Väikseim aine universumis. Lihtsalt kompleksist: universumi väikseima osakese mõistatus või kuidas püüda neutriinot

See maailm on kummaline: mõned armastavad luua midagi monumentaalset ja hiiglaslikku, et saada kuulsaks kogu maailmas ja minna ajalukku, teised aga loovad minimalistlikke koopiaid tavalistest asjadest ja hämmastab maailma nendega mitte vähem. See ülevaade sisaldab väikseimaid esemeid, mis maailmas eksisteerivad ja mis pole samal ajal vähem funktsionaalsed kui nende täissuuruses kolleegid.

1. SwissMiniGun relv

SwissMiniGun ei ole suurem kui tavaline mutrivõti, kuid see on võimeline tulistama pisikesi kuule, mis paiskavad torust välja kiirusega üle 430 km/h. See on enam kui piisav, et tappa mees lähedalt.

2. Autokoorimine 50

Vaid 69 kg kaaluv Peel 50 on väikseim sõiduk, mis on eales maanteesõiduks heaks kiidetud. See kolmerattaline "pepelat" võis saavutada kiiruse 16 km / h.

3. Kalou kool

UNESCO tunnistas Iraani Kalou kooli maailma väikseimaks. Sellel on ainult 3 õpilast ja endine sõdur Abdul-Muhammed Sherani, kes on nüüd õpetaja.

4. Teekann kaaluga 1,4 grammi

Selle lõi keraamikameister Wu Ruishen. Kuigi see teekann kaalub vaid 1,4 grammi ja mahub sõrmeotsa, saab selles teed keeta.

5. Sarki vangla

Sarki vangla ehitati Kanalisaartele 1856. aastal. Seal oli ruumi vaid 2 vangile, kes pealegi olid väga kitsastes tingimustes.

6. Tumbleweed

Seda maja kutsuti "Perakati-väljaks" (Tumbleweed). Selle ehitas Jay Schafer San Franciscost. Kuigi maja on väiksem kui mõne inimese kapid (selle pindala on vaid 9 ruutmeetrit), sellel on töökoht, magamistuba ja vann koos duši ja tualetiga.

7. Mills Endi park

Portlandis asuv Mills End Park on maailma väikseim park. Selle läbimõõt on vaid ... 60 sentimeetrit. Samal ajal on pargis liblikate bassein, miniatuurne vaateratas ja tillukesed kujud.

8. Edward Niño Hernandez

Kolumbiast pärit Edward Niño Hernandezi kasv on vaid 68 sentimeetrit. Guinnessi rekordite raamat tunnistas ta maailma väikseimaks inimeseks.

9. Politseijaoskond telefoniputkas

Tegelikult pole see midagi enamat kui telefoniputka. Kuid tegelikult oli see Floridas Carabellas toimiv politseijaoskond.

10. Willard Wigani skulptuurid

Düsleksia ja kehva kooliedu all kannatanud Briti skulptor Willard Wigan leidis lohutust miniatuursete kunstiteoste loomisest. Tema skulptuurid on palja silmaga vaevu nähtavad.

11. Bakter Mycoplasma Genitalium

12. Sigade tsirkoviirus

Kuigi endiselt vaieldakse selle üle, mida võib pidada "elusaks" ja mida mitte, ei liigita enamik biolooge viirust elusorganismide hulka, kuna see ei saa paljuneda või tal puudub ainevahetus. Viirus võib aga olla palju väiksem kui mis tahes elusorganism, sealhulgas bakterid. Väikseim on üheahelaline DNA viirus, mida nimetatakse sea tsirkoviiruseks. Selle suurus on vaid 17 nanomeetrit.

13. Amööb

Väikseima palja silmaga nähtava objekti suurus on ligikaudu 1 millimeeter. See tähendab, et teatud tingimustel võib inimene näha amööbi, ripsloomakinga ja isegi inimese muna.

14. Kvargid, leptonid ja antiaine...

Viimase sajandi jooksul on teadlased teinud suuri edusamme, et mõista kosmose avarust ja mikroskoopilisi "ehitusplokke", millest see koosneb. Kui tuli välja selgitada, mis on universumi väikseim vaadeldav osake, sattusid inimesed teatud raskustesse. Mingil hetkel arvasid nad, et see on aatom. Siis avastasid teadlased prootoni, neutroni ja elektroni.

Kuid see ei lõppenud sellega. Tänapäeval teavad kõik, et kui surute need osakesed üksteise sisse sellistes kohtades nagu Large Hadron Collider, võivad need laguneda veelgi väiksemateks osakesteks, nagu kvarkid, leptonid ja isegi antiaine. Probleem on selles, et on võimatu kindlaks teha, milline on väikseim, kuna suurus kvanttasandil muutub ebaoluliseks, samuti ei kehti kõik tavalised füüsikareeglid (mõnel osakesel pole massi ja teistel on isegi negatiivne mass).

15. Subatomaarsete osakeste vibreerivad stringid

Arvestades eespool öeldut selle kohta, et suuruse mõiste ei oma kvanttasandil tähtsust, võime meenutada stringiteooriat. See on veidi vastuoluline teooria, mis viitab sellele, et kõik subatomaarsed osakesed koosnevad vibreerivatest stringidest, mis koosmõjus loovad selliseid asju nagu mass ja energia. Seega, kuna neil stringidel ei ole tehniliselt füüsilist suurust, võib väita, et nad on mõnes mõttes universumi "väikseimad" objektid.

Nad ilmuvad sisse erinevad vormid ja suurused, mõned tulevad hävitavate duettidena, mis lõpuks üksteist hävitavad, ja mõnel on uskumatud nimed nagu "neutralino". Siin on nimekiri väikseimatest osakestest, mis hämmastab isegi füüsikuid endid.

Jumala osake

Higgsi boson on osake, mis on teadusele nii oluline, et seda on hüüdnimega "Jumala osake". Just tema, nagu teadlased usuvad, annab massi kõigile teistele osakestele. Esimest korda räägiti sellest 1964. aastal, kui füüsikud imestasid, miks mõnel osakesel on suurem mass kui teistel. Higgsi bosonit seostatakse Higgsi väljaga, omamoodi võrega, mis täidab universumi. Välja ja bosonit peetakse vastutavaks teistele osakestele massi andmise eest. Paljud teadlased usuvad, et just Higgsi mehhanism sisaldab puuduvaid pusletükke, et saada täielikult aru standardmudelist, mis kirjeldab kõiki teadaolevaid osakesi, kuid nendevaheline seos pole veel tõestatud.

Kvargid

Kvargid on meeldivalt nimetatud prootonite ja neutronite üksused, mis pole kunagi üksi ja eksisteerivad alati ainult rühmadena. Ilmselt suureneb distantsi suurenedes jõud, mis kvarke omavahel seob, ehk mida rohkem keegi üritab üht kvarki rühmast eemale lükata, seda enam see tagasi tõmbab. Seega vabu kvarke looduses lihtsalt ei eksisteeri. Kvarke on kokku kuut tüüpi ning näiteks prootonid ja neutronid koosnevad mitmest kvargist. Prootonis on neid kolm - kaks sama tüüpi ja üks teine ​​ning neutronis - ainult kaks, mõlemad erinevat tüüpi.

Superpartnerid

Need osakesed kuuluvad supersümmeetria teooriasse, mis ütleb, et iga inimesele teada osakesi, on veel üks sarnane osake, mida pole veel avastatud. Näiteks elektroni supermuster on selektroon, kvargi superpartner on skvark ja footoni superpartner on fotoino. Miks neid superosakesi praegu universumis ei täheldata? Teadlased usuvad, et need on palju raskemad kui nende kolleegid ja suurem kaal vähendab kasutusiga. Need osakesed hakkavad lagunema kohe pärast sündi. Osakese loomine nõuab tohutu hulk energiat, näiteks Suure Paugu toodetud energiat. Võib-olla leiavad teadlased viisi superosakeste reprodutseerimiseks, näiteks suures hadronipõrgutis. Mis puudutab suurem suurus ja superpartnerite raskused, usuvad teadlased, et sümmeetria on rikutud universumi varjatud sektoris, mida ei saa näha ega leida.

Neutriino

Need on kerged subatomaarsed osakesed, mis liiguvad valguse kiirusele lähedase kiirusega. Tegelikult liiguvad teie kehas igal ajahetkel triljonid neutriinod, kuid nad ei suhtle peaaegu kunagi tavalise ainega. Mõned neutriinod pärinevad Päikeselt, teised aga kosmilistest kiirtest, mis interakteeruvad atmosfääriga.

antiaine

Kõigil tavalistel osakestel on antiaine partner, identsed osakesed, millel on vastandlikud laengud. Kui mateeria ja antiaine teineteisega kohtuvad, tühistavad nad üksteist. Prootoni jaoks on selline osake antiprooton, elektroni jaoks aga positroon.

Gravitonid

Kvantmehaanikas teostavad kõik põhijõudu osakesed. Näiteks koosneb valgus nullmassiga osakestest, mida nimetatakse footoniteks ja mis kannavad elektromagnetilist jõudu. Samamoodi on gravitonid teoreetilised osakesed, mis kannavad gravitatsioonijõudu. Teadlased üritavad endiselt gravitoneid leida, kuid seda on väga raske teha, kuna need osakesed suhtlevad ainega väga nõrgalt. Teadlased aga ei loobu proovimast, sest loodavad, et suudavad gravitonid siiski kinni püüda, et neid täpsemalt uurida – see võib olla tõeline läbimurre kvantmehaanikas, kuna paljusid selliseid osakesi on juba uuritud, kuid graviton jääb eranditult teoreetiliseks. Nagu näete, võib füüsika olla palju huvitavam ja põnevam, kui võite arvata. Kogu maailm on täis erinevaid osakesi, millest igaüks on tohutu uurimis- ja uurimisvaldkond, samuti tohutu teadmistebaas kõige kohta, mis inimest ümbritseb. Ja tuleb vaid mõelda, kui palju osakesi on juba avastatud – ja kui palju inimesi on veel avastamata.

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste doktor M. KAGANOV.

Pika traditsiooni kohaselt räägib ajakiri "Teadus ja elu" viimastest saavutustest kaasaegne teadus, viimaste avastuste kohta füüsikas, bioloogias ja meditsiinis. Kuid selleks, et mõista, kui olulised ja huvitavad need on, on vaja vähemalt üldiselt omama arusaama teaduse põhitõdedest. Kaasaegne füüsika areneb kiiresti ja vanema põlvkonna inimestele, kes õppisid koolis ja instituudis 30–40 aastat tagasi, pole paljud selle sätted tuttavad: neid lihtsalt polnud siis. Ja meie noortel lugejatel pole veel olnud aega neist teada saada: populaarteaduslik kirjandus on praktiliselt lakanud avaldamast. Seetõttu palusime ajakirja kauaaegsel kaastöölisel M. I. Kaganovil rääkida aatomitest ja elementaarosakesed ah ja seadustest, mis neid valitsevad, sellest, mis asi on. Moisei Isaakovich Kaganov - teoreetiline füüsik, mitmesaja artikli autor ja kaasautor kvantteooria tahkis olek, metallide ja magnetismi teooria. Ta oli V.I. nimelise Füüsikaliste Probleemide Instituudi juhtiv liige. P. L. Kapitsa ja Moskva Riikliku Ülikooli professor. M. V. Lomonosov, ajakirjade "Nature" ja "Quantum" toimetuskolleegiumi liige. Paljude populaarteaduslike artiklite ja raamatute autor. Praegu elab Bostonis (USA).

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kreeka filosoof Demokritos oli esimene, kes kasutas sõna "aatom". Tema õpetuse järgi on aatomid jagamatud, hävimatud ja pidevas liikumises. Nad on lõputult mitmekesised, neil on süvendid ja punnid, millega nad haakuvad, moodustades kõik materiaalsed kehad.

Tabel 1. Elektronide, prootonite ja neutronite olulisemad omadused.

deuteeriumi aatom.

Inglise füüsikut Ernst Rutherfordi peetakse õigustatult tuumafüüsika, radioaktiivsuse teooria ja aatomi ehituse teooria rajajaks.

Pildil: volframkristalli pind suurendatud 10 miljonit korda; iga hele täpp on tema individuaalne aatom.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kiirgusteooria loomisel jõudis Max Planck 1900. aastal järeldusele, et kuumutatud aine aatomid peaksid kiirgama valgust portsjonitena, kvantidena, mille toimemõõde (J.s) ja energia on võrdeline kiirgussagedusega: E. = hn.

1923. aastal kandis Louis de Broglie Einsteini idee valguse kahetisest olemusest – laine-osakeste duaalsusest – mateeriasse: osakese liikumine vastab lõpmatu laine levimisele.

Difraktsioonikatsed kinnitasid veenvalt de Broglie teooriat, mis väitis, et iga osakese liikumisega kaasneb laine, mille pikkus ja kiirus sõltuvad osakese massist ja energiast.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kogenud piljardimängija teab alati, kuidas pallid pärast tabamust veerevad, ja lööb need kergesti taskusse. Aatomiosakestega on see palju keerulisem. Lendava elektroni trajektoori on võimatu näidata: see pole mitte ainult osake, vaid ka laine, ruumis lõpmatu.

Öösel, kui taevas pole pilvi, kuud pole näha ja tuled ei sega, on taevas täis eredalt säravaid tähti. Pole vaja otsida tuttavaid tähtkujusid ega püüda leida Maale lähedasi planeete. Lihtsalt vaata! Proovige ette kujutada tohutut ruumi, mis on täidetud maailmadega ja ulatub miljardeid miljardeid valgusaastaid. Vaid kauguse tõttu tunduvad maailmad olevat punktid ja paljud neist on nii kaugel, et ei ole eraldi eristatavad ja sulanduvad udukoguks. Tundub, et oleme universumi keskpunktis. Nüüd teame, et see pole nii. Geotsentrismi tagasilükkamine on teaduse suur teene. Kulus palju pingutust, et mõista, et väike Maa liigub juhuslikus, näiliselt jaotamata piiritu (sõna otseses mõttes!) ruumi osas.

Kuid elu tekkis Maal. See arenes nii edukalt, et õnnestus luua inimene, kes on võimeline mõistma ümbritsevat maailma, otsima ja leidma loodust reguleerivaid seadusi. Inimkonna saavutused loodusseaduste tundmisel on nii muljetavaldavad, et tahes-tahtmata tunneb ta uhkust selle üle, et kuulub sellesse mõistuse näputäiesse, mis on eksinud tavalise galaktika perifeerias.

Arvestades kõike, mis meid ümbritseb, on üldiste seaduste olemasolu hämmastav. See pole vähem silmatorkav kõik on ehitatud ainult kolme tüüpi osakestest – elektronidest, prootonitest ja neutronitest.

Kompleksne matemaatilised teooriad, mida pole lihtne mõista. Aga kontuurid teaduslik pilt Maailma saab mõista ilma ranget teooriat kasutamata. See nõuab loomulikult soovi. Kuid mitte ainult: isegi esialgne tuttav peab natuke tööd tegema. Tuleb püüda mõista uusi fakte, tundmatuid nähtusi, mis esmapilgul ei ühti olemasoleva kogemusega.

Teaduse saavutused viivad sageli mõttele, et selle jaoks pole "miski püha": see, mis oli eile tõsi, heidetakse täna kõrvale. Teadmiste abil tekib arusaam, kui aupaklikult suhtub teadus igasse kogunenud kogemuste tera, millise ettevaatusega liigub edasi, eriti neil juhtudel, kui on vaja juurdunud ideid hüljata.

Selle loo eesmärk on tutvustada anorgaaniliste ainete struktuuri põhijooni. Vaatamata nende lõputule mitmekesisusele on nende struktuur suhteliselt lihtne. Eriti kui võrrelda ükskõik millise, isegi kõige lihtsama elusorganismiga. Kuid on üks ühine joon: kõik elusorganismid, nagu anorgaanilised ained koosnevad elektronidest, prootonitest ja neutronitest.

Mõõtmatust on võimatu omaks võtta: selleks, et vähemalt üldjoontes elusorganismide ehitust kurssi viia, on vaja erilist lugu.

Asjade, esemete mitmekesisus – kõik, mida me kasutame, mis meid ümbritseb, on piiritu. Mitte ainult nende otstarbes ja struktuuris, vaid ka nende loomiseks kasutatud materjalides - ainetes, nagu öeldakse, kui nende funktsiooni pole vaja rõhutada.

Ained, materjalid näevad välja tahked ja puudutus kinnitab seda, mida silmad näevad. Näib, et erandeid pole. Voolav vesi ja tahke metall, mis on üksteisest nii erinevad, on ühes asjas sarnased: nii metall kui vesi on tahked. Tõsi, soola või suhkrut saab vees lahustada. Nad leiavad oma koha vees. Jah ja sisse tahke, näiteks saab puuplaadi sisse lüüa naela. Märkimisväärse pingutusega on võimalik saavutada, et koha, mille hõivas puu, hõivab raudnael.

Teame väga hästi, et tahke keha küljest saab lahti murda väikese tüki, purustada saab praktiliselt iga materjali. Mõnikord on see raske, mõnikord juhtub see spontaanselt, ilma meie osaluseta. Kujutage end ette rannas, liival. Me mõistame, et liivatera pole kaugeltki liiva moodustava aine väikseim osake. Kui proovite, saate liivaterasid vähendada näiteks rullide kaudu - läbi kahe väga kõva metalli silindri. Rullide vahele sattudes purustatakse liivatera väiksemateks tükkideks. Tegelikult tehakse nii jahu veskites teraviljast.

Nüüd, mil aatom on kindlalt meie maailmavaatesse sisenenud, on väga raske ette kujutada, et inimesed ei teadnud, kas purustamisprotsess on piiratud või kas ainet on võimalik lõpmatuseni purustada.

Pole teada, millal inimesed esimest korda endale selle küsimuse esitasid. See registreeriti esmakordselt Vana-Kreeka filosoofide kirjutistes. Mõned neist uskusid, et ükskõik kui fraktsionaalne aine on, võimaldab see jagada veelgi väiksemateks osadeks – piiri pole. Teised on väitnud, et on olemas pisikesed jagamatud osakesed, millest kõik koosneb. Rõhutamaks, et need osakesed on purustamise piiriks, nimetasid nad neid aatomiteks (vanakreeka keeles tähendab sõna "aatom" jagamatut).

On vaja nimetada need, kes esitasid esimesena idee aatomite olemasolust. Need on Demokritos (sündinud umbes 460 või 470 eKr, suri küpses eas) ja Epikuros (341–270 eKr). Seega on aatomiteadus peaaegu 2500 aastat vana. Aatomite ideed ei võtnud kõik kohe omaks. Isegi 150 aastat tagasi oli vähe inimesi, kes olid aatomite olemasolus kindlad, isegi teadlaste seas.

Seda seetõttu, et aatomid on väga väikesed. Neid ei saa näha mitte ainult palja silmaga, vaid ka näiteks 1000 korda suurendava mikroskoobiga. Mõelgem: kui suured on kõige väiksemad osakesed, mida on võimalik näha? Erinevatel inimestel on erinev nägemine, kuid ilmselt nõustuvad kõik sellega, et alla 0,1 millimeetri suurust osakest on võimatu näha. Seega, kui kasutate mikroskoopi, näete, kuigi vaevaliselt, osakesi, mille suurus on umbes 0,0001 millimeetrit ehk 10–7 meetrit. Võrreldes aatomite suurusi ja aatomitevahelisi kaugusi (10–10 meetrit) pikkusega, mis on meie poolt aktsepteeritud nägemisvõime piiriks, saame aru, miks mis tahes aine meile tahkena tundub.

2500 aastat on pikk aeg. Ükskõik, mis maailmas ka ei juhtuks, on alati olnud inimesi, kes on püüdnud vastata küsimusele, kuidas maailm nende ümber toimib. Mõnikord muretsesid maailmakorralduse probleemid rohkem, mõnikord vähem. Teadus selle tänapäevases tähenduses sündis suhteliselt hiljuti. Teadlased on õppinud eksperimenteerima – esitama loodusele küsimusi ja mõistma selle vastuseid, looma teooriaid, mis kirjeldavad katsete tulemusi. Teooriad nõudsid kehtivate järelduste tegemiseks rangeid matemaatilisi meetodeid. Teadus on möödas pikk tee. Sellel teel, mis sai füüsika jaoks alguse umbes 400 aastat tagasi Galileo Galilei (1564-1642) töödega, saadi lõpmatult palju teavet aine ehituse ja kehade omaduste kohta. erinev olemus avastanud ja mõistnud lõpmatult palju erinevaid nähtusi.

Inimkond on õppinud loodust mitte ainult passiivselt mõistma, vaid ka seda oma eesmärkidel kasutama.

Me ei võta arvesse aatomikontseptsioonide arengu ajalugu 2500 aasta jooksul ja füüsika ajalugu viimase 400 aasta jooksul. Meie ülesanne on rääkida võimalikult lühidalt ja selgelt sellest, millest ja kuidas kõik on ehitatud - meid ümbritsevad objektid, kehad ja meie ise.

Nagu juba mainitud, koosneb kogu aine elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Ma tean sellest alates kooliaastaid, kuid mind ei lakka hämmastama, et kõik on ehitatud ainult kolme tüüpi osakestest! Aga maailm on nii mitmekesine! Lisaks on üsna ühetaolised ka vahendid, mida loodus ehituse teostamiseks kasutab.

Erinevat tüüpi ainete järjekindel kirjeldus on keeruline teadus. Ta kasutab tõsist matemaatikat. Tuleb rõhutada, et muud lihtsat teooriat pole olemas. Aga füüsikalised põhimõtted, mis on ainete struktuuri ja omaduste mõistmise aluseks, kuigi need ei ole triviaalsed ja neid on raske ette kujutada, on siiski võimalik mõista. Püüame oma looga aidata kõiki, keda huvitab selle maailma struktuur, milles me elame.

Näib, et kõige loomulikum viis keeruka seadme (mänguasja või mehhanismi) toimimise mõistmiseks on lahti võtta, osadeks lagundada. Peate lihtsalt olema väga ettevaatlik, pidades meeles, et seda on palju keerulisem voltida. "Lõhkuda - mitte ehitada" - ütleb rahvatarkus. Ja veel üks asi: võib-olla saame aru, millest seade koosneb, kuid see, kuidas see töötab, on ebatõenäoline. Mõnikord on vaja üks kruvi lahti keerata ja ongi kõik – seade on lakanud töötamast. On vaja mitte niivõrd lahti võtta, vaid mõista.

Kuna me ei räägi kõigi meid ümbritsevate objektide, asjade, organismide tegelikust lagunemisest, vaid kujuteldavast, see tähendab vaimsest, mitte reaalsest kogemusest, siis ei pea te muretsema: te ei tee seda. peab koguma. Samuti ärgem koonerdagem pingutustega. Me ei mõtle sellele, kas seadet on keeruline või lihtne selle komponentideks lahutada. Oota sekund. Ja kuidas me teame, et oleme jõudnud piirini? Võib-olla jõuame suurema vaevaga kaugemale? Tunnistame endale: me ei tea, kas oleme piirini jõudnud. Peame kasutama üldtunnustatud arvamust, mõistes, et see pole kuigi usaldusväärne argument. Kuid kui mäletate, et see on ainult üldtunnustatud arvamus, mitte lõplik tõde, siis on oht väike.

Nüüd on üldiselt aktsepteeritud, et elementaarosakesed on detailid, millest kõik on ehitatud. Ja kuigi mitte kõik. Vaadates vastavat teatmeteost, veendume: elementaarosakesi on rohkem kui kolmsada. Elementaarosakeste rohkus pani mõtlema alamelementaarosakeste olemasolu võimalikkusele – osakestele, millest elementaarosakesed ise koosnevad. Nii sündis kvarkide idee. Neil on see hämmastav vara, mida vabas riigis ilmselt ei eksisteeri. Kvarke on üsna palju - kuus ja igal neist on oma antiosakesed. Võib-olla pole teekond mateeria sügavustesse lõppenud.

Meie loo jaoks pole elementaarosakeste rohkus ja alamelementaarosakeste olemasolu hädavajalik. Elektronid, prootonid ja neutronid on otseselt seotud ainete ehitusega – kõik ehitatakse ainult neist.

Enne kui arutleme pärisosakeste omaduste üle, mõelgem, kuidas me tahaksime näha detaile, millest kõik on ehitatud. Kui rääkida sellest, mida me näha tahaksime, siis peame loomulikult arvestama vaadete mitmekesisusega. Toome välja mõned funktsioonid, mis tunduvad kohustuslikud.

Esiteks peab elementaarosakestel olema võime ühineda erinevateks struktuurideks.

Teiseks tahaksin arvata, et elementaarosakesed on hävimatud. Teades, kui pikk ajalugu on maailmal, on raske ette kujutada, et osakesed, millest see koosneb, on surelikud.

Kolmandaks tahaksin, et detaile ise ei oleks liiga palju. Ehitusplokke vaadates näeme, kuidas samadest elementidest saab luua erinevaid hooneid.

Elektronide, prootonite ja neutronitega tutvudes näeme, et nende omadused ei lähe vastuollu meie soovidega ning lihtsuse soov vastab kahtlemata sellele, et kõigi ainete ehituses osalevad vaid kolme tüüpi elementaarosakesed.

Toome välja elektronide, prootonite ja neutronite olulisemad omadused. Need on kogutud tabelisse 1.

Laengu suurus on antud kulonides, mass kilogrammides (SI ühikutes); sõnu "spin" ja "statistika" selgitatakse allpool.

Pöörakem tähelepanu osakeste masside erinevusele: prootonid ja neutronid on peaaegu 2000 korda raskemad kui elektronid. Järelikult on iga keha mass peaaegu täielikult määratud prootonite ja neutronite massiga.

Neutron, nagu nimigi ütleb, on neutraalne – selle laeng on null. Prootonil ja elektronil on sama suurusjärk, kuid märgilaengud on vastupidised. Elektron on negatiivselt laetud ja prooton positiivselt laetud.

Osakeste omaduste hulgas näib, et neid pole oluline omadus- nende suurus. Materiaalseteks punktideks võib pidada aatomite ja molekulide struktuuri kirjeldamist, elektrone, prootoneid ja neutroneid. Prootoni ja neutroni suurust tuleb meeles pidada ainult aatomituumade kirjeldamisel. Isegi aatomite suurusega võrreldes on prootonid ja neutronid koletu väikesed (suurusjärgus 10-16 meetrit).

Põhimõtteliselt taandub see lühike osa elektronide, prootonite ja neutronite kui kõigi looduses leiduvate kehade ehitusplokkide esitlemisele. Võiksime piirduda lihtsalt tabeliga 1, kuid me peame mõistma, kuidas elektronidest, prootonitest ja neutronitest toimub ehitamine, mille tõttu osakesed ühinevad keerukamateks struktuurideks ja millised need struktuurid on.

Aatomeid on palju. Vajalikuks ja võimalikuks osutus nende eriline korraldamine. Järjestamine võimaldab rõhutada aatomite erinevust ja sarnasust. Aatomite mõistlik paigutus on D. I. Mendelejevi (1834-1907) teene, kes sõnastas tema nime kandva perioodilise seaduse. Kui perioodide olemasolu ajutiselt ignoreerida, siis on elementide paigutuse põhimõte ülimalt lihtne: need on järjestatud järjestikku vastavalt aatomite massile. Kõige kergem on vesinikuaatom. Viimane looduslik (mitte kunstlikult loodud) aatom on uraani aatom, mis on temast üle 200 korra raskem.

Aatomite struktuuri mõistmine selgitas perioodilisuse olemasolu elementide omadustes.

Päris 20. sajandi alguses näitas E. Rutherford (1871-1937) veenvalt, et peaaegu kogu aatomi mass on koondunud selle tuumasse – väikesesse (isegi aatomiga võrreldes) ruumipiirkonda: aatomi raadius. tuum on ligikaudu 100 tuhat korda suurem väiksem suurus aatom. Kui Rutherford katseid tegi, ei olnud neutronit veel avastatud. Neutroni avastamisega saadi aru, et tuumad koosnevad prootonitest ja neutronitest ning loomulik on mõelda aatomist kui elektronidest ümbritsetud tuumaks, mille arv võrdub prootonite arvuga tuumas – pärast kõik, aatom tervikuna on neutraalne. Prootonid ja neutronid nagu ehitusmaterjal tuumad on ühiselt tuntud kui nukleonid (ladina keelest tuum- tuum). See on nimi, mida me kasutame.

Nukleonide arvu tuumas tähistatakse tavaliselt tähega AGA. Selge see A = N + Z, kus N on neutronite arv tuumas ja Z- prootonite arv, mis võrdub elektronide arvuga aatomis. Number AGA nimetatakse aatommassiks ja Z- aatomnumber. Sama aatomnumbriga aatomeid nimetatakse isotoopideks: perioodilisustabelis on nad samas rakus (kreeka keeles isos - võrdne , topos - koht). Fakt on see, et Keemilised omadused isotoobid on peaaegu identsed. Kui perioodilisustabelit hoolikalt kaaluda, näete, et rangelt võttes ei vasta elementide paigutus aatommass, vaid aatomnumber. Kui elemente on umbes 100, siis isotoope on üle 2000. Tõsi, paljud neist on ebastabiilsed ehk radioaktiivsed (ladina keelest raadio- kiirgama activus- aktiivne), nad lagunevad, eraldades erinevat kiirgust.

Rutherfordi katsed ei viinud mitte ainult aatomituumade avastamiseni, vaid näitasid ka, et aatomis toimivad samad elektrostaatilised jõud, mis tõrjuvad üksteisest sarnase laenguga kehasid ja meelitavad üksteise külge vastupidiselt laetud kehasid (näiteks elektroskoobi kuulid).

Aatom on stabiilne. Seetõttu liiguvad elektronid aatomis ümber tuuma: tsentrifugaaljõud kompenseerib tõmbejõudu. Selle mõistmine viis aatomi planeedimudeli loomiseni, milles tuum on Päike ja elektronid on planeedid (klassikalise füüsika seisukohast on planeedi mudel ebajärjekindel, kuid sellest allpool) .

Aatomi suuruse hindamiseks on mitmeid viise. Erinevad hinnangud viivad sarnaste tulemusteni: aatomite suurused on loomulikult erinevad, kuid ligikaudu võrdne mitme kümnendikuga nanomeetrist (1 nm = 10–9 m).

Mõelge kõigepealt aatomi elektronide süsteemile.

Päikesesüsteemis tõmbab planeete Päikese poole gravitatsioon. Aatomis toimib elektrostaatiline jõud. Seda nimetatakse sageli Coulombiks Charles Augustin Coulombi (1736–1806) järgi, kes tegi kindlaks, et kahe laengu vastasmõju jõud on pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Asjaolu, et kaks tasu K 1 ja K 2 tõmmatakse või tõrjutakse jõuga, mis on võrdne F C = Q 1 K 2 /r 2 , kus r- laengute vahelist kaugust nimetatakse "Coulombi seaduseks". Indeks" FROM" määratud sundima F Coulombi perekonnanime esitähega (prantsuse keeles Coulomb). Kõige erinevamate väidete hulgas on vähe neid, mida sama õigustatult nimetatakse seaduseks kui Coulombi seadust: selle kohaldamisala on ju praktiliselt piiramatu. Laetud kehad, olenemata nende suurusest, aga ka aatomi- ja isegi subatomaarsed laetud osakesed – need kõik tõmbavad või tõrjuvad vastavalt Coulombi seadusele.

Gravitatsioon on inimesele tuttav varases lapsepõlves. Kukkudes õpib ta austama Maa poole suunatud gravitatsioonijõudu. Kiirendatud liikumisega tutvumine algab tavaliselt õppetööst vabalangus kehad - keha liikumine gravitatsiooni mõjul.

Kahe massiga keha vahel M 1 ja M 2 mõjub jõud F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Siin r- kehadevaheline kaugus, G- gravitatsioonikonstant on võrdne 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indeks "N" on antud Newtoni (1643 - 1727) auks. Seda väljendit nimetatakse universaalse gravitatsiooni seaduseks, mis rõhutab selle universaalset iseloomu. Tugevus F N määrab galaktikate, taevakehade liikumise ja objektide langemise Maale. Universaalse gravitatsiooni seadus kehtib mis tahes kehadevahelise kauguse korral. Jätame mainimata muutused gravitatsioonipildis, mida Einsteini üldrelatiivsusteooria (1879–1955) tegi.

Nii Coulombi elektrostaatiline jõud kui ka Newtoni universaalse gravitatsioonijõud on samad (nagu 1/ r 2) väheneb kehadevahelise kauguse suurenedes. See võimaldab võrrelda mõlema jõu toimet ükskõik millisel kehadevahelisel kaugusel. Kui võrrelda kahe prootoni Coulombi tõukejõudu suurusjärgus nende gravitatsioonilise külgetõmbejõuga, siis selgub, et F N / F C= 10 -36 (K 1 =K 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Seetõttu ei mängi gravitatsioon aatomi struktuuris olulist rolli: see on elektrostaatilise jõuga võrreldes liiga väike.

Elektrilaengute tuvastamine ja nendevahelise vastasmõju mõõtmine pole keeruline. Kui elektrijõud on nii suur, siis miks pole see oluline, kui nad näiteks kukuvad, hüppavad, viskavad palli? Sest enamasti on meil tegemist neutraalsete (laetud) kehadega. Ruumis on alati palju laetud osakesi (elektrone, ioone erinev märk). Laetud keha tekitatud tohutu (aatomi skaalal) atraktiivse elektrijõu mõjul tormavad laetud osakesed selle allika juurde, kleepuvad keha külge ja neutraliseerivad selle laengu.

Väga raske on rääkida aatomitest ja isegi väiksematest, subatomilistest osakestest, peamiselt seetõttu, et nende omadustel pole meie igapäevaelus analooge. Võib arvata, et nii väikeseid aatomeid moodustavad osakesed on vormis mugavalt kujutatavad materiaalsed punktid. Kuid kõik osutus palju keerulisemaks.

Osake ja laine... Näib, et isegi võrdlemine on mõttetu, nad on nii erinevad.

Tõenäoliselt kujutate lainele mõeldes ennekõike ette merepinna lainet. Lained kaldale tulevad avameri, lainepikkused – kahe järjestikuse harja vahelised kaugused – võivad olla erinevad. Lihtne on jälgida laineid, mille pikkus on mitu meetrit. Segamise ajal vee mass ilmselgelt kõigub. Laine katab märkimisväärse ruumi.

Laine on ajas ja ruumis perioodiline. Lainepikkus ( λ ) on ruumilise perioodilisuse mõõt. Lainete liikumise perioodilisus ajas on nähtav laineharjade kaldale jõudmise sageduses ja seda saab tuvastada näiteks ujuki üles-alla võnkumise järgi. Tähistagem laine liikumise perioodi - aega, mille jooksul üks laine läbib - tähega T. Perioodi pöördväärtust nimetatakse sageduseks ν = 1/T. Kõige lihtsamatel lainetel (harmoonilistel) on teatud sagedus, mis ajas ei muutu. Mis tahes keerulist laineliikumist saab kujutada lihtsate lainete kogumina (vt "Teadus ja elu" nr 11, 2001). Rangelt võttes hõivab lihtne laine lõpmatu ruumi ja eksisteerib lõputult. Osake, nagu me seda ette kujutame, ja laine on täiesti erinevad.

Alates Newtoni ajast on vaieldud valguse olemuse üle. Mis on valgus - osakeste kogum (korpusklid, ladina keelest korpuskulum- keha) või lained? Teooriad on pikka aega võistelnud. Laineteooria võitis: korpuskulaarteooria ei suutnud seletada eksperimentaalseid fakte (valguse interferents ja difraktsioon). Laineteooria tuli kergesti toime valguskiire sirgjoonelise levimisega. Olulist rolli mängis asjaolu, et valguslainete lainepikkus on igapäevaste mõistete kohaselt väga väike: lainepikkuste vahemik. nähtav valgus 380 kuni 760 nanomeetrit. Lühem elektromagnetlained- ultraviolett-, röntgen- ja gammakiired ning pikemad - infrapuna-, millimeetri-, sentimeetri- ja kõik muud raadiolained.

To XIX lõpus sajandil tundus valguse laineteooria võit korpuskulaarse üle lõplik ja pöördumatu. 20. sajand tegi aga tõsiseid korrektiive. See tundus olevat valgus või lained või osakesed. Selgus – nii lained kui ka osakesed. Valguse osakeste ja selle kvantide jaoks, nagu öeldakse, leiutati spetsiaalne sõna - "footon". Sõna "kvant" pärineb ladinakeelsest sõnast kvant- kui palju ja "footon" - kreeka sõnast fotod- valgus. Osakeste nime tähistavatel sõnadel on enamikul juhtudel lõpp ta. Üllataval kombel käitub valgus mõnes katses nagu lained, teistes aga nagu osakeste voog. Järk-järgult õnnestus ehitada teooria, mis ennustab, kuidas, millises katses valgus käitub. Praegu aktsepteerivad seda teooriat kõik, valguse erinev käitumine enam ei üllata.

Esimesed sammud on alati eriti rasked. Pidin minema vastuollu teaduses väljakujunenud arvamusega, väljendama väiteid, mis tundusid ketserlusena. Tõelised teadlased usuvad siiralt teooriasse, mida nad vaadeldavate nähtuste kirjeldamiseks kasutavad. Aktsepteeritud teooriast loobumine on väga raske. Esimesed sammud tegid Max Planck (1858-1947) ja Albert Einstein (1879-1955).

Planck-Einsteini sõnul kiirgab ja neeldub aine valgust eraldi osadena, kvantidena. Footoni poolt kantav energia on võrdeline selle sagedusega: E = h v. Proportsionaalsustegur h Plancki konstant sai nime saksa füüsiku järgi, kes tutvustas seda 1900. aastal kiirgusteooriasse. Ja juba 20. sajandi esimesel kolmandikul sai selgeks, et Plancki konstant on üks tähtsamaid maailmakonstante. Loomulikult mõõdeti seda hoolikalt: h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Kas valguskvant on palju või vähe? Nähtava valguse sagedus on umbes 10 14 s -1. Tuletame meelde, et valguse sagedus ja lainepikkus on seotud suhtega ν = c/λ, kus Koos= 299792458.10 10 m/s (täpselt) - valguse kiirus vaakumis. kvantenergia hν, nagu on hästi näha, on umbes 10 -18 J. Tänu sellele energiale saab 10 -13 grammi massi tõsta 1 sentimeetri kõrgusele. Inimlikus mastaabis koletult väike. Kuid see on 10 14 elektroni mass. Mikrokosmoses on mastaap hoopis teine! Loomulikult ei tunne inimene 10–13-grammist massi, kuid inimese silm on nii tundlik, et suudab näha üksikuid valguskvante – seda kinnitas rida peeneid katseid. AT normaalsetes tingimustes inimene ei erista valguse "tera", tajudes seda pideva vooluna.

Teades, et valgusel on nii korpuskulaarne kui laineline olemus, on lihtsam ette kujutada, et "päris" osakestel on ka lainelised omadused. Esimest korda väljendas sellist ketserlikku mõtet Louis de Broglie (1892-1987). Ta ei püüdnud välja selgitada, milline on selle laine olemus, mille omadusi ta ennustas. Tema teooria järgi massiosake m, lendab kiirusega v, vastab lainele lainepikkusega l = hmv ja sagedus ν = E/h, kus E = mv 2 /2 - osakeste energia.

Aatomifüüsika edasine areng viis aatomi- ja subatomiliste osakeste liikumist kirjeldavate lainete olemuse mõistmiseni. Tekkis teadus, mida nimetati "kvantmehaanikaks" (esimestel aastatel nimetati seda sageli lainemehaanikaks).

Kvantmehaanika on rakendatav mikroskoopiliste osakeste liikumisel. Arvestades tavakehade liikumist (näiteks mehhanismide mistahes üksikasju), pole mõtet arvestada kvantkorrektsioone (aine lainelistest omadustest tulenevaid parandusi).

Osakeste lainelise liikumise üks ilminguid on nende trajektoori puudumine. Trajektoori olemasoluks on vajalik, et igal ajahetkel oleks osakesel kindel koordinaat ja kindel kiirus. Kuid just see on kvantmehaanika poolt keelatud: osakesel ei saa olla samal ajal teatud koordinaadi väärtust. X ja teatud kiiruse väärtus v. Nende ebakindlus Dx ja dv on seotud Werner Heisenbergi (1901-1974) avastatud määramatuse seosega: D X D v ~ h/m, kus m on osakese mass ja h- Plancki konstant. Plancki konstanti nimetatakse sageli universaalseks "tegevuse" kvantiks. Ilma terminit täpsustamata tegevus, pöörake tähelepanu epiteedile universaalne. Ta rõhutab, et määramatuse seos on alati tõsi. Teades liikumistingimusi ja osakese massi, on võimalik hinnata, millal on vaja arvestada liikumise kvantseadusi (ehk millal ei saa osakeste lainelised omadused ja nende tagajärg, määramatuse seosed jätta tähelepanuta) ja kui on täiesti võimalik kasutada klassikalisi liikumisseadusi. Rõhutame, et kui see on võimalik, siis on see vajalik, kuna klassikaline mehaanika on palju lihtsam kui kvantmehaanika.

Pange tähele, et Plancki konstant jagatakse massiga (need sisalduvad kombinatsioonides h/m). Mida suurem on mass, seda väiksem on kvantseaduste roll.

Et tunnetada, millal on kindlasti võimalik kvantomadusi tähelepanuta jätta, proovime hinnata määramatuste D suurusi X ja D v. Kui D X ja D v on nende keskmiste (klassikaliste) väärtustega võrreldes tühised, klassikalise mehaanika valemid kirjeldavad liikumist suurepäraselt, kui mitte väike, siis on vaja kasutada kvantmehaanikat. Pole mõtet arvestada kvantmääramatust isegi siis, kui muud põhjused (klassikalise mehaanika raames) toovad kaasa suurema määramatuse kui Heisenbergi seos.

Vaatleme ühte näidet. Pidades meeles, et tahame näidata klassikalise mehaanika kasutamise võimalust, kaaluge "osakest", mille mass on 1 gramm ja suurus 0,1 millimeetrit. Inimese mastaabis on see tera, kerge, väike osake. Kuid see on 10 24 korda raskem kui prooton ja miljon korda suurem kui aatom!

Laske "meie" viljal liikuda vesinikuga täidetud anumas. Kui vili lendab piisavalt kiiresti, tundub meile, et see liigub kindla kiirusega sirgjooneliselt. See mulje on ekslik: vesiniku molekulide mõju tõttu terale muutub selle kiirus iga löögiga veidi. Hinnakem, kui palju.

Olgu vesiniku temperatuur 300 K (temperatuuri mõõdame alati absoluutskaalal, Kelvini skaalal; 300 K = 27 o C). Temperatuuri kelvinites korrutamine Boltzmanni konstandiga k B , = 1 381,10 -16 J/K, väljendame seda energiaühikutes. Tera kiiruse muutust saab arvutada impulsi jäävuse seaduse abil. Iga tera kokkupõrke korral vesiniku molekuliga muutub selle kiirus ligikaudu 10–18 cm / s. Muutus on täiesti juhuslik ja suvalises suunas. Seetõttu on loomulik, et väärtust 10–18 cm/s mõõdetakse tera kiiruse klassikalise määramatusega (D v) cl sel juhul. Niisiis (D v) cl \u003d 10 -18 cm / s. Ilmselt on väga raske määrata tera asukohta täpsusega, mis on suurem kui 0,1 selle suurusest. Võtame vastu (D X) cl \u003d 10 -3 cm. Lõpuks (D X) cl (D v) cl \u003d 10 -3,10 -18 \u003d 10 -21. Tundub, et see summa on väga väike. Igal juhul on kiiruse ja asukoha määramatused nii väikesed, et võib arvestada tera keskmist liikumist. Kuid võrreldes Heisenbergi seose dikteeritud kvantmääramatusega (D X D v= 10 -27), klassikaline ebahomogeensus on tohutu – antud juhul ületab see seda miljon korda.

Järeldus: tera liikumist silmas pidades ei ole vaja arvestada selle laineomadusi, st koordinaatide ja kiiruse kvantmääramatuse olemasolu. Kui rääkida aatomi- ja subatomiliste osakeste liikumisest, siis olukord muutub dramaatiliselt.

Mis on väikseim teadaolev osake? Tänapäeval peetakse neid universumi väikseimateks osakesteks. Universumi väikseim osake on Plancki osake must auk(Planck Black Hole), mis seni eksisteerib vaid teoreetiliselt. Plancki must auk – kõigist mustadest aukudest väikseim (massispektri diskreetsuse tõttu) – on omamoodi piiriobjekt. Kuid universumist avastati ka selle väikseim osake, mida nüüd hoolikalt uuritakse.

Venemaa kõrgeim punkt asub Kaukaasias. Siis muutusid kõige väiksemateks osakesteks mesonid, seejärel bosonid. See osake kuulub mustade aukude kategooriasse, kuna selle gravitatsiooniraadius on suurem kui kumbki pikkusega võrdne lained. Kõigist olemasolevatest mustadest aukudest on Plancki auk väikseim.

Ja need tekivad, nagu tavaliselt arvatakse, tuumareaktsioonide tulemusena. Hoolimata selle väikseima osakese sellisest hüpoteetilisest olemasolust universumis, on selle praktiline avastamine tulevikus täiesti võimalik. Selle tuvastamiseks loodi installatsioon, millest ainult Maa kõige laisem elanik polnud kuulnud – suur hadronite põrgataja. Higgsi boson sisse Sel hetkel väikseim osake neist, mille olemasolu on praktiliselt tõestatud.

Ja kui osakestel poleks massi, ei saaks universum eksisteerida. Selles ei saanud tekkida ainsatki ainet. Vaatamata selle osakese, Higgsi bosoni praktilisele tõestatud olemasolule, pole selle praktilisi rakendusi veel leiutatud. Meie maailm on tohutu ja selles toimub iga päev midagi huvitavat, midagi ebatavalist ja põnevat. Jääge meiega ja õppige iga päev kõige huvitavamate faktide kohta kogu maailmast, ebatavalistest inimestest või asjadest, looduse või inimese loomingust.

Elementaarosake on osake, millel puudub sisemine struktuur, see tähendab, et see ei sisalda teisi osakesi [u. üks]. Elementaarosakesed on kvantväljateooria põhiobjektid. Neid saab klassifitseerida spinni järgi: fermionidel on pooltäisarvuline spin, bosonitel aga täisarvuline spin. Elementaarosakeste füüsika standardmudel on teooria, mis kirjeldab elementaarosakeste omadusi ja vastastikmõjusid.

Neid klassifitseeritakse vastavalt nende osalemisele tugevas interaktsioonis. Hadroneid määratletakse kui tugevalt interakteeruvaid liitosakesi. Vaata ka parton (osake). Nende hulka kuuluvad pion, kaon, J/ψ meson ja paljud muud tüüpi mesonid. tuumareaktsioonid ja radioaktiivne lagunemine võib muuta ühe nukliidi teiseks.

Aatom koosneb väikesest raskest positiivselt laetud tuumast, mida ümbritseb suhteliselt suur kerge elektronide pilv. On ka lühiealisi eksootilisi aatomeid, milles tuuma (positiivselt laetud osakese) rolli täidab positroon (positronium) või positiivne müüon (muoonium).

Kahjuks pole neid veel kuidagi õnnestunud registreerida ja need on olemas vaid teoreetiliselt. Ja kuigi täna on välja pakutud katseid mustade aukude tuvastamiseks, on nende rakendamise võimalus oluline probleem. Vastupidi, väikesed asjad võivad jääda märkamatuks, kuigi see ei muuda neid vähem tähtsaks. Haragua sfäär (Sphaerodactylus ariasae) on maailma väikseim roomaja. Selle pikkus on vaid 16-18 mm ja kaal 0,2 grammi.

Kõige väiksemad asjad maailmas

Väikseim üheahelaline DNA viirus on sigade tsirkoviirus. Per eelmisel sajandil teadus on astunud tohutu sammu universumi avaruse ja selle mikroskoopiliste ehitusmaterjalide mõistmise suunas.

Kunagi peeti aatomit väikseimaks osakeseks. Siis avastasid teadlased prootoni, neutroni ja elektroni. Nüüd teame, et osakesi kokku surudes (nagu näiteks Large Hadron Collideris) saab neid lagundada veelgi rohkemateks osakesteks, näiteks kvarkideks, leptoniteks ja isegi antiaineks. Probleem on ainult selles, et teha kindlaks, mis on vähem. Nii et mõnel osakesel puudub mass, mõnel on negatiivne mass. Selle küsimuse lahendus on sama, mis nulliga jagamine, st võimatu.

Kas sa arvad, et selles on midagi?, nimelt: Väikseim osake on Higgsi bason.

Ja kuigi sellistel stringidel pole füüsilisi parameetreid, viib inimese kalduvus kõike õigustada, et järeldada, et tegemist on universumi väikseimate objektidega. Astronoomia ja teleskoobid → Astronoomi ja astrofüüsiku küsimus ja vastus → Kas teie arvates on selles midagi?, nimelt…

Kõige väiksem viirus

Fakt on see, et selliste osakeste sünteesiks on vaja saavutada kiirendis 1026 elektronvoldine energia, mis on tehniliselt võimatu. Selliste osakeste mass on umbes 0,00001 grammi ja raadius on 1/1034 meetrit. Sellise musta augu lainepikkus on võrreldav selle gravitatsiooniraadiuse suurusega.

Kus on Maa universumis? Mis oli universumis enne suurt pauku? Mis juhtus enne universumi teket? Kui vana on universum? Nagu selgus, polnud see 13-aastase poisi kollektsioonis ainus laskemoon. Selliste osakeste struktuur on kriitiliselt minimaalne - neil pole peaaegu mingit massi ega aatomilaengut, kuna tuum on liiga väike. On numbreid, mis on nii uskumatult, uskumatult suured, et nende üleskirjutamiseks kuluks kogu universumil.

Kõige väiksemad palja silmaga nähtavad objektid

Google, sündinud 1920. aastal, et hoida lastes huvi suured numbrid. Miltoni sõnul on see arv, mille alguses on 1 ja seejärel nii palju nulle, kui jõuate enne väsimist kirjutada. Kui me räägime suurimast olulisest numbrist, siis on mõistlik argument, et see tähendab tõesti seda, et peate leidma suurima arvu väärtusega, mis maailmas tegelikult eksisteerib.

Seega on Päikese mass tonnides väiksem kui naelades. Suurim arv mis tahes reaalse maailma rakendusega – või antud juhul pärismaailma rakendusega – on ilmselt üks viimaseid hinnanguid universumite arvu kohta multiversumis. See arv on nii suur, et inimaju ei suuda sõna otseses mõttes kõiki neid erinevaid universumeid tajuda, kuna aju on võimeline tegema vaid ligikaudseid konfiguratsioone.

Siin on kogumik maailma väikseimatest asjadest, alates pisikestest mänguasjadest, miniatuursetest loomadest ja inimestest kuni hüpoteetilise subatomaarse osakeseni. Aatomid on väikseimad osakesed, milleks ainet saab keemiliste reaktsioonide teel jagada. Maailma väikseima teekannu lõi tunnustatud keraamik Wu Ruishen ja see kaalub vaid 1,4 grammi. 2004. aastal sai Rumaisa Rahmanist väikseim vastsündinud laps.

Vastus käimasolevale küsimusele: milline on universumi väikseim osake, on koos inimkonnaga arenenud.

Kunagi arvasid inimesed, et liivaterad on ehituskivid sellele, mida me enda ümber näeme. Seejärel aatom avastati ja seda peeti jagamatuks, kuni see lõhestati, et paljastada selles olevad prootonid, neutronid ja elektronid. Need ei osutunud ka universumi väikseimateks osakesteks, sest teadlased avastasid, et prootonid ja neutronid koosnevad kumbki kolmest kvargist.

Siiani pole teadlastel õnnestunud näha ühtegi tõendit selle kohta, et kvarkide sees on midagi ja et universumi kõige fundamentaalsema ainekihi või väikseima osakeseni on jõutud.

Ja isegi kui kvargid ja elektronid on jagamatud, ei tea teadlased, kas need on kõige väiksemad mateeriatükid või sisaldab universum veelgi väiksemaid objekte.

Universumi väikseimad osakesed

Neid on erineva maitse ja suurusega, mõnel on hämmastav side, teised sisuliselt aurustavad üksteist, paljudel neist on fantastilised nimed: barüonid ja mesonid, kvargid, neutronid ja prootonid, nukleonid, hüperonid, mesonid, barüonid, nukleonid, footonid jne. .d.

Higgsi boson on teadusele nii oluline osake, et seda nimetatakse "Jumala osakeseks". Arvatakse, et see määrab kõigi teiste massi. Elemendi teooria esitati esmakordselt 1964. aastal, kui teadlased mõtlesid, miks mõned osakesed on massiivsemad kui teised.

Higgsi bosonit seostatakse niinimetatud Higgsi väljaga, mis arvatavasti täidab universumi. Kaks elementi (Higgsi väljakvant ja Higgsi boson) vastutavad teistele massi andmise eest. Nimetatud Šoti teadlase Peter Higgsi järgi. 14. märtsil 2013 teatati ametlikult Higgsi bosoni olemasolu kinnitamisest.

Paljud teadlased väidavad, et Higgsi mehhanism on lahendanud puuduoleva pusletüki, et täiendada olemasolevat füüsika "standardmudelit", mis kirjeldab teadaolevaid osakesi.

Higgsi boson määras põhimõtteliselt kõige universumis eksisteeriva massi.

Kvargid

Kvargid (tõlkes hullud) on prootonite ja neutronite ehitusplokid. Nad ei ole kunagi üksi, eksisteerivad ainult rühmadena. Ilmselt suureneb kvarke omavahel siduv jõud kauguse kasvades, nii et mida kaugemal on, seda raskem on neid eraldada. Seetõttu ei eksisteeri looduses kunagi vabu kvarke.

Kvarkide põhiosakesed on struktuurita, täpilised umbes 10-16 cm suurune.

Näiteks prootonid ja neutronid koosnevad kolmest kvargist, kusjuures prootonitel on kaks identset kvarki, neutronitel aga kaks erinevat.

Supersümmeetria

Teadaolevalt on aine fermioonide põhilised "tellised" kvargid ja leptonid ning bosonite jõu hoidjad on footonid, gluoonid. Supersümmeetriateooria ütleb, et fermionid ja bosonid võivad muutuda üksteiseks.

Ennustusteooria ütleb, et iga meile teadaoleva osakese kohta on sõsarosake, mida me pole veel avastanud. Näiteks elektroni jaoks on see selekron, kvargi jaoks on see squark, footoni jaoks on see fotono ja higgsi jaoks on see higgsino.

Miks me ei jälgi seda supersümmeetriat universumis praegu? Teadlased usuvad, et nad on palju raskemad kui nende tavalised nõod ja mida raskemad nad on, seda lühem on nende eluiga. Tegelikult hakkavad nad lagunema kohe pärast tekkimist. Supersümmeetria loomine nõuab väga suur hulk energiat, mis eksisteeris alles vahetult pärast suurt pauku ja mida võidi luua suurtes kiirendites, nagu suur hadronite põrkur.

Selle kohta, miks sümmeetria tekkis, oletavad füüsikud, et sümmeetria võis olla rikutud mõnes universumi varjatud sektoris, mida me ei näe ega katsu, kuid mida saame tunda ainult gravitatsiooni teel.

Neutriino

Neutriinod on kerged subatomaarsed osakesed, mis vilistavad kõikjal valguse lähedasel kiirusel. Tegelikult voolavad igal hetkel läbi teie keha triljonid neutriinod, kuigi nad suhtlevad harva tavalise ainega.

Mõned neist pärinevad päikeselt, teised aga kosmilistest kiirtest, mis interakteeruvad Maa atmosfääri ja astronoomiliste allikatega, nagu Linnutee plahvatavad tähed ja teised kauged galaktikad.

Antiaine

Arvatakse, et kõigil normaalsetel osakestel on sama massiga, kuid vastupidise laenguga antiaine. Kui mateeria ja kohtuvad, hävitavad nad üksteist. Näiteks prootoni antiaineosake on antiprooton, elektroni antiainepartnerit aga positroniks. Antiaine on üks kalleimaid aineid maailmas, mida inimesed on suutnud tuvastada.

Gravitonid

Piirkonnas kvantmehaanika kõik põhijõud kanduvad edasi osakeste kaudu. Näiteks koosneb valgus massitutest osakestest, mida nimetatakse footoniteks ja mis kannavad elektromagnetilist jõudu. Samamoodi on graviton teoreetiline osake, mis kannab gravitatsioonijõudu. Teadlased pole veel avastanud gravitoneid, mida on raske leida, kuna need suhtlevad ainega nii nõrgalt.

Energia niidid

Katsetes toimivad väikesed osakesed, nagu kvargid ja elektronid, üksikute ainepunktidena, millel puudub ruumiline jaotus. Kuid punktobjektid raskendavad füüsikaseadusi. Kuna punktile ei saa lõpmatult lähedale jõuda, siis aktiivsed jõud, võib muutuda lõpmatult suureks.

Idee, mida nimetatakse superstringiteooriaks, võib selle probleemi lahendada. Teooria väidab, et kõik osakesed on selle asemel, et olla punktitaolised, tegelikult väikesed energiakiud. See tähendab, et kõik meie maailma objektid koosnevad vibreerivatest niitidest ja energiamembraanidest. Miski ei saa olla lõngale lõpmatult lähedal, sest üks osa on alati veidi lähemal kui teine. See "lünk" näib lahendavat mõned lõpmatuse probleemid, muutes selle idee füüsikutele atraktiivseks. Teadlastel pole aga siiani eksperimentaalseid tõendeid selle kohta, et stringiteooria on õige.

Teine viis punktiprobleemi lahendamiseks on öelda, et ruum ise ei ole pidev ja sujuv, vaid koosneb tegelikult diskreetsetest pikslitest või teradest, mida mõnikord nimetatakse ruumi-ajaliseks struktuuriks. Sel juhul ei saa kaks osakest lõputult teineteisele läheneda, sest nad peavad alati olema eraldatud. minimaalne suurus ruumi terad.

musta augu punkt

Teine kandidaat universumi väikseima osakese tiitlile on singulaarsus (üks punkt) musta augu keskel. Mustad augud tekivad siis, kui aine kondenseerub piisavalt väikeses ruumis, et gravitatsioon haarab selle külge, põhjustades aine sissetõmbumise, mis lõpuks kondenseerub üheks lõpmatu tihedusega punktiks. Vähemalt poolt kehtivad seadused Füüsika.

Kuid enamik eksperte ei pea musti auke tõeliselt lõpmatult tihedaks. Nad usuvad, et see lõpmatus on tulemus sisemine konflikt kahe kehtiva teooria vahel üldine teooria relatiivsusteooria ja kvantmehaanika. Nad viitavad sellele, et kui kvantgravitatsiooni teooria saab sõnastada, selgub mustade aukude tegelik olemus.

Planki pikkus

Energia niidid ja isegi väikseim osake universumis võivad olla "plangu pikkuse" suurused.

Riba pikkus on 1,6 x 10 -35 meetrit (arvule 16 eelneb 34 nulli ja koma) - arusaamatult väike skaala, mida seostatakse erinevate füüsikaaspektidega.

Plancki pikkus on "looduslik ühik" pikkuse mõõtmiseks, mille pakkus välja saksa füüsik Max Planck.

Plancki pikkus on ühegi instrumendi mõõtmiseks liiga väike, kuid väljaspool seda arvatakse, et see esindab lühima mõõdetava pikkuse teoreetilist piiri. Määramatuse printsiibi kohaselt ei tohiks ükski instrument kunagi olla võimeline mõõtma midagi vähemat kui see, sest selles vahemikus on universum tõenäosuslik ja ebakindel.

Seda skaalat peetakse ka eraldusjooneks üldrelatiivsusteooria ja kvantmehaanika vahel.

Plancki pikkus vastab kaugusele, kus gravitatsiooniväli on nii tugev, et võib hakata välja energiast musti auke tegema.

Ilmselt on praegu universumi väikseim osake umbes plangu pikkusega: 1,6 10–35 meetrit

järeldused

Koolipingist teati, et Universumi väikseimal osakesel elektronil on negatiivne laeng ja väga väike mass, mis võrdub 9,109 x 10 - 31 kg ning elektroni klassikaline raadius on 2,82 x 10 -15 m. .

Füüsikud aga töötavad juba praegu universumi väikseimate osakestega, Plancki suurusega, mis on umbes 1,6 x 10 −35 meetrit.