum av lys mye eller lite? Frekvensen av synlig lys er ca. 10 14 s -1. Husk: frekvensen og bølgelengden til lys er relatert til forholdet ν = c/λ, hvor Med= 299792458.10 10 m/s (nøyaktig) - lysets hastighet i vakuum. Kvanteenergi hν, som det er lett å se, er omtrent 10 -18 J. På grunn av denne energien kan en masse på 10 -13 gram heves til en høyde på 1 centimeter. På en menneskelig målestokk er den uhyrlig liten. Men dette er en masse på 10 14 elektroner. I mikrokosmos er skalaen en helt annen! Selvfølgelig kan en person ikke føle en masse på 10 -13 gram, men det menneskelige øyet er så følsomt at det kan se individuelle lysmengder - dette ble bekreftet av en rekke subtile eksperimenter. Under normale forhold skiller en person ikke "kornet" av lys, og oppfatter det som en kontinuerlig strøm.

Når man vet at lys har både en korpuskulær og en bølgenatur, er det lettere å forestille seg at "ekte" partikler også har bølgeegenskaper. Denne kjetterske tanken ble først uttrykt av Louis de Broglie (1892-1987). Han prøvde ikke å finne ut hva bølgens natur var, egenskapene han spådde. Ifølge hans teori, en partikkel med masse m, flyr i fart v, tilsvarer en bølge med bølgelengde l = hmv og frekvens ν = E/h, Hvor E = mv 2/2 - partikkelenergi.

Videre utvikling av atomfysikk førte til en forståelse av naturen til bølgene som beskriver bevegelsen til atom- og subatomære partikler. En vitenskap oppsto kalt "kvantemekanikk" (i de første årene ble den oftere kalt bølgemekanikk).

Kvantemekanikk gjelder bevegelse av mikroskopiske partikler. Når man vurderer bevegelsen til vanlige legemer (for eksempel deler av mekanismer), er det ingen vits i å ta hensyn til kvantekorreksjoner (korreksjoner på grunn av materiens bølgeegenskaper).

En av manifestasjonene av bølgebevegelsen til partikler er deres mangel på bane. For at en bane skal eksistere, er det nødvendig at partikkelen i hvert øyeblikk har en viss koordinat og en viss hastighet. Men det er nettopp dette som er forbudt av kvantemekanikk: en partikkel kan ikke samtidig ha en viss koordinatverdi X , og en viss hastighetsverdi v . Deres usikkerhet Dx Og Dv relatert av usikkerhetsforholdet oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D X D, Hvor m v ~ t/m er massen til partikkelen, og h- Planck er konstant. Plancks konstant kalles ofte det universelle kvantumet for "handling". Uten å spesifisere begrepet handling , vær oppmerksom på epitetet universell

. Han understreker at usikkerhetsrelasjonen alltid er gyldig. Når man kjenner til bevegelsesbetingelsene og massen til partikkelen, kan man estimere når det er nødvendig å ta hensyn til kvantelovene for bevegelse (med andre ord når bølgeegenskapene til partikler og deres konsekvens - usikkerhetsrelasjonene) ikke kan neglisjeres , og når det er fullt mulig å bruke de klassiske bevegelseslovene. La oss understreke: hvis det er mulig, så er det nødvendig, siden klassisk mekanikk er betydelig enklere enn kvantemekanikk. Vær oppmerksom på at Plancks konstant er delt på masse (de er inkludert i kombinasjoner t/m

). Jo større masse, jo mindre rolle spiller kvantelovene. Å føle når man skal neglisjere kvanteegenskaper relatert av usikkerhetsforholdet oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D absolutt mulig, vil vi prøve å estimere størrelsen på usikkerhetene D v og D relatert av usikkerhetsforholdet oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D absolutt mulig, vil vi prøve å estimere størrelsen på usikkerhetene D v. Hvis D

er ubetydelige sammenlignet med deres gjennomsnittlige (klassiske) verdier, beskriver formlene til klassisk mekanikk perfekt bevegelsen, hvis de ikke er små, er det nødvendig å bruke kvantemekanikk. Det gir ingen mening å ta hensyn til kvanteusikkerhet selv når andre årsaker (innenfor rammen av klassisk mekanikk) fører til større usikkerhet enn Heisenberg-relasjonen.

La oss se på ett eksempel. Husk at vi ønsker å vise muligheten for å bruke klassisk mekanikk, tenk på en "partikkel" hvis masse er 1 gram og hvis størrelse er 0,1 millimeter. På menneskelig skala er dette et korn, en lett, liten partikkel. Men det er 10 24 ganger tyngre enn et proton og en million ganger større enn et atom!

La «vårt» korn bevege seg i et kar fylt med hydrogen. Hvis et korn flyr fort nok, ser det ut til at det beveger seg i en rett linje med en viss hastighet. Dette inntrykket er feil: På grunn av virkningen av hydrogenmolekyler på kornet, endres hastigheten litt med hvert slag. La oss anslå nøyaktig hvor mye. La temperaturen på hydrogen være 300 K (vi måler alltid temperaturen med, på Kelvin-skalaen; 300 K = 27 o C). Multiplisere temperaturen i Kelvin med Boltzmanns konstant k B = 1.381.10 -16 J/K, vi vil uttrykke det i energienheter. Endringen i hastigheten til et korn kan beregnes ved å bruke loven om bevaring av momentum. Med hver kollisjon av et korn med et hydrogenmolekyl, endres hastigheten med omtrent 10 -18 cm/s. Endringen skjer helt tilfeldig og i tilfeldig retning. Derfor er det naturlig å betrakte verdien på 10 -18 cm/s som et mål på den klassiske usikkerheten til kornhastigheten (D v) cl for dette tilfellet. Så, (D v) klasse = 10 -18 cm/s. Det er tilsynelatende svært vanskelig å bestemme plasseringen av et korn med en nøyaktighet større enn 0,1 av størrelsen. La oss akseptere (D relatert av usikkerhetsforholdet oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D) cl = 10 -3 cm Til slutt, (D relatert av usikkerhetsforholdet oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D) klasse (D v) cl = 10-3,10-18 = 10-21. Det virker som en veldig liten verdi. Usikkerhetene i hastighet og posisjon er uansett så små at kornets gjennomsnittlige bevegelse kan vurderes. Men sammenlignet med kvanteusikkerheten diktert av Heisenbergs forhold (D relatert av usikkerhetsforholdet oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D X v= 10 -27), er den klassiske heterogeniteten enorm - i dette tilfellet overskrider den den en million ganger.

Konklusjon: når man vurderer bevegelsen til et korn, er det ikke nødvendig å ta hensyn til dets bølgeegenskaper, det vil si eksistensen av kvanteusikkerhet for koordinater og hastighet. Når det gjelder bevegelse av atom- og subatomære partikler, endrer situasjonen seg dramatisk.

De dukker opp i ulike former og størrelser, noen kommer i destruktive duoer, noe som betyr at de ender opp med å ødelegge hverandre, og noen har utrolige navn som "nøytralino". Her er en liste over bittesmå partikler som forbløffer selv fysikere selv.

Gud partikkel

Higgs-bosonet er en partikkel som er så viktig for vitenskapen at den har fått tilnavnet «Gudspartikkelen». Det er dette som, som forskerne tror, gir masse til alle andre partikler. Det ble først diskutert i 1964, da fysikere lurte på hvorfor noen partikler hadde mer masse enn andre. Higgs-bosonet er assosiert med Higgs-feltet, et slags gitter som fyller universet. Feltet og bosonet anses som ansvarlige for at andre partikler får masse. Mange forskere tror at Higgs-mekanismen inneholder de manglende puslespillbrikkene for fullt ut å forstå standardmodellen, som beskriver alle kjente partikler, men sammenhengen mellom dem er ennå ikke bevist.

Quarks

Quarks er herlig navngitte blokker av protoner og nøytroner som aldri er alene og bare eksisterer i grupper. Tilsynelatende øker kraften som binder kvarker sammen med avstanden, det vil si at jo mer noen prøver å flytte en av kvarkene bort fra gruppen, jo mer vil den bli tiltrukket tilbake. Dermed eksisterer ikke frie kvarker i naturen. Det er seks typer kvarker totalt, og protoner og nøytroner består for eksempel av flere kvarker. I et proton er det tre av dem - to av samme type, og en av de andre, men i et nøytron - bare to, begge av forskjellige typer.

Super partnere

Disse partiklene tilhører teorien om supersymmetri, som sier at for hver partikkel som er kjent for mennesket, er det en annen lignende partikkel som ennå ikke er oppdaget. For eksempel er superpartneren til et elektron et selektron, superpartneren til en kvark er en squark, og superpartneren til et foton er en foton. Hvorfor er ikke disse superpartiklene observert i universet nå? Forskere tror at de er mye tyngre enn partnerne deres, og større vekt forkorter levetiden deres. Disse partiklene begynner å brytes ned så snart de er født. Å lage en partikkel krever enorme mengder energi, slik som den som produseres Big Bang. Kanskje vil forskere finne en måte å reprodusere superpartikler, for eksempel i Large Hadron Collider. Angående større størrelse og vektene til superpartnerne, mener forskere at symmetrien har blitt brutt i en skjult sektor av universet som ikke kan sees eller finnes.

Nøytrino

Dette er lette subatomære partikler som beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet. Faktisk beveger seg billioner av nøytrinoer gjennom kroppen din til enhver tid, men de samhandler nesten aldri med vanlig materie. Noen nøytrinoer kommer fra solen, andre fra kosmiske stråler som samhandler med atmosfæren.

Antimaterie

Alle vanlige partikler har en partner i antimaterie, identiske partikler med motsatt ladning. Når materie og antimaterie møter hverandre, ødelegger de hverandre. For et proton er en slik partikkel et antiproton, men for et elektron er det et positron.

Gravitoner

I kvantemekanikk utføres alle grunnleggende krefter av partikler. For eksempel er lys bygd opp av partikler med null masse kalt fotoner, som bærer en elektromagnetisk kraft. På samme måte er gravitoner teoretiske partikler som bærer tyngdekraften. Forskere prøver fortsatt å finne gravitoner, men dette er veldig vanskelig, siden disse partiklene samhandler veldig svakt med materie. Forskere gir imidlertid ikke opp å prøve, fordi de håper at de fortsatt vil være i stand til å fange gravitoner for å studere dem mer detaljert - dette kan være et reelt gjennombrudd innen kvantemekanikk, siden mange lignende partikler allerede er studert, men gravitonen forblir utelukkende teoretisk. Som du kan se, kan fysikk være mye mer interessant og spennende enn du kanskje forestiller deg. Hele verden er fylt med forskjellige partikler, som hver er et stort felt for forskning og studier, samt en enorm kunnskapsbase om alt som omgir en person. Og du må bare tenke på hvor mange partikler som allerede er oppdaget – og hvor mange som fortsatt må oppdage.