Из чего состоят мельчайшие частицы

Ответ на непрекращающийся вопрос: какая самая маленькая частица во Вселенной 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

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 адронного коллайдера 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.

Кварки

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 нейтрино 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 антивещество 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

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.

Читайте также:  Программа для создания документа в формате pdf

Планковская длина

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

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

Выводы

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

Состояние отпатрулирована

Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц.

Содержание

Элементарные частицы [ править | править код ]

Элементарная частица — это частица без внутренней структуры, то есть не содержащая других частиц [прим. 1] . Элементарные частицы — фундаментальные объекты квантовой теории поля. Они могут быть классифицированы по спину: фермионы имеют полуцелый спин, а бозоны — целый спин [1] .

Стандартная модель [ править | править код ]

Стандартная модель физики элементарных частиц — теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. Все частицы, предсказываемые Стандартной моделью, за исключением гипотетических, были экспериментально обнаружены. Всего модель описывает 61 частицу [2] .

Фермионы [ править | править код ]

Фермионы имеют полуцелый спин; для всех известных элементарных фермионов он равен ½. Каждый фермион имеет свою собственную античастицу. Фермионы являются базовыми кирпичиками всей материи. Они классифицируются по своему участию в сильном взаимодействии. Согласно Стандартной модели, существует 12 ароматов элементарных фермионов: шесть кварков и шесть лептонов [1] .

  • Кварки имеют цветовой заряд и участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы называются антикварками. Существует шесть ароматов кварков (по 2 в каждом поколении):
Поколение Кварки с зарядом (+2/3)e Кварки с зарядом (−1/3)e
Название/ аромат кварка/ антикварка Символ кварка/ антикварка Масса (МэВ) Название/ аромат кварка/ антикварка Символ кварка/ антикварка Масса (МэВ)
1 u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк u / u ¯ <displaystyle u/,<overline >> от 1,5 до 3 d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк d / d ¯ <displaystyle d/,<overline >> 4,79±0,07
2 c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк c / c ¯ <displaystyle c/,<overline >> 1250 ± 90 s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк s / s ¯ <displaystyle s/,<overline >> 95 ± 25
3 t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк t / t ¯ <displaystyle t/,<overline >> 174 200 ± 3300 [3] b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк b / b ¯ <displaystyle b/,<overline >> 4200 ± 70

У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. В каждом поколении один кварк имеет электрический заряд +2/3 (это u-, c- и t-кварки) и один — заряд −1/3 (d-, s- и b-кварки); у антикварков заряды противоположны по знаку. Кроме сильного и электромагнитного взаимодействия, кварки участвуют в слабом взаимодействии.

  • Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Существуют лептоны шести ароматов:
Поколение Заряженный лептон / античастица Нейтрино / антинейтрино
Название Символ Электрический заряд (e) Масса (МэВ) Название Символ Электрический заряд (e) Масса (МэВ)
1 Электрон / Позитрон e − / e + <displaystyle e^<->,/,e^<+>> −1 / +1 0,511 Электронное нейтрино / Электронное антинейтрино ν e / ν ¯ e <displaystyle
u _,/,<overline <
u >>_
>
[4]
2 Мюон μ − / μ + <displaystyle mu ^<->,/,mu ^<+>> −1 / +1 105,66 Мюонное нейтрино / Мюонное антинейтрино ν μ / ν ¯ μ <displaystyle
u _<mu >,/,<overline <
u >>_<mu >>
[4]
3 Тау-лептон τ − / τ + <displaystyle au ^<->,/, au ^<+>> −1 / +1 1776,99 Тау-нейтрино / тау-антинейтрино ν τ / ν ¯ τ <displaystyle
u _< au >,/,<overline <
u >>_< au >>
[4]

Массы нейтрино не равны нулю (это подтверждается существованием нейтринных осцилляций), но настолько малы, что не были измерены напрямую на 2011 год.

Бозоны [ править | править код ]

Название Заряд (e) Спин Масса (ГэВ) Переносимое взаимодействие
Фотон 1 Электромагнитное взаимодействие
W ± ±1 1 80,4 Слабое взаимодействие
Z 0 1 91,2 Слабое взаимодействие
Глюон 1 Сильное взаимодействие
Бозон Хиггса ≈125 Поле Хиггса

Бозон Хиггса, или хиггсон. В механизме Хиггса Стандартной модели массивный хиггсовский бозон создаётся из-за спонтанного нарушения симметрии поля Хиггса. Присущие элементарным частицам массы (в частности, большие массы W ± — и Z 0 -бозонов) могут быть объяснены их взаимодействиями с этим полем. Многие физики ожидают открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (англ. Large Hadron Collider , LHC ) — ускорителе заряженных частиц, который построен в ЦЕРНе и запущен в сентябре 2008 года. Сведения о нахождении частицы, похожей на бозон Хиггса, уже были обнародованы (источник), однако, в настоящее время идёт проверка данных и определение свойств найденной частицы.

Гипотетические частицы [ править | править код ]

Суперсимметричные теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают существование новых частиц (суперсимметричных партнёров частиц Стандартной модели), но ни одна из них не была экспериментально подтверждена (на июнь 2009 года).

  • Нейтралино (спин — ½) — суперпозициясуперпартнёров нескольких нейтральных частиц Стандартной модели. Это ведущий кандидат на основную составляющую тёмной материи (см. также Вимп). Партнёры заряженных (англ. charged ) бозонов называются чарджино (англ. chargino ).
  • Фотино (спин — ½) — суперпартнёрфотона.
  • Гравитино (спин — ³⁄2) — суперпартнёргравитона в теориях супергравитации.
  • Слептоны и Скварки (спин — 0) — суперсимметричные партнёры фермионов Стандартной модели. С-топ кварк (Stop) (суперпартнёр top-кварка) предположительно должен иметь относительно маленькую массу, в связи с этим его поиски ведутся особо активно.
  • Семейство гейджино, суперпартнёров калибровочных бозонов (глюино — суперпартнёр глюона, ви́но[5] — суперпартнёр W-бозона, бино — суперпартнёр калибровочного бозона, соответствующего слабому гиперзаряду, зино — суперпартнёр Z-бозона).
  • Хиггсино — суперпартнёр бозона Хиггса.

Кроме того, в других моделях вводятся следующие пока не зарегистрированные частицы:

  • Гравитон (спин — 2) предложен как переносчик гравитации в теориях квантовой гравитации.
  • Дилатон (гравискаляр) (спин — 0) и гравифотон (спин — 1).
  • Инфлатон и курватон — частицы, участвовавшие в процессе инфляции Вселенной.
  • Аксион (спин — 0) — псевдоскалярная частица, введённая в теории Печчеи — Квинн, чтобы решить CP-проблему сильного взаимодействия.
  • Аксино (спин — ½) — суперпартнёр аксиона.
  • Саксион (спин — 0, скаляр, R-чётность = 1) и аксино (спин — 1/2, R-чётность = −1) формируют вместе с аксионом супермультиплет в суперсимметричных вариантах теории Печчеи — Квинн.
  • X-бозон и Y-бозон предсказываются теориями Великого объединения как более тяжёлые эквиваленты W- и Z-бозонов.
  • Магнитный фотон.
  • Майорон введён, чтобы объяснить массы нейтрино при помощи механизма see-saw.
  • Зеркальные частицы предсказаны теориями, восстанавливающими симметрию чётности.
  • Стерильное нейтрино вводится во многих вариантах Стандартной модели и может пригодиться для объяснения результатов LSND (ускорительного эксперимента по изучению нейтринных осцилляций).
  • Магнитный монополь — общее название для частиц с ненулевым магнитным зарядом. Они предсказываются некоторыми теориями Великого объединения.
  • Преон[6] был предложен как подструктура для кварков и лептонов, но современные эксперименты на коллайдерах не подтверждают его существование.
  • Арион[7] , [8] — строго безмассовый гоолдстоуновский бозон, связанный со спонтанным нарушением точной киральной симметрии.
  • Архион[9] — голдстоуновский бозон, соединяющий свойства аксиона, фамилона и майорона
  • Фамилон — голдстоуновский (или псевдоголдстоуновский) бозон, возникающий при спонтанном нарушении дополнительной симметрии между поколениями фермионов [10] , [11]
Читайте также:  Что такое групповая политика в windows 10

См. также техницвет (техникварки, технилептоны, техниадроны) [12] .

Составные частицы [ править | править код ]

Адроны [ править | править код ]

Адроны определяются как сильно взаимодействующие составные частицы. Адроны состоят из кварков и делятся на 2 категории:

  • барионы, которые состоят из 3 кварков 3 цветов и образуют бесцветную комбинацию;
  • мезоны, которые состоят из 2 кварков (точнее 1 кварка и 1 антикварка).

Кварковые модели, впервые предложенные в 1964 году независимо Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом (который назвал кварки «тузами»), описывают известные адроны как составленные из свободных (валентных) кварков и/или антикварков, крепко связанных сильным взаимодействием, которое переносится глюонами. В каждом адроне также содержится «море» виртуальных кварк-антикварковых пар.

Барионы (фермионы) [ править | править код ]

Обычные барионы (фермионы) содержат каждый три валентных кварка или три валентных антикварка.

  • Нуклоны — фермионные составляющие обычного атомного ядра:
  • протоны;
  • нейтроны.
  • Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Хотя обычно в атомном ядре гиперонов нет (в нём содержится лишь примесь виртуальных гиперонов), существуют связанные системы одного или более гиперонов с нуклонами, называемые гиперядрами.
  • Также были обнаружены очарованные и прелестные барионы.
    • Пентакварки состоят из пяти валентных кварков (точнее, четырёх кварков и одного антикварка).

    Недавно были найдены признаки существования экзотических барионов, содержащих пять валентных кварков; однако были сообщения и об отрицательных результатах. Вопрос их существования остаётся открытым.

    Мезоны (бозоны) [ править | править код ]

    Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. В их число входят пион, каон, J/ψ-мезон и многие другие типы мезонов. В моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.

    Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):

    • Тетракварки состоят из двух валентных кварков и двух валентных антикварков.
    • Глюболы — связанные состояния глюонов без валентных кварков.
    • Гибриды состоят из одной или более кварк-антикварковых пар и одного или более реальных глюонов.

    Мезоны с нулевым спином формируют нонет.

    Атомные ядра [ править | править код ]

    Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием. Каждый тип ядра содержит строго определённое число протонов и строго определённое число нейтронов и называется нуклидом или изотопом. В настоящее время известно более 3000 нуклидов, из которых в природе встречается лишь около 300 (см. таблицу нуклидов). Ядерные реакции и радиоактивный распад могут превращать один нуклид в другой.

    Некоторые ядра имеют собственные названия. Кроме протона (см. выше), собственными названиями обладают:

    Атомы [ править | править код ]

    Атомы — самые маленькие частицы, на которые материя может быть разделена с помощью химических реакций. Атом состоит из маленького тяжёлого положительно заряженного ядра, окружённого относительно большим лёгким облаком электронов. Каждый тип атома соответствует определённому химическому элементу, 118 из которых имеют официальное название (см. Периодическую систему элементов).

    Существуют также короткоживущие экзотические атомы, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом). Химические свойства атома определяются количеством электронов в нём, которое, в свою очередь, зависит от заряда его ядра. Все нейтральные атомы с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым количеством протонов в ядре) химически идентичны и представляют один и тот же химический элемент, хотя их масса может отличаться из-за различного количества нейтронов в ядре (такие атомы с различным числом нейтронов в ядре представляют различные изотопы одного элемента). В нейтральных атомах число электронов равно числу протонов в ядре. Атомы, лишённые одного или нескольких электронов (ионизованные), называются положительными ионами (катионами); атомы с лишними электронами называются отрицательными ионами (анионами).

    Молекулы [ править | править код ]

    Молекулы — самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства. Каждый тип молекулы соответствует химическому соединению. Молекулы состоят из двух или более атомов, поэтому они являются нейтральными частицами. Также существуют молекулярные ионы.

    Квазичастицы [ править | править код ]

    В их число входят:

    • Фононы[13] — колебательные моды в кристаллической решётке.
    • Экситоны[14] — связанные состояния электрона и дырки.
    • Трионы[15] — связанные состояния двух электронов и дырки, либо двух дырок и электрона.
    • Плазмоны[16] — когерентные возбуждения плазмы.
    • Дроплетоны[17] — квазичастица, представляющая собой совокупность электронов и дырок внутри полупроводника.
    • Поляритоны[18] — смеси фотонов с другими квазичастицами.
    • Поляроны[19] — двигающиеся заряженные (квази-)частицы, окружённые ионами в веществе.
    • Магноны[20] — когерентные возбуждения электронных спинов в веществе.
    • Ротоны[21] — вращательные состояния в вырожденных средах (например, в жидком гелии).
    • Примесоны[16] — поведение примесного атома в квантовых кристаллах.
    • Дефектоны[22] — характеризует поведение дефектов в квантовых кристаллах.
    • Дырка[23] — носитель положительного заряда, равного элементарному заряду в полупроводниках.
    • Биротоны[21] .
    • Биэкситоны[24] — связаное состояние двух экситонов. Представляют собой, фактически, экситонные молекулы.
    • Орбитоны — являющиеся элементарными квантами орбитальной волны в твёрдом теле.
    • Фазоны[25] — флуктуоны, сопровождающиеся изменением фазы.
    • Флуктуоны[26] — квазичастицы, наблюдающиеся в неупорядоченных сплавах и подобных им системах.
    • Холоны[27] .
    • Спиноны[27] .

    Из чего состоит Вселенная на самом базовом, фундаментальном уровне? Существует ли мельчайший из возможных кирпичик или набор кирпичиков, из которых можно построить буквально все в нашей Вселенной и которые нельзя разделить на что-то еще меньшее? На этот вопрос у науки есть много интересных ответов, впрочем, которые нельзя назвать финальными и окончательными. Потому что в физике всегда есть место для неопределенности, особенно когда речь заходит о том, что мы найдем в будущем.

    Если бы вы хотели узнать, из чего состоит Вселенная, с чего бы вы начали? Тысячи лет назад воображение и логика были лучшими инструментами, доступными человеку. Мы знали о материи, но понятия не имели, из чего она состоит. Предполагалось, что существует несколько фундаментальных ингредиентов, которые можно совмещать и объединять — разными способами, в разных условиях — чтобы создать все сущее.

    Мы могли экспериментально продемонстрировать, что материя, будь она твердая, жидкая или газообразная, занимает пространство. Мы могли показать, что она обладает массой. Мы могли объединить ее в большие количества или разбить на более мелкие. Но разбить материю и получить доступ к мельчайшим компонентам, которые покажут, насколько «фундаментальной» она может быть, это уже немного другое. Этого мы не могли.

    Читайте также:  Panasonic iptv apps developers ajax ce

    Некоторые считали, что материя может состоять из разных элементов, таких как огонь, земля, воздух и вода. Другие считали, что существует лишь один фундаментальный компонент реальности — монада — из которой все остальное получается и собирается. Другие же, такие как пифагорейцы, полагали, что должна существовать геометрическая математическая структура, устанавливающая правила для реальности, а сборка этих структур привела к появлению известной нам Вселенной.

    Идея того, что истинно фундаментальная частица действительно существует, впрочем, восходит к Демокриту Абдерскому, который жил 2400 лет назад. Хотя это была всего лишь идея, Демокрит считал, что вся материя состоит из неделимых частиц, которые он назвал атомами («ἄτομος» по-гречески означает «неделимый»). Атомы, по его мнению, объединяются на фоне пустого пространства. Хотя его идеи содержали много других странных деталей, понятие фундаментальных частиц закрепилось и осталось.

    Возьмите любой кусочек материи, который хотите, и попробуйте его разрезать. Затем разбейте его еще на меньшие части. Каждый раз, когда вам это удается, разбивайте и разбивайте, пока сама идея разрезания не потеряет смысл: следующий слой будет толще вашего «ножа». Макроскопические объекты становятся микроскопическими; сложные соединения становятся простыми молекулами; молекулы становятся атомами; атомы становятся электронами и атомными ядрами; атомные ядра становятся протонами и нейтронами, которые и сами делятся на кварки и глюоны.

    На самом меньшем из возможных уровней мы можем свести все, что знаем, к фундаментальным, неделимым, подобным частицам объектам: кваркам, лептонам и бозонам Стандартной модели.

    Что касается физических величин, они определяются правилами квантовой физики. Каждый квант во Вселенной — структура с ненулевой энергией — может быть описан как содержащий определенное количество энергии. Поскольку все, что существует, можно описать как в виде частицы, так и в виде волны, вы можете установить ограничения и пределы на физические размеры для любых таких квантов.

    В то время как молекулы могут прекрасно описывать реальность на нанометровом уровне (10 -9 метра), а атомы прекрасно описывают реальность в масштабах Ангстрема (10 -10 метра), атомные ядра еще меньше, и отдельные протоны и нейтроны уходят в масштабы до фемтометра (10 -15 ) метра. Частицы Стандартной модели и того меньше. На энергиях, которые мы смогли опробовать, мы можем с уверенностью сказать, что все известные частицы являются точечными и структурно-свободными до 10 -19 метров.

    Лучшие из наших экспериментальных знаний позволяют нам назвать эти частицы фундаментальными по своей природе. Частицы и античастицы, а также бозоны Стандартной модели являются фундаментальными с экспериментальной и теоретической точек зрения. И чем выше энергии частиц, тем острее проявляется структура реальности.

    Большой адронный коллайдер позволяет нам ограничить масштабы фундаментальных частиц таким образом, но коллайдеры будущего или чрезвычайно чувствительные эксперименты с космическими лучами могли бы продвинуть нас на много порядков дальше: до 10 -21 или даже до 10 -26 для самых экстремальных энергетически космических лучей.

    Большой адронный коллайдер — это, конечно, фундаментальное сооружение.

    При всем этом, эти идеи накладывают ограничения только на то, что мы знаем и можем утверждать. Из них следует, что если мы сталкиваем частицу (или античастицу, или фотон) с некоторым количеством энергии с другой частицей в состоянии покоя, то пораженная частица будет вести себя в фундаментально точечной манере в пределах наших экспериментов, детекторов и достижимых энергий. Эти эксперименты устанавливают эмпирический предел того, насколько большими могут быть мыслимые фундаментальные частицы, и коллективно называются экспериментами по глубокому неупругому рассеянию.

    Значит ли это, что эти частицы действительно фундаментальны? Вовсе нет. Они могут быть:

    • и далее делимы, то есть их можно разбить на компоненты поменьше;
    • резонансом друг друга, когда более тяжелые «кузены» легких частиц представляют возбужденное состояние или составные версии легких;
    • вовсе не частицами, а скорее частицами на вид с более глубокой нижележащей структурой.

    Эти идеи изобилуют сценариями вроде техниколора (и эти сценарии были ограничены после обнаружения бозона Хиггса, однако не исключены), но наиболее заметно представлены в теории струн.

    Нет никакого непреложного закона, требующего, чтобы все было сделано из частиц. Реальность на основе частиц — это теоретическая идея, которая поддерживается и согласуется с экспериментами, но наши эксперименты ограничены в энергии и той информации, которую могут рассказать нам о фундаментальной реальности. В сценарии вроде теории струн все так называемые «фундаментальные частиц» могут быть не более чем струной, вибрирующей или вращающейся с определенной частотой, обладающей открытой (с двумя не связанными концами) природой или закрытой (когда два конца связаны). Струны могут расщепляться, образуя два кванта там, где до этого был один, либо соединяться, создавая один квант из двух ранее существующих.

    На фундаментальном уровне нет никакого требования, чтобы компоненты нашей Вселенной были нуль-мерными точечными частицами.

    Существует множество сценариев, в которых неразгаданные тайны нашей Вселенной, такие как темная материя и темная энергия, вообще не состоят из частиц, а скорее из жидкости или представлены свойством пространства. Природа пространства-времени сама по себе неизвестна; оно может быть фундаментально квантовым или неквантовым по природе, может быть дискретным или непрерывным.

    Частицы, известные нам сейчас, которые мы считаем фундаментальными, могут иметь либо конечный, ненулевой размер в одном или более измерений, либо они могут быть истинно точечными, потенциально вплоть до длины Планка или даже меньше.

    Самое важное, что нужно понимать, это то, что все, что мы знаем в науке, это условности. В том числе фундаментальность частиц. Нет ничего, что было бы незыблемо или неизменно. Все наши научные знания — это лишь самое лучшее приближение к реальности, которое нам удалось построить к настоящему времени. Теории, которые наилучшим образом описывают нашу Вселенную, могут объяснить все наблюдаемые явления, создавать новые, мощные, проверяемые предсказания и не имеют альтернатив.

    Но это не значит, что правильны в любом абсолютном смысле. Наука всегда стремится собирать больше данных, изучать новую территорию и сценарии и пересматривать себя, если возникнет конфликт. Частицы, известные нам, выглядят фундаментальными сегодня, но это не гарантирует, что природа будет продолжать указывать на существование более фундаментальных частиц, если мы продолжит погружение в суть этих частиц.

    Как думаете, существуют ли более фундаментальные частицы? Расскажите в нашем чате в Телеграме.