Самые малые частицы. Пролог

Мир и наука никогда не стоят на месте. Еще совсем недавно в учебниках по физике уверенно писали, что электрон – самая маленькая частица. Потом самыми мельчайшими частицами стали мезоны, потом бозоны. И вот наукой открыта новая самая мельчайшая частица во Вселенной – планковская черная дыра. Правда, открыта она пока что только в теории. Эта частица относится к категории черных дыр потому, что ее гравитационный радиус больше либо равен длине волны. Из всех существующих черных дыр, планковская – самая маленькая.

Слишком маленькое время жизни этих частиц не может сделать возможным их практическое обнаружение. По крайней мере, на данный момент. А образуются они, как это принято считать, в результате ядерных реакций. Но не только время жизни планковских черных дыр не дает их обнаружить. Сейчас, к сожалению, это невозможно с технической точки зрения. Для того, чтобы синтезировать планковские черные дыры необходим ускоритель энергии в более тысячи электрон-вольт.

Видео:

Не смотря на такое гипотетическое существование этой мельчайшей частицы во Вселенной, ее практическое открытие в будущем является вполне возможным. Ведь еще не так давно легендарный бозон Хиггса так же не удавалось обнаружить. Именно для его обнаружения была создана установка, о которой не слышал только самый ленивый житель на Земле – Большой адронный коллайдер. Уверенность ученых в успехе этих исследований помогла добиться достижения сенсационного результата. Бозон Хиггса на данный момент мельчайшая частица из тех, чье существование доказано практически. Ее открытие очень важно для науки, она позволила приобрести массу всем частицам. А если бы у частиц не было массы, вселенная не могла бы существовать. В ней не могло бы образовываться ни одно вещество.

Не смотря на практическое доказанное существование этой частицы, бозона Хиггса, применения на практике для него еще не придумали. Пока это всего лишь теоритические знания. Но в будущем возможно все. Далеко не все открытия в области физики сразу же имели практическое применение. Никто не знает, что будет через сто лет. Ведь, как говорилось ранее, мир и наука никогда не стоят на месте.

Невероятные факты

Люди, как правило, обращают внимания на большие предметы, которые привлекают наше внимание сразу.

Напротив, маленькие вещи могут оставаться незамеченными, хотя от этого они не становятся менее важными.

Некоторые из них мы можем увидеть невооруженным глазом, другие только с помощью микроскопа, а есть и те, что можно представить себе только теоретически.

Вот коллекция самых маленьких вещей в мире, начиная от крошечных игрушек, миниатюрных животных и людей до гипотетической субатомной частицы.

Самый маленький пистолет в мире

Самый маленький револьвер в мире SwissMiniGun на вид не больше дверного ключа. Однако внешность обманчива, и пистолет длиною всего 5,5 см и весом чуть меньше 20-ти грамм может стрелять со скоростью 122 м в секунду. Этого достаточно, чтобы убить с близкого расстояния.

Самый маленький бодибилдер в мире

Согласно Книге рекордов Гиннеса Адития "Ромео" Дев (Aditya “Romeo” Dev) из Индии был самым маленьким бодибилдером в мире. При росте всего 84 см и весе 9 кг, он мог поднимать гантели весом 1,5 кг и проводил много времени, совершенствуя свое тело. К сожаленью, он умер в сентябре 2012 года из-за разрыва аневризмы мозга.

Самая маленькая ящерица в мире

Харагуанский сферо (Sphaerodactylus ariasae ) является самым маленьким пресмыкающимся в мире. Его длина составляет всего 16-18 мм, а вес 0,2 грамма. Он обитает в Национальном парке Харагуа в Доминиканской республике.

Самый маленький автомобиль в мире

Автомобиль Peel 50 весом 59 кг является самым маленьким серийным автомобилем в мире. В начале 1960-х годов было выпущено около 50-ти таких автомобилей, и сейчас осталось только несколько моделей. В автомобиле два колеса впереди и одно сзади, и он достигает скорости 16 км в час.

Самая маленькая лошадь в мире

Самая маленькая лошадь в мире по кличке Эйнштейн родилась в 2010 году в городе Барнстед в Нью-Гампшире, Великобритании. При рождении она весила меньше, чем новорожденный ребенок (2,7 кг). Ее рост составил 35 см. Эйнштейн не страдает от карликовости, а относится к породе лошадей пинто.

Самая маленькая страна в мире

Ватикан является самой маленькой страной в мире. Это маленькое государство площадью всего 0,44 кв. км и населением из 836 человек, которые не являются постоянным жителями. Крошечная страна окружает собор Святого Петра – духовный центр римских католиков. Сам Ватикан окружен Римом, Италией.

Самая маленькая школа в мире

Школа Калоу в Иране была признана ЮНЕСКО самой маленькой школой в мире. В деревушке, где находится школа, живет всего 7 семей, где насчитывается четверо детей: два мальчика и две девочки, которые и посещают школу.

Самый маленький чайник в мире

Самый маленький чайник в мире был создан известным мастером по керамике Ву Руишеном (Wu Ruishen) и он весит всего 1,4 грамма.

Самый маленький мобильный телефон в мире

Телефон Modu считается самым маленьким мобильным телефоном в мире согласно Книге Рекордов Гиннеса. При толщине 76 миллиметров, он весит всего 39 грамм. Его размеры составляют 72 мм x 37 мм x 7.8 мм. Несмотря на крошечные размеры, вы можете звонить, отправлять СМС сообщения, проигрывать MP3 и фотографировать.

Самая маленькая тюрьма в мире

Тюрьма Сарк на Нормандских островах была построена в 1856 году и вмещает одну камеру на 2-х заключенных.

Самая маленькая обезьянка в мире

Карликовые игрунки, которые обитают в тропических влажных лесах Южной Америки, считаются самыми крошечными обезьянками в мире. Вес взрослой обезьянки составляет 110-140 грамм, а длина достигает 15-ти см. Хотя у них довольно острые зубы и когти, они относительно послушные и популярны в качестве экзотических питомцев.

Самая маленькая почта в мире

Самая маленькая почтовая служба WSPS (World’s Smallest Postal Service) в городе Сан-Франсиско, США переводит ваши письма в миниатюрную форму, так что получателю придется читать его с увеличительным стеклом.

Самая маленькая лягушка в мире

Лягушка вида Paedophryne amauensis при длине 7,7 миллиметров обитает только в Папуа-Новой Гвинее, и является самой крошечной лягушкой и самым маленьким позвоночным в мире.

Самый маленький дом в мире

Самый маленький дом в мире американской компании Tumbleweed архитектора Джея Джафера (Jay Shafer) меньше, чем туалет у некоторых людей. Хотя этот дом площадью всего 9 кв. метров выглядит крошечным, он вмещает все, что вам нужно: рабочее место, спальню, ванную с душем и туалетом.

Самая маленькая собака в мире

В отношении высоты, самой маленькой собакой в мире согласно Книге Рекордов Гиннеса считается собака Бу Бу – чихуахуа высотой 10,16 см и весом 900 грамм. Она живет в штате Кентукки, США.

Кроме того на звание самой маленькой собаки в мире претендует Мейси - терьер из Польши высотой всего 7 см, и длиной 12 см.

Самый маленький парк в мире

Милл Эндс Парк в городе Портленд, штата Орегон, США - это самый маленький парк в мире диаметром всего 60 см. На небольшом круге, расположенном на пересечении дорог располагается бассейн для бабочек, маленькое колесо обозрения и миниатюрные статуи.

Самая маленькая рыба в мире

Рыба вида Paedocypris progenetica из семейства карповых, обнаруженная в торфяных болотах, вырастает всего до 7,9 миллиметров в длину.

Самый маленький человек в мире

72-летний непалец Чандра Бахадур Данги (Chandra Bahadur Dangi) при росте 54,6 см был признан самым невысоким человеком и мужчиной в мире.

Самая маленькая женщина в мире

Самой невысокой женщиной в мире является Йоти Амге (Jyoti Amge) из Индии. На свое 18-летие девушка при росте 62,8 см стала самой маленькой женщиной в мире.

Самый маленький полицейский участок

Эта небольшая телефонная будка в городе Карабелле, штата Флорида, США считается самым маленьким работающим полицейским участком.

Самый маленький младенец в мире

В 2004 году Румаиса Рахман (Rumaisa Rahman) стала самым маленьким новорожденным ребенком. Она родилась на 25-й неделе и весила всего 244 грамм, а ее рост составил 24 см. Ее сестра близнец Хиба весила почти в два раза больше - 566 грамм при росте 30 см. Их мать страдала от тяжелой формы предэклампсии, что может приводит к рождению детей меньшего размера.

Самые маленькие скульптуры в мире

Британский скульптор Уллард Уиган (Willard Wigan), который страдал от дислексии, не преуспевал в учебе и нашел утешение в создании миниатюрных произведений искусства, которые не видны невооруженным глазом. Его скульптуры помещаются в ушке иголки, достигая размеров 0,05 мм. Его недавние работы, которые называют не иначе, как "восьмым чудом света" не превышают размера клетки крови человека.

Самый маленький плюшевый мишка в мире

Мишка Мини-пух созданный немецким скульптором Беттиной Камински (Bettina Kaminski) стал самым крошечным сшитым вручную плюшевым медвежонком с подвижными лапками размером всего 5 мм.

Самая маленькая бактерия

Самый маленький вирус

Хотя среди ученых до сих пор спорят, что считать "живым", а что нет, большинство биологов не классифицируют вирусы в качестве живого организма, так как они не могут размножаться и не способны к обмену вне клетки. Однако вирус может быть меньше любого живого организма, включая бактерию. Самым маленьким одноцепочечным ДНК вирусом является цироковирус свиней (Porcine circovirus ). Диаметр его оболочки составляет всего 17 нанометров.

Самые маленькие объекты, видимые невооруженным глазом

Размер самого маленького объекта видимого невооруженным глазом составляет 1 миллиметр. Это означает, что при необходимых условиях вы сможете увидеть амебу обыкновенную, инфузорию-туфельку и даже яйцеклетку человека.

Самая маленькая частица во Вселенной

За последний век наука сделала огромный шаг к пониманию просторов Вселенной и ее микроскопических строительных материалов. Однако когда дело касается самой маленькой наблюдаемой частицы во Вселенной, возникают некоторые трудности.

Одно время самой маленькой частицей считался атом. Затем ученые открыли протон, нейтрон и электрон. Теперь же мы знаем, что, сталкивая частицы вместе (как например, в Большом адронном коллайдере) их можно разбить на еще больше частиц, таких как кварки, лептоны и даже антивещество . Проблема состоит лишь в определении того, что же является меньше.

Но на квантовом уровне размер становится несущественным, так как законы физики, к которым мы привыкли, не применимы. Так у некоторых частиц нет массы, у некоторых отрицательная масса. Решение этого вопроса, это все равно, что делить на нуль, то есть невозможно.

Самый маленький гипотетический объект во Вселенной

Учитывая, что было сказано выше о том, что понятие размера является неприменимым на квантовом уровне, можно обратиться к известной в физике теории струн.

Хотя это довольно противоречивая теория, она предполагает, что субатомные частицы состоят из вибрирующих струн , которые взаимодействуют, чтобы создать такие вещи, как масса и энергия. И хотя у таких струн нет физических параметров, склонность человека все обосновывать приводит нас к заключению, что это и есть самые маленькие объекты во Вселенной.

Ответ на непрекращающийся вопрос: какая эволюционировал вместе с человечеством.

Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг нас. Затем был обнаружен атом, и он считался неделимым, пока он не был расщеплен, чтобы выявить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже не оказались самыми маленькими частицами во Вселенной, так как ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.

Пока ученые не смогли увидеть никаких доказательств того, что внутри кварков что-то есть и достигнут самый фундаментальный слой материи или самая маленькая частица во Вселенной.

И даже если кварки и электроны неделимы ученые не знают, являются ли они наименьшими битами материи в существовании или если Вселенная содержит объекты, которые являются еще более мелкими.

Самые мельчайшие частицы Вселенной

Они бывают разных вкусов и размеров, некоторые имеют удивительную связь, другие по существу испаряют друг друга, многие из них имеют фантастические названия: кварки состоящие из барионов и мезонов, нейтроны и протоны, нуклоны, гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и т.д.

Бозон Хиггса, настолько важная для науки частица, что ее называют «частицей Бога». Считается, что она определяет массу всем другим. Элемент был впервые теоретизирован в 1964 году, когда ученые задавались вопросом, почему некоторые частицы более массивны, чем другие.

Бозон Хиггса связан с так называемым полем Хиггса который, как полагают, заполняют Вселенную. Два элемента (квант поля Хиггса и бозон Хиггса), ответственны за то, чтобы дать другим массу. Названа в честь шотландского ученого Питера Хиггса. С помощью 14 марта 2013 г. официально объявлено о подтверждении существования Бозона Хиггса.

Многие ученые утверждают, что механизм Хиггса разрешил недостающую часть головоломки, чтобы завершить существующую «стандартную модель» физики, которая описывает известные частицы.

Бозон Хиггса принципиально определил массу всему, что существует во Вселенной.

Кварки (в переводе бредовые) строительные блоки протонов и нейтронов. Они никогда не одиноки, существуя только в группах. По-видимому, сила, которая связывает кварки вместе, увеличивается с расстоянием, поэтому чем дальше, тем труднее их будет разнять. Поэтому свободные кварки никогда не существуют в природе.

Кварки фундаментальные частицы являются бесструктурными, точечными размером примерно 10 −16 см .

Например, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, причем протоны содержат два одинаковых кварка, в то время как нейтроны имеют два разных.

Суперсимметричность

Известно, что фундаментальные «кирпичики» материи фермионы это кварки и лептоны, а хранители силы бозоны это фотоны, глюоны. Теория суперсимметрии говорит о том, что фермионы и бозоны могут превращаться друг в друга.

Предсказываемая теория утверждает, что для каждой известной нам частицы есть родственная, которую мы еще не обнаружили. Например, для электрона это селекрон, кварка - скварк, фотона –фотино, хиггса - хиггсино.

Почему мы не наблюдаем этой суперсимметрии во Вселенной сейчас? Ученые считают, что они намного тяжелее, чем их обычные родственные частицы и чем тяжелее, тем короче их срок службы. По сути, они начинают разрушаться, как только возникают. Создание суперсимметрии требует весьма большого количества энергии, которая только существовала вскоре после большого взрыва и возможно может быть создана в больших ускорителях как большой адронный коллайдер.

Что касается того, почему симметрия возникла, физики предполагают, что симметрия, возможно, была нарушена в каком-то скрытом секторе Вселенной, который мы не можем видеть или касаться, но можем чувствовать только гравитационно.

Нейтрино

Нейтрино легкие субатомные частицы, которые свистят везде с близкой скоростью света. На самом деле, триллионы нейтрино текут через ваше тело в любой момент, хотя они редко взаимодействуют с нормальной материей.

Некоторые происходят от солнца, в то время как другие от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой Земли и астрономическими источниками, такими как взрывающиеся звезды на Млечном пути и другие далекие галактики.

Антивещество

Считается, что все нормальные частицы имеют антивещества с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Когда материя и встречаются, они уничтожают друг друга. Например, частица антиматерии протона является антипротоном, в то время как партнер антиматерии электрона называется позитроном. Антивещество относится к которые смогли определить люди.

Гравитоны

В области квантовой механики все фундаментальные силы передаются частицами. Например, свет состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами, которые несут электромагнитную силу. Точно также гравитон является теоретической частицей, которая несет в себе силу гравитации. Ученым еще предстоит обнаружить гравитоны, которые сложно найти, потому что они так слабо взаимодействуют с веществом.

Нити энергии

В экспериментах крошечные частицы, такие как кварки и электроны, действуют как одиночные точки материи без пространственного распределения. Но точечные объекты усложняют законы физики. Поскольку нельзя приблизиться бесконечно близко к точке, так как действующие силы, могут стать бесконечно большими.

Идея под названием теория суперструн может решить эту проблему. Теория утверждает, что все частицы, вместо того, чтобы быть точечными, на самом деле являются маленькими нитями энергии. Тоесть все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии.
Ничто не может быть бесконечно близко к нити, потому что одна часть всегда будет немного ближе, чем другая. Эта «лазейка», похоже, решает некоторые из проблем бесконечности, делая идею привлекательной для физиков. Тем не менее, у ученых до сих пор нет экспериментальных доказательств того, что теория струн верна.

Другой способ решения точечной проблемы - сказать, что само пространство не является непрерывным и гладким, а на самом деле состоит из дискретных пикселей или зерен, иногда называемых пространственно-временной структурой. В этом случае две частицы не смогут бесконечно приближаться друг к другу, потому что они всегда должны быть разделены минимальным размером зерна пространства.

Точка черной дыры

Еще одним претендентом на звание самая маленькая частица во Вселенной является сингулярность (единственная точка) в центре черной дыры. Черные дыры образуются, когда вещество конденсируется в достаточно маленьком пространстве, которое захватывает гравитация, заставляя вещество втянуть вовнутрь, в конечном итоге конденсируясь в единую точку бесконечной плотности. По крайней мере по действующим законам физики.

Но большинство экспертов не считают черные дыры действительно бесконечно плотными. Они считают, что эта бесконечность является результатом внутреннего конфликта между двумя действующими теориями - общей теорией относительностью и квантовой механикой. Они предполагают, что когда теория квантовой гравитации может быть сформулирована, истинная природа черных дыр будет раскрыта.

Планковская длина

Нити энергии и даже самая маленькая частица во Вселенной может оказаться размером с «длину планка».

Длина планка составляет 1,6 х 10 -35 метров (число 16 перед которым 34 нуля и десятичная точка) - непонятно малый масштаб, который связан с различными аспектами физики.

Планковская длина – «естественная единица» измерения длины, которая была предложена немецким физиком Максом Планком.

Длина Планка слишком мала для любого инструмента, чтобы измерить, но помимо этого, считается, что она представляет собой теоретический предел кратчайшей измеримой длины. Согласно принципу неопределенности, ни один инструмент никогда не должен быть в состоянии измерить что-либо меньшее, потому что в этом диапазоне Вселенная вероятностная и неопределенная.

Эта шкала также считается разграничительной линией между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Планковская длина соответствует расстоянию, где гравитационное поле настолько сильно, что оно может начать делать черные дыры из энергии поля.

Очевидно сейчас, самая маленькая частица во Вселенной примерно размером с длину планка: 1,6·10 −35 метров

Со школьной скамьи было известно, что самая маленькая частица во Вселенной электрон имеет отрицательный заряд и очень маленькую массу, равную 9,109 х 10 - 31 кг, а классический радиус электрона составляет 2,82 х 10 -15 м.

Однако физики уже оперируют с самыми маленькими частицами во Вселенной планковского размера который равняется примерно 1,6 х 10 −35 метров.

Ответ на непрекращающийся вопрос: какая самая маленькая частица во Вселенной эволюционировал вместе с человечеством.

Пока ученые не смогли увидеть никаких доказательств того, что внутри кварков что-то есть и достигнут самый фундаментальный слой материи или самая маленькая частица во Вселенной.

Самые мельчайшие частицы Вселенной

Бозон Хиггса принципиально определил массу всему, что существует во Вселенной.

Кварки

Кварки фундаментальные частицы являются бесструктурными, точечными размером примерно 10 −16 см .

Суперсимметричность

Предсказываемая теория утверждает, что для каждой известной нам частицы есть родственная, которую мы еще не обнаружили. Например, для электрона это селекрон, кварка — скварк, фотона –фотино, хиггса - хиггсино.

Нейтрино

Антивещество

Считается, что все нормальные частицы имеют антивещества с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Когда материя и встречаются, они уничтожают друг друга. Например, частица антиматерии протона является антипротоном, в то время как партнер антиматерии электрона называется позитроном. Антивещество относится к самым дорогим веществам в мире которые смогли определить люди.

Гравитоны

Нити энергии

Идея под названием теория суперструн может решить эту проблему. Теория утверждает, что все частицы, вместо того, чтобы быть точечными, на самом деле являются маленькими нитями энергии. Тоесть все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. Ничто не может быть бесконечно близко к нити, потому что одна часть всегда будет немного ближе, чем другая. Эта «лазейка», похоже, решает некоторые из проблем бесконечности, делая идею привлекательной для физиков. Тем не менее, у ученых до сих пор нет экспериментальных доказательств того, что теория струн верна.

Другой способ решения точечной проблемы — сказать, что само пространство не является непрерывным и гладким, а на самом деле состоит из дискретных пикселей или зерен, иногда называемых пространственно-временной структурой. В этом случае две частицы не смогут бесконечно приближаться друг к другу, потому что они всегда должны быть разделены минимальным размером зерна пространства.

Точка черной дыры

Но большинство экспертов не считают черные дыры действительно бесконечно плотными. Они считают, что эта бесконечность является результатом внутреннего конфликта между двумя действующими теориями — общей теорией относительностью и квантовой механикой. Они предполагают, что когда теория квантовой гравитации может быть сформулирована, истинная природа черных дыр будет раскрыта.

Планковская длина

Нити энергии и даже самая маленькая частица во Вселенной может оказаться размером с «длину планка».

Очевидно сейчас, самая маленькая частица во Вселенной примерно размером с длину планка: 1,6·10 −35 метров

Выводы

Со школьной скамьи было известно, что самая маленькая частица во Вселенной электрон имеет отрицательный заряд и очень маленькую массу, равную 9,109 х 10 — 31 кг, а классический радиус электрона составляет 2,82 х 10 -15 м.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

Верхний (u);
Очарованный (c);
Истинный (t);
Нижний (d);
Странный (s);
Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

Электрон;
Электронное нейтрино;
Мюон;
Мюонное нейтрино;
Тау-лептон;
Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

Глюон – сильное;
Фотон – электромагнитное;
Z-бозон — слабое;
W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный , частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

Время жизни.
1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9 10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
Масса.
1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
2. Массивные частицы – все остальные.
Значение спина.
1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
2. Частицы с полуцелым спином — фермионы.
Участие во взаимодействиях.
1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.