Квантовая механика диктует свойства субатомных частиц, которые ведут себя совершенно иначе, чем крупные объекты, которые мы можем видеть. В результате их поведение может быть контринтуитивным, поскольку наше зрение не способно разглядеть эти частицы. В квантовом мире частицы могут появляться и исчезать и, следовательно, проникать сквозь барьеры так, как не могут большие объекты. Стандартная модель направляет наше понимание этой сферы. Эта модель предсказывает десятки квантовых частиц и конфигураций — субатомные джунгли.
Этот пост не будет исчерпывающим описанием этой модели, поскольку для этого потребуется курс современной физики, но он поможет расширить границы ваших знаний за пределы простой атомной модели.
Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И протоны, и нейтроны состоят из кварков, которые имеют заряд, состоящий из третей. Восходящие кварки имеют заряд 2/3, а нисходящие — 1/3. Для создания протона или нейтрона требуется три кварка.
- В случае протона есть два восходящих кварка и один нисходящий кварк (заряд 2/3 + 2/3 — 1/3 = 1).
- Нейтрон состоит из одного восходящего кварка и двух нисходящих кварков (заряд равен 2/3 — 1/3 — 1/3 = 0). Помимо разницы в заряде, между протонами и нейтронами существует небольшая разница в массе.
Нейтроны немного массивнее протонов. Если нейтрон находится в ядре, то он стабилен. Если он является свободно плавающей частицей, то нейтрон в конечном итоге распадается на протон. Во время этого процесса, известного как бета-распад, высвобождается электрон и антинейтрино. Бета-распад часто происходит в ядерных реакторах.
Антинейтрино — это антивещественная версия нейтрино.
Ни антинейтрино, ни нейтрино не имеют электрического заряда, а их масса близка к нулю. Нейтрино образуются в процессе ядерного синтеза звезд, включая Солнце. Фактически, каждую секунду через ваше тело проходят десятки миллиардов нейтрино. Эти частицы очень слабо взаимодействуют с веществом, и для их обнаружения требуются очень сложные приборы.
Для того чтобы фотон света, созданный в ядре Солнца, достиг поверхности Солнца и начал свое путешествие в космосе, может потребоваться много тысяч, а по некоторым оценкам, миллионы лет. Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, им требуется всего несколько секунд, чтобы достичь солнечной поверхности. Таким образом, изучение солнечных нейтрино может дать подсказки о текущем состоянии солнечного ядра. Конечно, это же свойство делает обнаружение нейтрино очень сложным и требует специализированных приборов. Одним из таких приборов является SNOLAB. Детекторы расположены на глубине 2 000 метров от поверхности, чтобы защитить их от шума космических лучей. Это похоже на размещение телескопа в темном месте для предотвращения шума от света, создаваемого человеком. Нейтрино также могут дать возможность раннего обнаружения сверхновых.
Поскольку сверхновая испускает нейтрино раньше, чем свет, обнаружение этих нейтрино может предупредить астрономов о необходимости повернуть телескопы для наблюдения за моментом испускания света от этих событий.
Как и нейтрино, электроны являются фундаментальной частицей. В отличие от нейтрино, электроны имеют отрицательный заряд. В нейтральных атомах отрицательный заряд электронов компенсирует положительный заряд равного количества протонов. В школе нас учат модели, согласно которой электроны — это точечные частицы, вращающиеся вокруг ядра. Это упрощенная модель, с которой учащиеся начинают понимать атом, и у них сложилось неверное представление о том, что электроны похожи на миниатюрные планеты, вращающиеся вокруг Солнца.
Реальность сложнее. Электроны размазаны в облако, окружающее ядро.
Это облако представляет собой кривую вероятности, в которой электрон существует во всех своих возможных состояниях. Странно? Добро пожаловать в квантовый мир😁
Как бы это отразилось на видимом нами крупномасштабном мире? Представьте себе игральную кость в коробке. Встряхните коробку, какой номер кубика окажется вверху? В квантовом мире все шесть конфигураций одновременно существуют в коробке. То есть до тех пор, пока вы не откроете коробку и кривая вероятности не рухнет до наблюдаемой конфигурации.
Атом гелия с 2 протонами и 2 нейтронами в ядре(на фото выше). 2 электрона размазаны по окружающему орбитальному облаку. Чем темнее область, тем выше вероятность того, что электрон находится в этой области. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что чем больше мы знаем о положении квантовой частицы, тем меньше мы знаем о ее импульсе (и скорости). Кроме того, чем больше мы знаем об импульсе квантовой частицы, тем больше неопределенность относительно ее положения.
Таким образом, атом не является в основном пустым пространством, как нас учили в школе.
Нильс Бор видел это именно так, и это объяснение называют копенгагенской интерпретацией. Для некоторых это объяснение было неудовлетворительным и привело к появлению кота Шредингера. Эрвин Шредингер предложил мысленный эксперимент, в котором кошка помещалась в коробку с капсулой цианида, которая срабатывала, когда счетчик Гейгера обнаруживал радиоактивный распад. Вероятность того, что распад произойдет, составляла 50%. Таким образом, в квантовом мире атом существует в двух состояниях — в одном он распался и выпустил радиоактивность, а в другом — нет. Но как насчет кошки?
Может ли она тоже существовать в двух состояниях — мертвом и живом? Не волнуйтесь, никто не пытался провести этот эксперимент. Это был способ Шредингера указать на несоответствия между квантовой механикой атома и законом относительности, который управляет поведением больших объектов. Другие, такие как Хью Эверетт III, искали другое объяснение.
В своей докторской диссертации 1957 года Эверетт утверждал, что Вселенная раскалывается при каждом возможном действии. Так, в примере с игральными костями, когда вы встряхиваете коробку, вселенная распадается на шесть различных вселенных. В каждой вселенной кубики с разным номером лежат лицевой стороной вверх. Это устраняет необходимость в наблюдателе для схлопывания волны вероятности. Это увлекательное предложение, поскольку оно означает существование отдельных вселенных для каждого варианта действий, которые вы могли бы предпринять в своей жизни.
Хотя многие физики с большим энтузиазмом относятся к работе Эверетта, они еще не придумали способа проверить ее экспериментально, поскольку мы не можем наблюдать другие вселенные.
Пока такой способ не будет найден, мы должны рассматривать его как очень интересную гипотезу. То же самое нельзя сказать о бозоне Хиггса.
В отличие от вышеперечисленных частиц, составляющих материю, бозоны передают основные силы природы.
Этих сил четыре: электромагнетизм, слабые ядерные, сильные ядерные и гравитация.
Фотоны — это частицы света, которые передают электромагнитную силу. W- и Z-бозоны передают слабую ядерную силу, которая вызывает радиоактивный распад. Глюоны передают сильную ядерную силу, которая связывает атомные ядра вместе. Именно эта сила высвобождается в ядерном оружии. Гравитоны — это умозрительный бозон, передающий гравитацию. На сегодняшний день у нас нет квантовой теории, которая объяснила бы гравитацию в атомном масштабе.
А еще есть бозон Хиггса, так называемая частица Бога.
Хотя бозон Хиггса не связан с религией, он имеет решающее значение, поскольку придает атомам свойство массы. Массу часто путают с весом. Масса постоянна, в то время как вес может меняться. Если вы отправитесь на Луну, ваш вес будет на 1/6 меньше, чем на Земле, но масса останется прежней. Вес — это мера силы тяжести, действующей на тело, тогда как масса измеряет количество «материала» в теле или заряда, смысл от этого не меняется.
В 2012 году было объявлено об открытии бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРН. Бозон Хиггса был предсказан Стандартной моделью, и полученные данные совпали с предсказанием.
БАК — самый мощный суперколлайдер в мире. Новое поколение суперколлайдеров строится в Китае, они будут вдвое больше БАК.
Результаты, оставленные ускорителями частиц, позволяют нам сделать вывод о свойствах субатомных частиц, мы не можем увидеть сами частицы, поскольку они намного меньше световых волн. Используя рентгеновские лучи, которые имеют более короткую длину волны, мы можем увидеть атомную структуру в кристаллизованных решетках, но не сами частицы. Это становится еще более проблематичным, когда речь идет о теории струн, согласно которой субатомные частицы состоят из струн длиной 10-35 метров. Обнаружение таких частиц находится за пределами возможностей БАК, и хотя теория струн впечатляет своей математической формулировкой, она останется гипотезой до тех пор, пока не будет найдено средство экспериментального подтверждения их существования.
Понимание природы субатомных частиц позволяет нам понять конечную судьбу Солнца. Оно также позволило нам добиться многих технологических успехов.
Лазеры, полупроводники — все они обязаны своим существованием нашему пониманию мельчайших частиц квантового мира. Чисто теоретическая работа современных физиков в первой половине 20-го века сделала возможным мир, в котором мы сейчас живем.