Материя. Часть 1, Для гуманитариев и офисных работников

0. Мы снова приветствуем всех любознательных гуманитариев в нашей скромной теме экстремального ликбеза. Последние посты и их обсуждение показали, что российская наука готовится к серьезному прорыву в физике, так как чуть ли не каждый двоечник этой страны способен рассуждать на тему квантовой гравитации. То ли еще будет после наших познавательных тем, восполняющих у населения пробелы научной картины мира.
Сегодня мы решили напомнить научному сообществу ЯПа о том, что современная наука знает о материи.

1. 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

2. 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 (как булка 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, 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.

3. Итак, научному миру открылась ужасающая картина. Атом представляет собой ядро, вокруг которого по некоторым орбитам 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.

4. 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 вопрос, а что если атомы это маленькие вселенные?

5. 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, которые не стабильны и живут миллионные доли секунды).

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

Это сообщение отредактировал demonword - 12.05.2014 - 19:42

6. 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 строго 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.

7. 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. Но как только начинаешь опытным путем выяснять, где он находится, то он внезапно из волны превращается в частицу, типа, вот он я.

Если опять проводить грубую аналогию со спутником, то представьте, что вы запустили спутник и 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.

8. 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.

9. 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 и сталкивают, а потом смотрят следы, которые оставили осколки. По этим следам (длина пути, траектория следа и т.п.) вычисляют массу открытой частицы, ее заряд и прочие данные.

На фото – кусочек коллайдера.

10. Как мы уже сказали, то 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 были протоны, а вместо альфа-частиц были 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 не видел, не регистрировал, но косвенные эксперименты, а самое главное, расчеты, показывают, что протоны и нейтроны состоят из кварков Причем каждая частица состоит сразу из трех кварков, которые взаимосвязаны между собой и соответственно существуют только группами. Одиночный 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:

11. Так 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.
Во-вторых, на основе 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 кварков и названный струей.

Причин считать кварки реальными гораздо больше, но они сложноваты для нашего праздного объяснения. 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.

12. Ну и наконец, предел физики материи.
Стандартная модель все равно имеет множество 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 струна, которая колеблется в девятимерном пространстве. И частота колебания струны (звук, по нашему) и определяет свойства каждой фундаментальной частицы – кварка или лептона.

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 11, а в М-теории предполагается, что колеблется не струна, а двухмерная пленочка (брана, как ее называют физики-теоретики).

13. На этом краткий экскурс в материю у нас заканчивается. Можете пинать за неточность изложения и обещать открыть глаза на правильную физику. Мы с интересом будем следить за дискуссией.

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 метрии, 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, если рейтинги наших статей по-прежнему останутся мотивирующими.

Спасибо за внимание. Написано по заказу ЗОГа, атеистического лобби и прочих завидующих духовным скрепам в этой стране.

лови укроп за старания, мне понравилось

Отличная статья в стиле "Техника молодёжи".

Вот побольше бы таких постов на ЯПе...

Очень интересно.
На мой взгляд - все частицы бесконечно делятся, подобно бесконечному многомерному массиву. Вероятно, кто это выдумал, хотел, чтобы мы никогда не узнали истины. теории никогда не удовлетворят человека, нам нужны только факты, даже если придется построить "молоток и наковальню" размером с галактику, чтобы "расколоть" очередную "неделимую" частицу - мы это сделаем, это очевидно.

"Юного техника", я бы сказал. Но, учитывая информационный голод, засилье бородатых баб и украинское информбюро, пусть ТС продолжает. Позеленю.

я походу домохозяйка ((

Жаль, перевелись нынче популяризаторы науки типа Якова Перельмана. Ни одной научно-популярной книги нормального уровня после развала СССР не вышло. Так что подрастающему поколению придётся довольствоваться такими вот краткими постами в интернетах.
P.S. Читайте Якова Перельмана, очень просто и понятно писал дядька, большинство сведений в его книгах и по сей день актуальны.

Хех, ТС даже Гейзенберга упомянул!
Особенно порадовал тем, что "...ошибочно считать, что нейтрон состоит из этих частей. Он просто на них разваливается."
Люто, бешено зеленю!

Вселенная бесконечна, как в ширь так и в глубь. Найдутся еще частицы из которых состоят кварки, а потом и частицы из которых состоят частицы из которых состоят кварки... и т.д.

Струны давно уже в утиль сдали. Суперструны рулят. Хотя по факту и те и другие всего лишь лютый матан ибо недоказуемы экспериментально, но достаточно красивы математически. ИМХО физика на данный момент загнала себя в тупик идей. Уровень энергий для работы с объектами планковских размеров недостижим на ускорителе, каким бы большим он не был.
Дядя Альберт интуитил, что фундаментальным столпом мироздания является не материя, а пространство. Но на данный момент физиков его уровня нетути.

Рано или поздно мы всё равно столкнёмся с нехваткой энергии для разбития слишком маленькой частицы, ибо всю вселенную переработать в энергию для разбития очередной частицы просто не реально. Ибо тогда нам придётся переработать в эту энергию и снаряд, и мишень, и себя любимого. И тогда разбивать будет нечего, нечем, и некому. :)