Безмассовые частицы
Безмассовые частицы (люксо́ны) — частицы, масса покоя которых равна нулю. Любая безмассовая частица может двигаться только со скоростью света. Такая частица не может находиться в состоянии покоя: она может родиться (быть излучена), двигаться со скоростью света, затем уничтожиться (поглотиться). Безмассовая частица обладает энергией, которая вычисляется по формуле 
где p — импульс частицы, а c — скорость света. Термин «безмассовая» не вполне точно отражает природу такой частицы: она имеет массу 
Рис. 1
Что же это за частицы? У всех них есть античастицы, но для краткости я их опускаю. Давайте по-быстрому пробежимся по структуре материи, разбирая её до тех пор, пока не доберёмся до нужного уровня.
• Атомы, радиус которых примерно в миллиард раз меньше вашей головы, состоят их электронов и атомных ядер.
• Атомы поглощают и испускают частицы света, фотоны. Происходит это благодаря электромагнитному взаимодействию, переносимому фотоном (то есть, когда работает электромагнетизм, фотоны всегда присутствуют).
• Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, в 100 000 меньших, чем сам атом, и состоящих по большей части из верхних и нижних кварков (и антикварков) и глюонов.
• Протоны и нейтроны не разваливаются, а также удерживаются внутри ядра, благодаря сильному взаимодействию, переносимому 8-ю типами глюонов.
• Солнце светит, а некоторые атомные ядра распадаются из-за процессов преобразования кварков одного типа в кварки другого типа. При этом испускаются электроны и нейтрино, эти частицы исходят прямо из центра Солнца.
• Это преобразование кварков и испускание нейтрино происходит из-за слабого взаимодействия, переносимого частицами W + , W – и Z 0 .
• Последнее известное нам взаимодействие – гравитация, которое, как предполагается, переносит гравитон. Из-за удивительной слабости гравитации эту частицу очень трудно обнаружить.
Практически все аспекты нашего мира определяются этими частицами. Но существуют и другие. Электрон, нейтрино-1, верхний кварк и нижний кварк называют одним «поколением» частиц – в данном случае под поколением имеется в виду примерно то же, что у фамильного дерева. Существуют два более тяжёлых поколения, в каждом из которых есть утяжелённые копии этих четырёх частиц.
• Второе поколение состоит из мюона, нейтрино-2, очарованного кварка и странного кварка.
• Третье поколение состоит из тау, нейтрино-3, t-кварка и b-кварка.
Структура поколений делит эти частицы на горизонтальные слои. Их также можно разделить вертикально, на упомянутые мною классы: люди часто говорит о «частицах электронного типа» или «заряженных лептонах», имея в виду электрон, мюон и тау, говорят о «нейтрино» в общем, и делят кварки на «верхние» (верхний, очарованный, t) и «нижние» (нижний, странный, b).
Возможно, вам интересно, почему у нейтрино такие скучные имена по сравнению с другими частицами. Мы их звали по-другому, но за последние 20 лет узнали о них много нового, и всё ещё продолжаем узнавать. Может, когда уляжется пыль, мы дадим им новые имена.
Про частицу Хиггса мы мало что знаем, но в ближайшее время узнаем больше.
Давайте приглядимся к различным массам. У них не только огромный разброс, но и нет какой-то явной системы. Вот некоторые замечания по поводу масс, начиная с самых лёгких частиц:
• Фотон и гравитон, вероятно, не имеют массы – их масса должна быть удивительно малой, чтобы существовали наблюдаемые межгалактические магнитные поля и огромные структуры Вселенной.
• Глюоны не имеют массы, насколько это вообще имеет смысл – они проводят свою жизнь в плену внутри таких адронов, как протоны, и измерить их массу напрямую непросто.
• Теоретики давно спорили по поводу наличия массы у нейтрино. Эксперименты последнего десятилетия разрешили этот спор (хотя из-за того, что полученные свидетельства непрямые, ещё есть пространство для манёвра). Массы нейтрино очень малы, самый тяжёлый из них по крайней мере в миллиард раз легче легчайшего атома (водорода), а масса самого лёгкого ещё меньше.
• Массы остальных частиц известны. Электрон примерно в 1800 раз легче водорода, t-кварк примерно в 400 000 раз тяжелее электрона, и всего на несколько процентов легче атома золота. Масса частиц W и Z примерно вполовину меньше массы t-кварка.
• Все обладающие значительной массой частицы имеют её из-за взаимодействия с полем Хиггса. Нейтрино могут получать массу не напрямую, но поле Хиггса играют важную роль и для них тоже. Этот факт я отметил через зелёные рамки различной толщины у дисков, обозначающих частицы.
• Масса-энергия частицы Хиггса — 125 ГэВ
На рис. 2 я сгруппировал частицы и взаимодействия по-другому.
Рис. 2
На рисунке показано, какие частицы напрямую влияют на какие. Я провёл линии между всеми типами частиц, напрямую взаимодействующими друг с другом. Что интересно отметить:
• Ничего из того, что часто называют частицами материи – заряженные лептоны, нейтрино или кварки – не взаимодействует друг с другом.
• Частицы материи взаимодействуют напрямую только с частицами, переносящими взаимодействия!
Это объясняет, почему переносчики взаимодействия называются именно так. Когда электрон в атоме взаимодействует с верхним кварком в атомном ядре, он делает это не напрямую. Электрон напрямую взаимодействует с фотоном, кварк взаимодействует с фотоном, и в результате (он довольно сложный и неинтуитивный) получается, что электрон притягивается к кварку, и наоборот. Точно так же взаимодействие между двумя кварками получается непрямым, и происходит из прямого взаимодействия кварков с глюонами. Все известные взаимодействия между частицами материи происходят не напрямую, в них участвуют переносчики взаимодействий. Когда вы открываете дверь, работают фотоны.
На рисунке также отмечено несколько важных свойств взаимодействий и классов частиц:
• Все частицы определённого класса подчиняются одному взаимодействию – именно это и определяет их принадлежность к классу. Нейтрино чувствуют только слабое взаимодействие. Сильное взаимодействие чувствуют только кварки и глюоны.
• Изогнутыми линиями показано, что некоторые из переносчиков взаимодействий напрямую взаимодействуют сами с собой или с другими переносчиками. Глюоны взаимодействуют сами с собой, но фотон сам с собой не взаимодействует (по крайней мере, не напрямую).
• В некотором смысле частица Хиггса также является переносчиком взаимодействия. Но это особый случай. Чем сильнее эффект, оказываемый взаимодействием Хиггса на частицу, тем больше масса этой частицы в ненулевом поле Хиггса. (Это утверждение верно для известных частиц, но может оказаться неверным для ещё не открытых). Я обозначил это градиентом зелёного поля, которое сверху становится темнее, что означает усиление эффекта для тяжёлых частиц. Точно так же частица Хиггса сильнее взаимодействует с тяжёлыми частицами, чем с лёгкими.
Этот мир выглядит ужасно странно, но хотите вы, или нет – он наш. Можно увидеть некоторые грубо обозначенные схемы, но всё-таки чёткой организации нет. Дезорганизация тем или иным образом оказывается связанной с полем (или полями) Хиггса.
Самые маленькие частицы во Вселенной
Ответ на постоянный вопрос о самой маленькой вещи во Вселенной развился вместе с человечеством. Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг.
Затем был открыт атом. Концепция атомов была впервые предложена греками, которые полагали, что объекты могут быть бесконечно разделены на две части, пока не останется одна неделимая частичка материи. Эта невообразимо малая единица не могла быть разделена дальше и поэтому называлась «атомом», образованным от греческого слова A-tomos. Где «А» означает «нет» и «томос» – делить.
Он считался неделимым, пока он не раскололся, чтобы обнаружить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже казались фундаментальными частицами, прежде чем ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.
Так какие же из частиц являются самыми маленькими во Вселенной?
10. Электрон
Электрон – отрицательно заряженная субатомная частица. Он может быть свободным (не привязанным к какому-либо атому) или связанным с ядром атома. Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. Чем больше сферическая оболочка, тем выше энергия, содержащаяся в электроне электрических проводниках поток тока возникает в результате движения электронов от атома к атому в отдельности и от отрицательных к положительным электрическим полюсам в целом. В полупроводниковых материалах ток также возникает как движение электронов.
Позитроны – это античастицы электронов. Основным отличием от электронов является их положительный заряд. Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов, когда происходит распад, эти радионуклиды испускают позитрон и нейтрино.
В то время как нейтрино выходит без взаимодействия с окружающим веществом, позитрон взаимодействует с электроном. Во время этого процесса аннигиляции массы позитрона и электрона превращаются в два фотона, которые расходятся в почти противоположных направлениях.
Протонная стабильная субатомная частица с положительным зарядом, равным по величине единице заряда электрона и массой покоя 1,67262 × 10 -27 кг.
Около десяти лет назад казалось, что и спектроскопия, и эксперименты по рассеянию сходились на протонном радиусе 0,8768 фемтометров (миллионные доли миллионной доли миллиметра).
Но в 2010 году новый поворот в спектроскопии поставил под сомнение этот идиллический консенсус. Команда измерила протонный радиус 0,84184 фемтометров.
Вы знаете, что нейтроны находятся в ядре атома. В нормальных условиях протоны и нейтроны слипаются в ядре. Во время радиоактивного распада они могут быть выбиты оттуда. Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.
Нейтроны можно найти практически во всех атомах вместе с протонами и электронами. Водород -1 является единственным исключением. Атомы с одинаковым количеством протонов, но с разным количеством нейтронов называются изотопами одного и того же элемента.
Количество нейтронов в атоме не влияет на его химические свойства. Однако это влияет на его период полураспада, меру его стабильности. Нестабильный изотоп имеет короткий период полураспада, при котором половина его распадается на более легкие элементы.
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.
Кварк – одна из фундаментальных частиц в физике. Они соединяются, чтобы сформировать адроны, такие как протоны и нейтроны, которые являются компонентами ядер атомов.
Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо, но всегда в сочетании с другими кварками. Это делает невозможным непосредственное измерение свойств (массы, спина и четности); эти черты должны быть выведены из частиц, состоящих из них.
Спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва Вселенная была невероятно плотной плазмой, настолько горячей, что не могло существовать ни ядер, ни даже ядерных частиц.
Плазма состояла из кварков, частиц, которые составляют нуклоны и некоторые другие элементарные частицы, и глюонов, безмассовых частиц, которые «переносят» силу между кварками.
Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками, аналогичные обмену фотонов в электромагнитной силе между двумя заряженными частицами. Глюон можно считать фундаментальной обменной частицей, лежащей в основе сильного взаимодействия между протонами и нейтронами в ядре.
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.
Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы, которая может даже быть нулевой.
Нейтрино являются одной из самых распространенных частиц во Вселенной. Однако, поскольку они очень мало взаимодействуют с материей, их невероятно сложно обнаружить.
Для обнаружения нейтрино требуются очень большие и очень чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низкой энергией проходит через многие световые годы нормальной материи, прежде чем взаимодействовать с чем-либо.
Следовательно, все наземные нейтринные эксперименты основаны на измерении крошечной доли нейтрино, которые взаимодействуют в детекторах разумного размера.
1. Бозон Хиггса («Частица Бога»)
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.
Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни.
Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов
Нейроны должны быть в головном мозге автора, а в атомном ядре — нейтроны.
Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.
Числа весят? Числа способны изменить массу? А могут и не изменить?
Согласно квантовой физике, луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху.
Текут по воздуху согласно квантовой физике? Вы сербезно?
Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо
Ограничение чего? Насчет кварка не уверен, но автор точно имеет ограничение.
Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками
Для того, чтобы обычный челокев понял, что такое подразумевается под странным выражением «цветовая сила», нужно неслабо вдаться в объяснение. Для тех, кто знает про цветной заряд кварков, вся эта статья — горячечный бред.
Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы
Так а чем он «очень похож»?
Вся статья — удивительная смесь реальных фактов и абсолютно бездумной их интерпретации. Как будто человек, далекий от науки и даже школьного образования, краем уха что-то слышал и потом написал это.
«Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. »
Мне казалось как-то так:
«Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов» — Нейро́н, или невро́н (от др.-греч. νεῦρον — волокно, нерв) — узкоспециализированная клетка, структурно-функциональная единица нервной системы.
Спасибо за статью
Я ждал шутку про зарплату
На нейтрон, поэтому и обозвали «нейтрончик»
Откуда берутся атомы?
Материя в том виде, как она есть и известна нам, состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Комбинации атомов порождают целостные материалы, а атомы разных элементов отличаются друг от друга по ряду параметров.
Сами атомы тоже состоят из субатомных частиц, о которых я уже многократно рассказывал на канале. Но наиболее частый вопрос тут — это не как устроен атом, а откуда вообще атомы берутся?
Мы оказываемся тут где-то на границе мироздания. Нужно или принять, что всё существовало вечно, или допустить что не из чего вдруг родились первые колебания некоторой субстанции (будь то эфир или квантовое поле сейчас неважно), или же просто проанализировать технический характер появления материальных частиц. Давайте рассмотрим появления атома, исходя из имеющихся научных представлений.
Кстати, следующий вопрос, который тут напрашивается — появляются ли новые атомы или вся материя была создана один раз и теперь постоянно превращается из одного варианта в другой, а её количество определяется законом сохранения? Это интересный вопрос, но как говаривал один усатый дядька — «это уже совсем другая история».
Про природ материи как таковой советую посмотреть мой ролик на тубе. Отчасти там есть ответ на рассматриваемый вопрос.
Появление атомов в научных фильмах
В фильмах от Discovery обычно повествование строится следующим образом:
Вселенная после появления достигла температур, при которых стали происходить процессы захвата отрицательно заряженных электронов массивными протонами. Это формировало тот атом, который мы привыкли видеть.
После появления простых элементов, традиционного водорода и гелия, появляются более крупные элементы. Они образуются преимущественно в результате столкновения более мелких элементов, что известно как ядерный синтез. Столкновение с нужным количеством энергии рождает новые частички.
Некоторые типы атомов образуются в результате разложения очень больших нестабильных атомов. Этот процесс распада на части известен как ядерное деление.
Вроде бы и можно считать это некоторым ответом, но информации слишком мало. Например, откуда взялись сами протоны, нейтроны и даже электроны?
Откуда взяли запчасти?
Ещё Ломоносов исходил из того, что, говоря современным языком, в силу научного незнания мы должны принять вечное существование субатомных частичек. Но физики всё же высказывают разные варианты механизма появления субатомных частичек.
Многие считают, что во главе угла стоял электрон, который стал базой для формирования более сложных частиц. Тут уместно отметить, что по существующим сейчас представлениям сам электрон является не материей в прямом смысле этого слова и не может быть представлен, как мячик, а является флуктуацией волновой функции.
Иными словами — электрон есть энергия. Что приводит к банальному выводу — любая материя состоящая из атомов является энергией в определенной её форме и сам атом появился как результат взаимодействия энергии с пространством. Про это подробно рассказывается в моей заметке про отличие модели атома Шрёдингера.
Ещё Ломоносов исходил из того, что, говоря современным языком, в силу научного незнания мы должны принять вечное существование субатомных частичек. Но физики всё же высказывают разные варианты механизма появления субатомных частичек.
Многие считают, что во главе угла стоял электрон, который стал базой для формирования более сложных частиц. Тут уместно отметить, что по существующим сейчас представлениям сам электрон является не материей в прямом смысле этого слова и не может быть представлен, как мячик, а является флуктуацией волновой функции.
Иными словами — электрон есть энергия. Что приводит к банальному выводу — любая материя состоящая из атомов является энергией в определенной её форме и сам атом появился как результат взаимодействия энергии с пространством.
Как сами электроны могли стать базой для появления атома?
Когда некоторое количество материи образовалось и механизм был уже запущен, естественные процессы типа диффузии, привели нас к той материи и тому разнообразию атомов, которые мы получили сегодня. Правда тут ещё стоило бы обсудить сразу и темную материю.
Ну а всех, кто дочитал статью, приглашаю подписаться на мой канал в телеге 🙂
Средневековые лошади были не крупнее современных пони
Они начали увеличиваться в размерах только после 1500 года.
В средневековых батальных сценах в фильмах тяжеловооруженные воины изображаются верхом на мощных конях, которые внушающим страх галопом несутся по равнине в атаку на соперников. Однако мало кто знает, насколько эти картины преувеличены. Новое исследование ученых показало, что в Средневековье лошади были примерно такого же размера, как современные пони.
Группа археологов из пяти британских университетов провела раскопки в 171 месте по всей Великобритании, обнаружив кости около двух тысяч лошадей, датируемые периодом с 300 по 1650 год нашей эры. Анализ показал, что в среднем лошади англосаксонского и нормандского периодов были ниже 1,48 метра в высоту (не в холке, а именно в целом по росту).
Кэтрин Канн, исследователь из Университета Эксетера, с фрагментом нижней челюсти лошади, найденной в Линкольншире
Остатки самой высокой лошади из выборки ростом 1,58 метра были найдены в замке Троубридж в Уилтшире, что ставит её в один ряд с небольшими лёгкими верховыми лошадьми в наши дни. Ее кости датировали примерно XI-XII веками. Только в период Высокого Средневековья (1200-1350 гг. н.э.) лошади начали дорастать до отметки в 1,70 метра, и это оставалось их пределом до постсредневекового периода (после 1500 года).
Конечно, отмечают исследователи, некоторые боевые кони (известные как дестриэ) были относительно крупными для того времени, но и они оказались меньше, чем мы могли ожидать. В исследовании говорится, что в Средневековье у лошадей были разные задачи, и, скорее всего, с учётом этих задач их и разводили: «Практика отбора и разведения в королевских конных заводах, возможно, была сосредоточена как на темпераменте и правильных физических характеристиках для войны, так и на исходном размере».
Дестриэ, которые предназначались для демонстрации или турниров, а также для верховой атаки, были крупнее, а лошади меньшего размера, известные как скакуны и рысаки, должны были преодолевать большие расстояния во время военных походов.
«Исторические записи не содержат конкретных критериев, определяющих дестриэ – боевого коня. Вероятно, на протяжении всего средневекового периода, в разное время, в ответ на изменение тактики боя и культурных предпочтений всадники предпочитали разные типы лошадей», – сообщила Хелен Бенкерт, соавтор исследования из Университета Эксетера.
В исследовании также отмечается, что средневековые археологические раскопки часто содержат меньше конских костей по сравнению с более ранними памятниками римского и железного веков. Вероятно, это связано с тем, что средневековые лошадиные туши часто обрабатывались не так, как другие животные. Их обрабатывали на кожевенных заводах, где шкуры перерабатывались для производства кожи, и на живодерских дворах, где старых животных продавали на мясо.
Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть
Открытие «невидимых» элементарных частиц положило начало современной физике. В ней всё время совершаются новые грандиозные прорывы: например, подтвердилось существование бозона Хиггса. Знать, что такое лептоны, кварки и бозоны, очень важно для понимания актуальной картины мира. Мы собрали базовые знания по физике элементарных частиц, которые пригодятся всем.
В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.
Самой первой частицей, о которой узнали физики, стал электрон . Это понятие ввел еще в конце XIX века британский ученый Джордж Стоуни, чтобы описать перенос заряда в электрохимических процессах. А в 1897 году Джозеф Томсон, исследуя «катодные лучи», выяснил, что они состоят из частиц, обладающих также и волновыми свойствами.
Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.
Какие бывают элементарные частицы
После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны , дополнили список лептонов и открыли кварки .
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
- то, что мы видим невооруженным глазом;
- молекулярная структура;
- атомная структура;
- элементарный уровень.
Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.
Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.
Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.
Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.
Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).
Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Второй тип фермионов — лептоны , их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).
Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.
Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.
Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.
Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.
А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).
Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).
Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.
Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.
Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.
Составные частицы
Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.
Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.
Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.
Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.
Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.
А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.