Згодна з квантавай фізіцы, усё, што ёсць, складаецца з часціц. Матэрыя, святло, рэчы бачныя і нябачныя. Гэта ўсё часціцы, і яны кіруюць працай усяго сусвету. Некаторыя з іх распаўсюджаны і добра вядомыя большасці з нас, напрыклад, электроны. Іншыя крыху больш незвычайныя, напрыклад, кваркі. Але асноўная ідэя любой часціцы заключаецца ў тым, што гэта элементарная рэч, якая складаецца ні з чаго іншага. Вы можаце разбіць атам на пратоны, нейтроны і электроны. Але вы не можаце разбіць часціцу ні на што іншае. Маючы гэта на ўвазе, давайце зірнем на некаторыя з самых дзіўных адкрыццяў, якія навука адкрыла ці, прынамсі, думае, што яны адкрыты.
10. Часціца Бога
Калі навукоўцы называюць нешта часцінкай Бога, яны на самой справе лічаць гэта нечым большым, чым проста вялікім. Дзеля справядлівасці, правільная назва часціцы — базон Хігса, але фізік Леан Ледэрман прыдумаў больш яркую мянушку, таму што прымусіць СМІ клапаціцца пра часціцы не так проста.
Існаванне базона Хігса было пацверджана яшчэ ў 2013 годзе. Тым не менш, гэта было тэарэтызавана яшчэ ў 1960-х гадах, таму паляванне на яго зацягнулася. Стывен Хокінга аднойчы паспрачаўся на 100 даляраў, што яго ніколі не знойдуць, і апёкся. Ён таксама афіцыйна заявіў, што базон Хігса аднойчы знішчыць Сусвет, так што адзначце гэта ў сваіх календарах.
З усім гэтым нарошчваннем вы павінны ўявіць, што базон Хігса даволі дзіўны, і праўда ў тым, што так, базон Хігса выдатны. Аднак для разумення патрабуецца крыху часу, так што давайце паспрабуем.
Базон - гэта фундаментальная часціца. Базоны адказныя за ўсе асноўныя сілы Сусвету, такія рэчы, як электрамагнетызм, слабое і моцнае ядзернае ўзаемадзеянне.
Поле Хігса - гэта энергетычнае поле, якое надае масу іншым часціцам, такім як электроны. Прасцей кажучы, базоны Хігса часткова адказныя за стварэнне масы часціц Сусвету. Сам базон мае вялікую масу, але недаўгавечны, таму яго цяжка знайсці ў прыродзе. Але яго існаванне пацвярджае шматлікае з таго, што мы ведаем пра Стандартную мадэль фізікі, і дапамагае растлумачыць, чаму наогул існуе якая-небудзь часціца. Гэта таксама можа дапамагчы растлумачыць цёмную матэрыю і выявіць яшчэ больш часціц, якіх мы не ведаем ці не разумеем.
Пацешна, Ледэрман тэхнічна не называў гэта часцінкай Бога. Ён назваў гэта чортавай часціцай, таму што быў расчараваны тым, як цяжка яе было выявіць. Яго выдавец змяніў назву.
9. Тэтракварк
Кваркі прасцей за ўсё зразумець як драбнюткія часткі матэрыі. Кавалак жалеза складаецца з атамаў жалеза. Гэтыя атамы складаюцца з такіх рэчаў, як электроны і пратоны. Але калі б вы разабралі нават іх, у вас засталіся б кваркі. У іх ёсць маса і кручэнне, і яны бываюць шасці тыпаў, якія пацешна называюцца «водарамі». Гэтыя водары згрупаваны ў пары, званыя верхнім і ніжнім, верхнім і ніжнім, чароўным і дзіўным. Дзіўна, так? Ну, гэта робіцца больш дзіўным.
У 2021 годзе навукоўцы выявілілітракварк, экзатычны адрон, які складаецца з двух кваркаў і двух антыкваркаў. Да яго адкрыцця гэта лічылася немагчымым. Ідэя аб тым, што часціцы могуць калі-небудзь звязвацца адна з адной, не разглядалася як варыянт, але дадзеныя, атрыманыя на Вялікім адронным калайдэры, даказалі адваротнае.
Адкрыццё тетракварка дасць даследчыкам некалькі новых інструментаў, якія дапамогуць лепш зразумець моцнае ўзаемадзеянне, якое звязвае кваркі разам, утвараючы нейтроны і пратоны.
8. Нейтрына
Калі вы глядзелі якую-небудзь навуковую фантастыку за апошнія некалькі дзесяцігоддзяў, вы чулі, як слова "нейтрына" згадвалася больш за некалькі разоў. Ён папулярны, і, нават калі навука для большасці з нас страчана, ён усё роўна гучыць цікава.
У рэальным жыцці нейтрына маюць значна больш інтэнсіўнае існаванне, чым большасць з нас можа сабе ўявіць. Гэта субатамныя часціцы, народжаныя ў выніку галактычных катаклізмаў, падобна выбуховым зоркам. Яны рухаюцца амаль з хуткасцю святла, і ўдачы ў тым, каб спыніць аднаго з іх, таму што яны могуць прайсці скрозь што-тавары свінцатак жа лёгка, як вы праходзіце праз адчыненыя дзверы.
Маса нейтрына дзіўна малая. Лічбы, якія выкарыстоўваюцца для яго апісання, нічога не значаць, калі ў вас яшчэ няма трывалай базы ў фізіцы. Тым не менш, яны прыкладна ў500 000 разоў меншэлектрона. Але, у адрозненне ад электрона, яны таксама не маюць электрычнага зарада. Такім чынам, без масы і без зараду нейтрына ўвогуле амаль не існуе. Але яны таксама ўсюды. Сонца бамбардзіруе вас прыкладна мільярдам з іх кожную секунду.
Той факт, што нейтрына мае некаторую масу, хоць яна можа быць мікраскапічнай, можа растлумачыць усю масу Сусвету і тое, чаму вакол нас паўсюль матэрыя, а не антыматэрыя.
7. Мюоны
Як і кваркі, мюоны з'яўляюцца аднымі з фундаментальных часціц існавання. Яны падобныя на электроны, але больш і важаць у 207 разоў болын. Яны вельмі недаўгавечныя, распадаючыся на электроны і нейтрына на працягу 2,2 мікрасекунд пасля таго, як яны сфармаваліся. Яны ўтвараюцца, калі касмічныя прамяні сутыкаюцца з часціцамі ў нашай атмасферы, і за гэтыя 2,2 мікрасекунды ім удаецца бамбаваць зямлю і пранікаць прыкладна на мілю пад паверхню дзякуючы таму, што яны рухаюцца амаль з хуткасцю святла.
Даследаванні на Вялікім адронным калайдэры паказалі, што мюоны не заўсёды робяць тое, што, згодна з навукай, яны павінны рабіць. Гаворачы простай мовай,яны пампуюцца. Але яны не павінны. І той факт, што яны вагаюцца, указвае на тое, што там можа быць яшчэ адна часціца, пра якую ніхто нават не меркаваў, што яна ўплывае на тое, як яны функцыянуюць.
6. Кваркі
Мы ўжо згадвалі тэтракварк, таму мае сэнс разбіць яго на просты кварк. Калі вы раскладзеце такія рэчы, як пратоны і нейтроны, вы атрымаеце кваркі і глюоны. Існуе шэсць тыпаў кваркаў, і яны заўсёды існуюць парамі. Насамрэч, навукоўцы ўжо спрабавалі аддзяліць адзін кварк ад яго іншай паловы, і гэта проста не спрацавала. Яны альбо звязаныя, альбо іх увогуле няма.
Тое, як узаемадзейнічаюць кваркі і глюёны, з'яўляецца крыніцай масы ў атамах. У асноўным гэта азначае, што ўся масаматэрыі, як мы разумеем, паходзіць ад кваркаў і глюёнаў. У адрозненне ад большасці часціц, якія апісваюцца як якія маюць дадатны, адмоўны ці нейтральны зарад, кваркі ідуць далей. Яны таксама апісваюцца як якія валодаюць каляровым зарадам, што адносіцца да так званай квантавай хромадынамікі. Гэта ўжывае тэарэтычныя колеры чырвонага, сіняга ці зялёнага (насамрэч яны не з'яўляюцца гэтымі колерамі) для апісання іх унікальных квантавых уласцівасцяў.
5. Гравітоны
Навука прызнае чатыры фундаментальныя сілы, якія дзейнічаюць у Сусвеце. Слабое і моцнае ядзернае ўзаемадзеянне, электрамагнетызм і гравітацыя. З першымі трыма мы больш-менш спраўляемся ў большасці выпадкаў. Гравітацыя, аднак, крыху дзікая карта.
Мы разумеем, як фатоны ўзаемадзейнічаюць з электрамагнетызмам, як кваркі і глюоны ўзаемадзейнічаюць з моцным ядзерным узаемадзеяннем і як базоны ўзаемадзейнічаюць са слабым ядзерным узаемадзеяннем. Чаго мы не ведаем, дык гэта таго, што перадае гравітацыю. Вось тут і з'яўляюцца гравітоны, тэарэтычныя часціцы, якія дазваляюць гравітацыі быць сілай, якая дзейнічае на рэчы ў рэальным свеце. Праблема з гравітонамі ў тым, што мы насамрэч не ведаем, ці існуюць яны. Яны пакуль тэарэтычныя. Навука не можа растлумачыць гравітацыю.
Дзіўна, але хоць мы і не ведаем напэўна аб існаванні гравітонаў, мы ўсё ж шмат чаго пра іх ведаем. Мы ведаем, што іх маса роўна нулю або блізкая да яе, і яны рухаюцца са скорасцю святла. Дык чаму мы не можам іх знайсці?
Гравітацыя - самая слабая з чатырох узаемадзеянняў, таму яе цяжка адсачыць. Было падлічана, што гравітацыйны дэтэктар смасай Юпітэра, размешчаны побач са звышмасіўным аб'ектам, такім як нейтронная зорка, усё роўна будзе мець праблемы з выяўленнем чаго-небудзь.
4. Тахіёны
Дзякуй Star Trek за папулярызацыю тахіёнаў, прынамсі, у некаторых колах. Гэтыя тэарэтычныя часціцы, верагодна, былі б незразумелымі і невядомымі, калі б навуковая фантастыка не ўхапілася за іх з-за іх зусім дзіўнай прыроды. Проста падушыце, што тэхнічна яны не існуюць, але некаторыя фізікі думаюць, што яны існуюць.
Самая вялікая прэтэнзія тахіёна на славу - гэта яго хуткасць. Яны падарожнічаюць хутчэй святла. Гэта само па сабе з'яўляецца прычынай многіх перакананняў, штотахіён не можа існаваць, таму што нішто не рухаецца хутчэй святла. Але тэарэтычная фізіка гатова саступіць месца чаму заўгодна, калі ёсць доказы, дык чаму б і не?
Калі тахіён рухаецца хутчэй святла, то, зыходзячы з таго, што мы ведаем пра час, тахіён можа рухацца назад у часе. Звычайна мы прымаем, што нішто не можа рухацца хутчэй святла, таму што пры гэтым яго маса будзе павялічвацца, як і энергія, неабходная для яго перамяшчэння. На хуткасці святла вы практычна затрымаліся б. Але тахіёны паскараюцца па меры страты энергіі, а гэта значыць, што яны могуць пераадолець гэты бар'ер. Гэта таксама спараджае ўсе тыя часавыя парадоксы, якія мы ведаем з фільмаў. І гэта важкая прычына, па якой іх можа ўвогуле не быць.
Вядома, калі яны існуюць, але рухаюцца з хуткасцю, якая перавышае хуткасць святла, нядзіўна, што нам яшчэ трэба будзе іх выявіць, і, насамрэч, мы можам ніколі іх не выявіць менавіта па гэтай прычыне.
3. Цёмная матэрыя
Вы, мусіць, ужо чулі тэрмін "цёмная матэрыя", але калі вы не ўпэўненыя, што гэта значыць, сардэчна запрашаем у клуб. Навуцы з гэтым таксама нялёгка, але яна адказвае на мноства пытанняў аб тым, як уладкованы Сусвет, так што цяпер гэта свайго роду заглушка для тлумачэння мноства касмічных з'яў.
Тое, як рухаюцца галактыкі, зыходзячы з нашых назіранняў, не мае сэнсу. Галактыкі рухаюцца так, як быццам яны нашмат масіўней, чым здаюцца. Павінна існаваць сакрэтная крыніца масы, якая ўтрымлівае разам любую дадзеную галактыку, і гэтая крыніца - цёмная матэрыя.
Цёмная матэрыя не адлюстроўвае, не паглынае і не выпраменьвае электрамагнетызм, што і дало ёй назву. Ён па сутнасці нябачны, і таму гэта проста тэарэтычна. Але што ён робіць, дык гэта выпраменьвае гравітацыю, і гэта ўтрымлівае сусьвет разам. І гэтага шмат. На самой справе каля 80%ўсяй масы Сусвету.
2. Часціцы
Sparticle - выдатнае слова, якое нагадвае Спартака і часціцы, але толькі палова гэтага слова дакладная. Частка «s» насамрэч азначае «суперсіметрычны». Напрыклад, часціцы - гэтасуперсіметрычныя часціцы, і іх існаванне можа раскрыць таямніцы фізікі, як какосавы арэх.
Які б карыснай ні была стандартная мадэль фізікі элементарных часціц, у ёй, як мы бачылі, шмат прабелаў. Што такое цёмная матэрыя? Як працуе гравітацыя? Што прымушае мюоны вагацца? Ёсць пытанні аб тым, адкуль бярэцца маса і ўсё такое іншае. Ёсць дастаткова пытанняў, якія могуць паставіць пад сумнеў каштоўнасць стандартнай мадэлі або неабходнасць распрацоўкі зусім новай мадэлі. Калі, вядома, вы не зможаце куды-небудзь уціснуць запалкі.
Многія праблемы, з якімі мы сутыкаемся ў фізіцы элементарных часціц, можна растлумачыць з дапамогай тэорыі суперсіметрыі. У адпаведнасці з гэтым кожная часціца павінна мець суперсіметрычнага партнёра. Тэарэтычна гэтыя часціцы-партнёры могуць запоўніць разнастайныя прабелы ў нашым разуменні Сусвету. Яны нават пабудавалі Вялікі адронны калайдэр толькі для таго, каб знайсці гэтыя рэчы. І гэта не спрацавала. Гэта не абавязкова азначае, што тэорыя няслушная, гэта проста азначае, што фізіка складаная, і разуменне асноў рэальнасці патрабуе некаторага часу.
1. Фатоны
Ах, сціплы фатон. Усе ведаюць фатоны. Фатоны складаюць святло, як мы яго разумеем, маленькія часціцы электрамагнітнай энергіі, якія дазваляюць святла функцыянаваць і як часціца, і як хваля. Вядома, фатоны - гэта больш, чым проста святло ад экрана вашага тэлефона, які трапляе ў вашыя вочы, каб вы маглі гэта ўбачыць. Яны таксама з'яўляюцца Wi-Fi, які дае вам доступ да Інтэрнэту, не кажучы ўжо аб радыёхвалях, мікрахвалях, рэнтгенаўскіх прамянях, гама-выпраменьванні і многае іншае.
Усё, што мы бачым, адбываецца таму, што існуюць фатоны, якія дазваляюць нам гэта бачыць. Гэта азначае, што калі мы глядзім на Сусвет і бачым зорку, якая ўзарвалася мільярд гадоў таму, гэтыя фатоны падарожнічалі так доўга, каб патрапіць сюды, што робіць іх сур'ёзнымі працоўнымі конікамі свету часціц.