Самая маленькая частица во вселенной

Молекулы состоят из атомов

А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.


Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.

Как выглядят атомные частицы?

Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.

Ядро атома состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков

Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.

Как уже говорилось выше, абсолютно все элементарные частицы состоят из кварков. которые представляют из себя основу мироздания. Интересный факт: Название “кварк” было взято в одном из романов известного в XX веке писателя-модерниста Джеймса Джойса, который необычным словом решил обозначить звук, воспроизводимый утками.

Джеймс Джойс — писатель, благодаря которому появился термин «кварки»


Сами же кварки подразделяются на 6 так называемых “ароматов”, каждый из которых обладает своими собственными характеристиками или “цветом”. Кроме того, каждый из 6 типов кварков обладает и собственным весьма оригинальным именем. Так, помимо нижнего и верхнего видов кварков, существуют также странный, очарованный, прелестный и истинный кварки.

Конечно же, “странность” или “прелестность” кварков сильно отличаются от привычных нам понятий. Точно так же, как и понятие цвета кварков на самом деле имеет в виду далеко не их оттенок, но способ взаимодействия кварков и других микрочастиц — глюонов. Что ж, фантазия ученых иногда умеет удивлять.

В любом случае, кварки представляют из себя по-настоящему уникальные частицы, от которых во всех смыслах зависит существование нашей Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем. Быть может, тайна возникновения Большого взрыва и наше постижение основных законов Вселенной действительно зависят от одной крошечной песчинки, которая в тысячи и тысячи раз меньше атома.

Энергии

Энергии элементарных частиц измеряют в электронвольтах (эВ) и кратных единицах. По определению, 1 эВ — это энергия, которую приобретет электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в 1 вольт; 1 эВ примерно равен 1,6·10–19 Дж. Электронвольт удобен для описания атомных и оптических процессов. Например, молекулы газа при комнатной температуре имеют кинетическую энергию примерно 1/40 электронвольта. Кванты света — фотоны — в оптическом диапазоне имеют энергию около 2 эВ.

Явления, происходящие внутри ядер и элементарных частиц, сопровождаются гораздо большими изменениями энергии. Здесь уже используются мегаэлектронвольты (МэВ, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, 109 эВ) и даже тераэлектронвольты (ТэВ, 1012 эВ). Например, протоны и нейтроны движутся внутри ядер с кинетической энергией в несколько десятков МэВ. Энергия протон-протонных или электрон-протонных столкновений, при которых становится заметна внутренняя структура протона, составляет несколько ГэВ. Для того чтобы родить самые тяжелые из известных на сегодня частиц, топ-кварки, требуется сталкивать протоны с энергией около 1 ТэВ.

Между шкалой расстояний и шкалой энергии можно установить соответствие. Для этого можно взять фотон с длиной волны L и вычислить его энергию: E = c·h/L. Здесь c — скорость света, а h — постоянная Планка, фундаментальная квантовая константа, равная примерно 6,62·10–34 Дж·с. Это соотношение можно использовать не только для фотона, но и более широко, при оценке энергии, необходимой для изучения материи на масштабе L. В «микроскопических» единицах измерения, 1 ГэВ отвечает размеру примерно 1,2 фм.

Шкалу энергий можно также связать и со шкалой времен: E = h/T. Физический смысл этого соотношения в квантовой механике таков: процесс, сопровождающийся неопределенностью энергии E, длится примерно в течение времени T. Например, если частица распадается в течение типичного адронного масштаба времени, то неопределенность ее массы составляет порядка 1 ГэВ.

5.

Фотон Представьте себе луч желтого солнечного света, сияющего через окно. Согласно квантовой физике, этот луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху. Но что такое фотон? Фотон – это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света. Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью всем наблюдателям 2,998 × 10 8 м/с. Обычно это называют скоростью света, обозначаемой буквой с. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, фотоны имеют энергию, равную частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн доказал, что свет – это поток фотонов, энергия этих фотонов – это высота частоты их колебаний, а интенсивность света соответствует количеству фотонов.

Покушение на Стандартную модель

Открытие осцилляций нейтрино, решив одну проблему, создало несколько новых. Суть в том, что еще со времен Паули нейтрино считались безмассовыми частицами подобно фотонам, и это всех устраивало. Попытки измерить массу нейтрино продолжались, но без особого энтузиазма. Осцилляции все изменили, поскольку для их существования масса, пусть и маленькая, обязательна. Обнаружение массы у нейтрино, разумеется, привело экспериментаторов в восторг, но озадачило теоретиков. Во-первых, массивные нейтрино не вписываются в Стандартную модель физики элементарных частиц, которую ученые строили еще с начала XX века. Во-вторых, та самая загадочная левосторонность нейтрино и правосторонность антинейтрино хорошо объясняется только опять-таки для безмассовых частиц. При наличии массы левые нейтрино должны с некоторой вероятностью переходить в правые, то есть в античастицы, нарушая, казалось бы, незыблемый закон сохранения лептонного числа, или вовсе превращаться в какие-то нейтрино, не участвующие во взаимодействии. Сегодня такие гипотетические частицы принято называть стерильными нейтрино.

Нейтринный детектор «Супер-Камиоканде» Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Разумеется, экспериментальные поиски массы нейтрино тут же резко возобновились. Но сразу возник вопрос: как же измерить массу того, что никак не удается поймать? Ответ один: не ловить нейтрино вообще. На сегодняшний день наиболее активно разрабатываются два направления — прямой поиск массы нейтрино в бета-распаде и наблюдение безнейтринного двойного бета-распада. В первом случае идея очень проста. Ядро распадается с излучением электрона и нейтрино. Нейтрино поймать не удается, но поймать и измерить с очень большой точностью возможно электрон. Спектр электронов несет информацию и о массе нейтрино. Такой эксперимент — один из самых сложных в физике частиц, но при этом его безусловный плюс в том, что он основан на базовых принципах сохранения энергии и импульса и его результат мало от чего зависит. Сейчас самое лучшее ограничение на массу нейтрино составляет около 2 эВ. Это в 250 тысяч раз меньше, чем у электрона. То есть саму массу не нашли, а только ограничили верхней рамкой.

С двойным бета-распадом все сложнее. Если предположить, что нейтрино при перевороте спина превращается в антинейтрино (такую модель называют по имени итальянского физика Этторе Майорана), то возможен процесс, когда в ядре происходят одновременно два бета-распада, но нейтрино при этом не вылетают, а сокращаются. Вероятность такого процесса связана с массой нейтрино. Верхние границы в подобных экспериментах лучше — 0,2‒0,4 эВ, — но зависят от физической модели.

Проблема массивного нейтрино не решена до сих пор. Теория Хиггса не может объяснить настолько маленькие массы. Требуется ее существенное усложнение или привлечение каких-то более хитрых законов, по которым нейтрино взаимодействуют c остальным миром. Физикам, занимающимся исследованием нейтрино, часто задают вопрос: «А как исследование нейтрино может помочь среднестатистическому обывателю? Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения. Разница в том, что технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что каждая вложенная в эту сферу копейка довольно быстро окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера; эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.


Самая мель­чай­шая ча­сти­ца са­ха­ра – мо­ле­ку­ла са­ха­ра. Их стро­е­ние та­ко­во, что сахар на вкус слад­кий. А стро­е­ние мо­ле­кул воды та­ко­во, что чи­стая вода слад­кой не ка­жет­ся.

Струны или точки?

В экспериментах, которые проводят физики, элементарные частицы, ведут себя как отдельные точки. Но при этом они не показывают никаких признаков того, что обладают какими-то пространственными характеристиками.

Однако для физиков подобное положение дел весьма неудобно. Ведь к такой точке, не имеющей определенных размеров, можно приближаться до конца жизни Вселенной. И посчитать силу, которая может быть применена к элементарной частице в непосредственной близости от нее, не представляется возможным. Ведь ее значение становится бесконечно большим. А ученые терпеть не могут бесконечность. Поэтому, чтобы выкрутится из столь щекотливой ситуации, они придумали хитрый ход.

Немного поразмыслив физики выдвинули весьма смелую гипотезу. Они назвали ее теорией струн. Ее авторы настаивают на том, что элементарные частицы – вовсе не точечные объекты. А простые колебания некоей гипотетической «струны». И поэтому ничто и никогда не может приблизиться вплотную к элементарной частице. Потому что она находится в постоянном колебательном движении. И гипотетический наблюдатель всегда будет немного ближе к одной части элементарной частицы, чем к другой. Весьма причудливое объяснение, не находите?

Подобный «ход конем», в общем-то, решает проблему бесконечности. Поэтому теория струн была воспринята в научном мире довольно тепло. Но, к великому сожалению, у науки пока нет никаких данных, подтверждающих или опровергающих ее.

Есть еще один, не менее экзотический способ решения это проблемы. В этом случае физики предложили считать, что пространство, на самом деле, дискретно. И фактически состоит из неких зерен. Или, по другому, пространственно-временной пены. И поэтому любые элементарные частицы никогда не смогут столкнуться друг с другом. Потому что между ними всегда есть какое-то расстояние, соответствующее минимальному размеру «пространственного зерна».

8.

Мюон Мюоны имеют такой же отрицательный заряд, как и электроны, но в 200 раз больше массы. Они возникают, когда частицы высокой энергии, называемые космическими лучами, врезаются в атомы в атмосфере Земли. Путешествуя со скоростью, близкой к скорости света, мюоны осыпают Землю со всех сторон. Каждая область планеты размером с руку поражена примерно одним мюоном в секунду, и частицы могут пройти через сотни метров твердого материала, прежде чем они будут поглощены. По словам Кристины Карлогану, физика из Физической лаборатории Клермон-Феррана во Франции, их вездесущность и проникающая способность делают мюоны идеальными для визуализации больших плотных объектов без их повреждения.

Что такое кварк?

Кварк — наименьшая частица мироздания. Именно из кварков состоят все электроны, нейтроны и протоны атомов, каждый из которых был образован 13,7 миллиардов лет назад сразу после Большого Взрыва. Спустя несколько минут после рождения Вселенной, наше мироздание смогло остынуть настолько, что смогли образоваться первые элементарные частицы — кварки и электроны. Кварки соединились друг с другом, образовав ядро атомов. Спустя примерно 400 000 лет Вселенная смогла остынуть настолько, что произошло замедление в движении электронов, позволив атомным ядрам их захватить. Именно таким образом все видимое и невидимое нам пространство смогло обзавестись первыми атомами гелия и водорода, которые, между прочим, все еще остаются самыми распространенными веществами во Вселенной.

Квазичастицы

См. более подробный список квазичастиц.

В их число входят:

  • Фононы — колебательные моды в кристаллической решётке.
  • Экситоны — связанные состояния электрона и дырки.
  • Трионы — связанные состояния двух электронов и дырки, либо двух дырок и электрона.
  • Плазмоны — когерентные возбуждения плазмы.
  • Дроплетоны — квазичастица, представляющая собой совокупность электронов и дырок внутри полупроводника.
  • Поляритоны — смеси фотонов с другими квазичастицами.
  • Поляроны — двигающиеся заряженные (квази-)частицы, окружённые ионами в веществе.
  • Магноны — когерентные возбуждения электронных спинов в веществе.
  • Ротоны — вращательные состояния в вырожденных средах (например, в жидком гелии).
  • Примесоны — поведение примесного атома в квантовых кристаллах.
  • Дефектоны — характеризует поведение дефектов в квантовых кристаллах.
  • Дырка — носитель положительного заряда, равного элементарному заряду в полупроводниках.
  • Биротоны.
  • Биэкситоны — связаное состояние двух экситонов. Представляют собой, фактически, экситонные молекулы.
  • Биполяроны — связанная пара двух поляронов.
  • Орбитоны — являющиеся элементарными квантами орбитальной волны в твёрдом теле.
  • Фазоны — флуктуоны, сопровождающиеся изменением фазы.
  • Флуктуоны — квазичастицы, наблюдающиеся в неупорядоченных сплавах и подобных им системах.
  • Холоны — наряду со спиноном квазичастица, возникающая в результате разделения спина и заряда в одномерных системах.
  • Спиноны.
  • Chargon — Квазичастицы, образующиеся при разделении спина и заряда электрона.
  • Конфигуроны — элементарное конфигурационное возбуждение в аморфном материале, которое включает в себя разрыв химической связи.
  • Квазиэлектроны — электрон плюс экранирующее облако, зависит от других сил и взаимодействий в твердом теле.
  • Плазмароны — Квазичастицы от связи между плазмоном и дыркой.
  • Солитоны — самоусиливающие уединенные волны возбуждения.
  • Фермион Майораны — квазичастица, равная своей античастице, находится в запрещенной зоне некоторых сверхпроводников.
  • Фрактоны — коллективные квантованные колебания на подложке с фрактальной структурой.
  • Флексуроны Кацнельсона.
  • Конформоны.
  • Фокусоны — эстафетная передача импульса налетевшей частицы ионам или атомам кристалла с фокусировкой импульса вдоль плотно упакованных атомных рядов описывается квазичастицей, назывемой фокусоном.

10.

Бозон Хиггса Физике частиц обычно тяжело конкурировать с политикой и сплетнями знаменитостей за заголовки, но бозон Хиггса привлек серьезное внимание. Возможно, знаменитое и неоднозначное прозвище знаменитого бозона, «Частица Бога», заставляло гудеть средства массовой информации. С другой стороны, интригующая возможность того, что бозон Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной, захватывает воображение. Бозон Хиггса является, если не сказать, самой дорогой частицей всех времен

Это немного несправедливое сравнение; например, для открытия электрона потребовалось немного больше, чем для вакуумной трубки и настоящего гения, а для поиска бозона Хиггса потребовалось создание экспериментальных энергий, которые раньше редко встречались на планете Земля.

Наука и технологии 3 июня, 2020 206 просмотров

Гравитоны

И тут появляется гравитон. Это теоретическая частица, которая должна уместить гравитацию в ту же модель, что и любую другую наблюдаемую силу. Поскольку гравитация оказывает слабое притяжение на каждый объект, вне зависимости от расстояния, она должна быть безмассовой. Но это не проблема — у фотонов нет массы, и они повсюду. Мы зашли так далеко, что можем даже определить точные параметры, которым должен соответствовать гравитон, поэтому если мы найдем частицу — любую частицу — удовлетворяющую этим параметрам, у нас будет гравитон.

Найти гравитон очень важно, поскольку сейчас общая теория относительности и квантовая физика несовместимы. Однако на определенных уровнях энергии, известных как масштабы Планка, гравитация перестает следовать правилам относительности и соскальзывает к квантовым правилам

Поэтому решение проблемы гравитации может быть ключом к единой теории.

Кварки

Кварки – это восхитительно названные блоки протонов и нейтронов, которые никогда не бывают одни и всегда существуют только в группах. Судя про всему, сила, которая связывает кварки вместе, увеличивается с ростом дистанции, то есть чем сильнее кто-то будет пытаться отдалить один из кварков от группы, тем сильнее он будет притягиваться обратно. Таким образом, свободные кварки просто не существуют в природе. Всего существует шесть видов кварков, и, например, протоны и нейтроны состоят из нескольких кварков. В протоне их три – два одинакового вида, и один – другого, а в нейтроне – только два, оба разного вида.


Как меняются женщины после свадьбы: Тельцы становятся безупречными

У коронавируса уже есть разные штаммы, и каждый следующий все заразнее

Кровать с горкой папа смастерил своими руками: девочки очень довольны подарком

Мельчайшие предметы, видимые невооруженным глазом

Google, родившийся в 1920 году, как способ заинтересовать детей в большом количестве. Это число, согласно Милтону, в котором первое место занимает 1, а затем столько нулей, сколько вы могли бы написать, прежде чем устанете. Если мы говорим о самом большом значимом числе, то есть разумный аргумент, что это действительно означает, что вам нужно найти самое большое число с реальным значением в мире.

Таким образом, масса Солнца в тоннах будет меньше, чем в фунтах. Самое большое число с любым приложением реального мира — или, в данном случае, использованием реального мира-вероятно, является одной из последних оценок числа вселенных в мультивселенной. Это число настолько велико, что человеческий мозг буквально не сможет воспринимать все эти различные вселенные, потому что мозг способен только на приблизительные конфигурации.

Вот коллекция самых маленьких вещей в мире, начиная от крошечных игрушек, миниатюрных животных и людей до гипотетической субатомной частицы. Атомы — это мельчайшие частицы, на которые вещество может быть разделено химическими реакциями. Самый маленький чайник в мире был создан знаменитым мастером керамики у Жуйшенем и весит всего 1,4 грамма. В 2004 году Румайса Рахман стала самым маленьким новорожденным ребенком.

Сингулярность

На звание самой маленькой вещи во Вселенной претендует и еще очень интересная особенность. Она находится в центре любой черной дыры. И называется сингулярность.

Черные дыры – это настоящие жемчужины космоса. Они образуются в тот момент, когда колоссальные объемы материи концентрируются в относительно небольшой области пространства. Гравитационное поле подобного объекта становится просто чудовищным по своей мощности. И это приводит к тому, что в конце концов материя сжимается в точку, имеющую бесконечную плотность. Так, по крайней мере, считает официальная наука.

Однако все больше и больше ученых начинает отходить от этого представления. Они говорят о том, что на самом деле черные дыры не имеют никакой сингулярности внутри себя. По их мнению, предполагаемая бесконечно плотная точка – это лишь следствие несогласованности между двумя фундаментальными теориями – общей теорией относительности и квантовой механики. И для решения этой проблемы необходимо разработать теорию квантовой гравитации. Только тогда настоящая суть черных дыр раскроется нашему взору.

Что такое кварк?

Кварк — наименьшая частица мироздания. Именно из кварков состоят все электроны, нейтроны и протоны атомов, каждый из которых был образован 13,7 миллиардов лет назад сразу после Большого Взрыва. Спустя несколько минут после рождения Вселенной, наше мироздание смогло остынуть настолько, что смогли образоваться первые элементарные частицы — кварки и электроны. Кварки соединились друг с другом, образовав ядро атомов. Спустя примерно 400 000 лет Вселенная смогла остынуть настолько, что произошло замедление в движении электронов, позволив атомным ядрам их захватить. Именно таким образом все видимое и невидимое нам пространство смогло обзавестись первыми атомами гелия и водорода, которые, между прочим, все еще остаются самыми распространенными веществами во Вселенной.

Возможно, вам будет интересно: Робот с машинным зрением способен быстро обезвреживать атомные реакторы

Примечания

  1. Определение элементарной частицы как частицы, не имеющей внутренней структуры, принято в английском и некоторых других разделах Википедии. Данный список придерживается этой терминологии. В других статьях русской Википедии такие частицы называются фундаментальными, а термин «элементарная частица» используется для неделимых частиц, к которым помимо фундаментальных частиц относятся и адроны (которые в результате конфайнмента нельзя разделить на отдельные кварки).

Источники

  1.  (англ.) (3 August 2006). Дата обращения 25 сентября 2009.
  2. ↑  (англ.). Дата обращения 25 сентября 2009.
  3. Галактион Андреев. . Компьютерра (14 января 2008). Дата обращения 2 февраля 2014.
  4. Anselm A. A. Experimental test for arion — photon oscillations in a homogeneous constant magnetic field. Phys. Rev. D 37 (1988) 2001
  5. Anselm A. A., Uraltsev N. G. — Ibidem, 1982, v. 114, p. 39; v. 116, p. 161. Ансельм А. А. — Письма в ЖЭТФ, 1982, т. 36, с. 46
  6. Dearborn D. S. P. et al. Astrophysical constraints on the couplings of axions, majorons, and familons. Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 26
  7. Wilczek F. — Phys. Rev. Lett., 1982, v. 49, p. 1549. Ансельм А. А., Уральцев Н. Г. — ЖЭТФ, 1983, т. 84, с. 1961
  8. Farhi E., Susskind L.— Phys. Rept. Ser. C, 1981, v. 74, p. 277
  9. Коккедэ Я. Теория кварков / Под ред. Д. Д. Иваненко. — М.: Мир, 1971. — С. 5
  10. Самойленко, Владимир Дмитриевич. 1 (в введении (части автореферата), вообще 115 (2010). Дата обращения 17 мая 2014.
  11. Поляроны, сб. под ред. Ю. А. Фирсова, М., Наука, 1975
  12. M. I. Katsnelson. Flexuron, a self-trapped state of electron in crystalline membranes // Phys. Rev. B 82, 205433 (2010)
  13. M.V. Volkenstein. The conformon // J Theor Biol. 34 (1), 193195 (1972)
  14. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — Москва: Советская энциклопедия, 1983. — С. 152. — 944 с.
  15.  (недоступная ссылка). Компьюлента (12 августа 2013). Дата обращения 3 сентября 2014.
  16. Мостепаненко В., д.ф.-м.н. Эффект Казимира // Наука и жизнь. — 1989. — № 12. — С. 144-145.
  17. Л. Окунь. 553 (апрель 1957). — Т. LXI, вып. 4, количество страниц: 559. Дата обращения 17 декабря 2012.
  18. J. Frohlich, F. Gabbiani, Braid statistics in local quantum theory, Rev. Math. Phys., vol.2 (1991) 251—354.
  19. J. Khoury and A. Weltman, Phys. Rev. Lett. 93, 171104 (2004), J. Khoury and A. Weltman, Phys. Rev. D 69, 044026 (2004).

С этим читают