Материя. Часть I⁠⁠

Мы снова приветствуем всех любознательных гуманитариев в нашей скромной теме экстремального ликбеза. Последние посты и их обсуждение показали, что российская наука совсем не испытывает голода в кадрах. То ли еще будет после наших познавательных тем, восполняющих у населения пробелы научной картины мира.

Сегодня мы решили напомнить научному сообществу этих ваших интернетов о том, что современная наука знает о материи.

Итак, начнем с того, что все знают. Окружающий нас мир состоит из атомов. Понятные повседневному опыту материальные объекты, видимые даже в микроскоп (правда, электронный). Одно время считалось, что атомы это мельчайшая неделимая частица. Причем, идею выдвинули аж древние греки, но потом с приходом римлян, а следом и христиан, как-то стало не до вопросов о составе материи. И только в 1789 году некий Антуан Лавуазье вернулся к крамольным мыслишкам об атомах.

На картинке фотография атомов кремния, сделанная с помощью сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа (не понимаем, почему такого приложения всё еще нет в наших смартфонах!!!!)

Мир был бы прост и замечателен, если бы атом был мельчайшей деталькой всего сущего. Но в 1897 году Томсон все испортил, когда с помощью хитрого опыта открыл электрон, и решил, что атом – это смесь отрицательно и положительно заряженных частиц (он называл его ласково булкой с изюмом).

Но предположение Томсона долго не прожило, потому что в 1909 году Эрнесту Резерфорду вздумалось пострелять альфа-частицами по тяжелым атомам (а точнее по кусочку тоненькой золотой фольги).

Внезапно некоторые альфа-частицы не проходили сквозь фольгу, а иногда отскакивали от нее. Резерфорд обнаружил, что в центре атома есть что-то такое крупное, что отбивает альфа-частицы.

Да, для справки, альфа-частицы возникают при радиации и представляют собой два нейтрона и два протона (они же ядро атома гелия). Они являются наиболее безопасным излучением при радиации (относительно, конечно, радиация в принципе не безопасна).

Итак, научному миру открылась ужасающая картина. Атом представляет собой ядро, вокруг которого вроде как по некоторым орбитам-траекториям летают электроны.

Давайте осознаем масштабы бедствия. Размер ядра атома таков, что если расстояния в атоме перенести на макрообъекты, то атом, будет, скажем, с земной шар, а ядро атома – ваш домик в деревне. Представьте, сколько пустоты внутри атома и ужаснитесь.

Еще один факт: масса ядра составляет более 99.9% массы атома. То есть электроны почти ничего не весят. В человеке весом около 68 кг масса всех его триллионов электронов составит всего 14 граммов.

Так что, когда художники вот так рисуют атом, то они заблуждаются в размерах более чем полностью.

Как только ученые открыли все эти орбиты и ядра, прогрессивная общественность сразу решила, что атом похож на Вселенную с ее солнечными системами. Мол, ядро это Солнце, а электроны - это планеты, которые вращаются вокруг "солнца". Один японец даже попытался рассчитать, как это должно было бы выглядеть по аналогии с кольцами Сатурна.

Но, во-первых, электроны вращались вокруг ядра не из-за гравитационных сил (а вследствие другого вида взаимодействия – электромагнитного). Во-вторых, электроны почему-то не теряли энергию и не падали на ядро. В-третьих, как потом оказалось, электроны вообще и не частицы как таковые (квантовая физика).

В общем, планетарная модель атома провалилась. Но до сих пор, спустя более чем сто лет, находятся отнюдь не домохозяйки, задающие осточертевший все физикам вопрос, а что если атомы это маленькие вселенные и продающие затем уникальные нанопродукты для лечения геммороя...

Теперь мы немного расскажем про электрон (хотя о нем можно рассказывать ооочень долго).

На сегодняшний день выясняется, что электрон – неделимая частица. Всё! - разбить его не на что!

Поэтому электрон относят к лептонам. Это такой класс неделимых частиц (в него кроме электрона входят еще мюоны и нейтрино, первые из которых не стабильны и живут миллионные доли секунды и фиг знает, зачем они вообще нужны этой Вселенной).

Электрон имеет отрицательный заряд, имеет очень маленькую массу по сравнению с атомом, и количество электронов в атоме определяет химические свойства вещества. И да, он ответственен за существование электрического тока.

Некоторое время считалось, что электроны в атоме летают по разным орбитам, удаленным от ядра на разные расстояния.

И все было бы прекрасно, если бы в начале XX века некоторые особо упорные физики, которым не нравилась пара несущественных проблем, связанных с классической картиной устройства атома, не решили бы докопаться до сущности этих проблем. И они дооткрывались до того, что все стало еще хуже. Собственно, так появилась квантовая физика.

Во-первых, оказалось, что электрон летает по определенным траекториям (вернее, по орбиталям, но что это такое мы тут не будем рассказывать). И переходит с одного уровня на другой при помощи телепортации. То есть представьте, летает спутник вокруг нашей планеты на высоте 36 тыс километров. Потом, раз, и он уже на высоте 38 тыс. км без всякого видимого перемещения. Такого в нашем мире быть не может, а в мире квантовых явлений – запросто. Тем, кто читал нашу статью "Что такое кванты" поймут немного больше.

Электрон при переходе на другую орбиту теряет или поглощает квант энергии, на меньшее расстояние он передвинутсья не способен, так как квант - мельчайший "кусочек" затраченной энергии. Но это еще не всё!

Во-вторых, выяснилось, что электрон даже и не частица, а волна. И вообще он не летает вокруг ядра, а находится в каждой точке орбитали одновременно, если за ним не наблюдать. В суровой реальности он скорее похож на облачко вокруг ядра атома с формой этой самой орбитали. И как только начинаешь опытным путем выяснять, где он находится, то он внезапно из волны превращается в частицу, типа, хеллоу ворлд.

Если опять проводить грубую аналогию со спутником, то представьте, что враги запустили спутник и вы никакими расчетами не можете обнаружить, над какой точкой планеты он сейчас летает. Вернее, вы считаете по классическим формулам, но там спутника почему-то нет. А какой-то сумасшедший гений показывает вам формулы и говорит, что на самом деле спутник находится в каждой точке на орбите. Однако только по этим специальным формулам можно рассчитать места, где спутник окажется с наибольшей вероятностью (большего не просите), и пальнуть туда из пушки. Глупость какая-то, скажете вы. В нашем мире – да, а в квантовом – обычное дело. (о квантовой физике мы напишем в отдельном цикле статей).

Но мы увлеклись квантовыми парадоксами. Оставим электрон "в покое" и вернемся к материи. У нас еще ядро атома не разобрано.

Если присмотреться к ядру атома пристальнее (этим занимается у нас ядерная физика), то мы увидим, что ядро состоит из двух типов деталек. Протонов и нейтронов. Обе частицы тяжелые, но нейтрон чуть-чуть тяжелее.

Протон имеет положительный заряд и вместе с отрицательным зарядом электрона делает атом электрически нейтральным (если же электронов в атоме меньше, чем положено, то атом приобретает заряд и его все называют ионом).

Нейтрон не имеет заряда и вне ядра атома живет очень не долго, минут десять, примерно, а потом взрывается: разваливается на протон, электрон и электронное нейтрино. При этом ошибочно считать, что нейтрон состоит из этих частей. Он просто на них разваливается. Кстати, по закону сохранения энергии.

Вообще, если хорошенечко разогнать протон и столкнуть его с другим протоном, то столкнувшиеся частицы разобьются на кучу разных частиц, которые живут, как правило, миллионные доли секунды, а то и меньше. Причем виды частиц, на которые развалится протон, зависят от энергии столкновения.

А осколки в свою очередь через некоторое время еще на что-нибудь развалятся. Всяких разных частиц на сегодняшний день открыто более 350 штук.

Названия у них одно непонятнее другого, например: мезоны, пионы, каоны, позитроны, мюоны, тау-лептоны, а также античастицы с таким же названием, но приставкой "анти-" и т.д.

Античастицы имеют ту же массу, что и обычные частицы (и тот же спин – не спрашивайте, что это такое), но другие противоположные характеристики, вроде заряда или квантовых чисел).

Собственно, в этих ваших коллайдерах занимаются краш-тестами частиц. Разгоняют те же протоны (их удобнее всего гонять, благодаря большой массе) и сталкивают, а потом смотрят следы, которые оставили осколки. По этим следам (длина пути, траектория следа, угол отклонения и т.п.) вычисляют массу открытой частицы, ее заряд и прочие данные.

Фото сделано где-то в недрах коллайдера.

Как мы уже сказали, тот факт, что протоны и нейтроны разваливаются на кусочки еще на значит, что они из них состоят.

Долго время считалось, что протоны и нейтроны это цельные частицы. Но в 70-х годах ученые повторили опыт, чем-то похожий на опыт Резерфорда, но вместо атома мишенью были протоны, а вместо альфа-частиц пулями служили электроны.

И выяснилось, что рассеивание электронов на протонах и нейтронах немного не такое, как ожидалось. Это и еще ряд трудно объяснимых явлений дало повод ученым заявить, что ядерные частицы состоят из чего-то еще.

Этому "чему-то еще" дали название "кварки". Поясню еще раз: никто этих кварков пока еще не видел и не регистрировал, но косвенные эксперименты, а самое главное, расчеты, показывают, что протоны и нейтроны состоят из кварков Причем каждая частица состоит сразу из нескольких кварков, которые взаимосвязаны между собой и соответственно существуют только группами (ученые называют это явление - конфайнмент). Одиночный свобоный кварк, в принципе, не может существовать вне частицы. Из кварков состоят и другие частицы материи (кроме лептонов). Всего ученые открыли (или, можно сказать, навычисляли) 6 видов кварков, соотнесенные к трем поколениям. Хитроумных названий этим кваркам придумать не смогли, поэтому кто-то прикололся и назвал кварки вот так:

Так получается, что все составные частицы в нашем мире это комбинации кварков. Можно спросить, но почему ученые, не видя этих кварков, считают их реальными фундаментальными частицами?

Во-первых, если предположить, что кварки существуют, то все многообразие частиц хорошо классифицируется и укладывается в так называемую Стандартную модель, которая много чего объясняет. А это научненько!

Во-вторых, на основе комбинаций кварков можно предсказать, какие частицы еще не открыты. И действительно, ожидаемые частицы рано или поздно находятся, причем с предсказанными параметрами.

В-третьих, экспериментально удавалось "вырвать" кварк из протона, но получался не сам кварк, а некий очень интересный эффект, предсказанный теорией и названный струей.

Причин считать кварки реальными гораздо больше, но они сложноваты для нашего праздного объяснения, и мы их оставим читателям для самостоятельного изучения. Ну, и самый главный аргумент, которым всегда руководствуется наука: на сегодняшний день более удачно объяснить строение материи нечем.

На картинке схемы частиц, сложенных из кварков.

Ну и наконец, предел физики материи.

Стандартная модель  имеет несколько темных мест, которые не объяснишь тем, что кварки и лептоны это окончательная форма материи, меньше которой ничего нет.

Поэтому физики с наиболее развитой фантазией пытаются предугадать еще более мелкие частички материи. Именно что предугадать и математически рассчитать их поведение.

На сегодняшний день есть несколько более менее перспективных теорий, которые делят материю дальше.

Самая известная – это теория струн (и ее развитие в теории суперструн и М-теории) . Некоторые чудеса материи неплохо объясняются, если представить, что все, что нас окружает, на самом микроскопическом уровне представляет собой одномерную струну, которая колеблется в девятимерном пространстве. И частота колебания струны и определяет свойства каждой фундаментальной частицы – кварка или лептона. Звучит очень божесссно... :)))) Представьте великую вселенскую скрипку - она сыграла ноту "Ля" и рррраз - в мире появились электроны, вмазала "До" - сыпятся протоны, или, например, зазвенела "Си-бемоль" - и вселенная обогатилась нейтрино....

Доказать наличие струн на сегодняшний день невозможно, да и теоретические расчеты настолько сложны (все-таки девятимерные пространства, включая время), что столько математики осилит не каждый мегамозг. В теории суперструн количество измерений доведено до 10, а в М-теории предполагается, что колеблется не струна, а двухмерная пленочка (брана, как ее называют физики-теоретики). К тому же теория струн на сегодняшний испытывает тяжелые времена.

На этом краткий экскурс в материю у нас заканчивается. Можете бить за неточность изложения и обещать открыть глаза на правильную физику. Мы с интересом будем следить за дискуссией, если таковая случится.

Вы, наверное, заметили, что тема названа "Часть 1". Дело в том, что разглядывая материю, мы рассмотрели только ту ее часть, которая, скажем так, вещественна. А есть еще одна форма материи, которую пощупать нельзя. Это то, что мы называем полем или энергией (да-да, те самые фотоны, гравитоны и бозоны Хиггса). Об этом мы попробуем рассказать во второй части.

И да: все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.

Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете...