Według fizyki kwantowej wszystko, co istnieje, składa się z cząstek. Materia, światło, rzeczy widzialne i niewidzialne. To wszystko są cząstki i kontrolują funkcjonowanie całego wszechświata. Niektóre z nich są powszechne i dobrze znane większości z nas, np. elektrony. Inne są nieco bardziej niezwykłe, na przykład kwarki. Ale podstawową ideą każdej cząstki jest to, że jest to elementarna rzecz zbudowana z niczego innego. Atom można rozbić na protony, neutrony i elektrony. Ale nie można rozbić cząstki na nic innego. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się niektórym z najbardziej niesamowitych odkryć, jakie nauka odkryła lub przynajmniej myśli, że dokonała.
10. Cząstka Boga
Kiedy naukowcy nazywają coś cząstką Boga, tak naprawdę nazywają to czymś więcej niż tylko czymś więcej. Aby być uczciwym, prawidłowa nazwa cząstki to bozon Higgsa, ale fizyk Leon Lederman wymyślił bardziej kolorowy pseudonim, ponieważ nie jest łatwo przekonać media do zainteresowania się cząstkami.
Istnienie bozonu Higgsa potwierdzono w 2013 roku. Teoretyzowano jednak już w latach 60. XX wieku, więc poszukiwania na niego przeciągają się. Stephen Hawking założył się kiedyś o 100 dolarów, że nigdy go nie odkryją, i został spalony. Zanotował także, że bozon Higgsa pewnego dnia zniszczy wszechświat, więc zaznaczcie to w swoich kalendarzach.
Biorąc pod uwagę całe to nagromadzenie, trzeba sobie wyobrazić, że bozon Higgsa jest całkiem niesamowity, a prawda jest taka, że tak, bozon Higgsa jest cudowny. Jednak zrozumienie tego zajmuje trochę czasu, więc spróbujmy.
Bozon jest cząstką elementarną. Bozony są odpowiedzialne za wszystkie podstawowe siły Wszechświata, takie jak elektromagnetyzm oraz słabe i silne oddziaływania jądrowe.
Pole Higgsa to pole energii, które nadaje masę innym cząstkom, takim jak elektrony. Mówiąc najprościej, bozony Higgsa są częściowo odpowiedzialne za tworzenie masy cząstek we Wszechświecie. Sam bozon ma dużą masę, ale żyje krótko, dlatego trudno go znaleźć w przyrodzie. Jednak jej istnienie potwierdza wiele z tego, co wiemy o Modelu Standardowym w fizyce i pomaga wyjaśnić, dlaczego w ogóle istnieje jakakolwiek cząstka. Może również pomóc w wyjaśnieniu ciemnej materii i zidentyfikowaniu jeszcze większej liczby cząstek, których nie znamy lub nie rozumiemy.
Zabawne, że Lederman technicznie rzecz biorąc nie nazwał tego cząstką Boga. Nazwał ją tą cholerną cząsteczką, ponieważ był rozczarowany tym, jak trudno było ją wykryć. Jego wydawca zmienił nazwę.
9. Tetrakwark
Kwarki najłatwiej zrozumieć jako najmniejsze kawałki materii. Kawałek żelaza składa się z atomów żelaza. Atomy te składają się z takich rzeczy jak elektrony i protony. Ale nawet gdybyś je rozłożył, nadal pozostałyby kwarki. Mają masę i spin i występują w sześciu rodzajach, zabawnie nazywanych „smakami”. Zapachy te są pogrupowane w pary zwane góra i dół, góra i dół, urocze i dziwne. Dziwne, prawda? Cóż, to staje się coraz dziwniejsze.
W 2021 roku naukowcy odkryli tetrakwark, egzotyczny hadron składający się z dwóch kwarków i dwóch antykwarków. Przed odkryciem uważano to za niemożliwe. Pomysł, że cząstki mogą kiedykolwiek łączyć się ze sobą, nie był rozważany, ale dane z Wielkiego Zderzacza Hadronów dowiodły, że jest inaczej.
Odkrycie tetrakwarku zapewni badaczom kilka nowych narzędzi umożliwiających lepsze zrozumienie silnej siły, która wiąże kwarki, tworząc neutrony i protony.
8. Neutrino
Jeśli w ciągu ostatnich kilku dekad oglądałeś jakąkolwiek fantastykę naukową, słowo „neutrino” pojawiło się więcej niż kilka razy. Jest popularny i nawet jeśli większość z nas nie zna tej wiedzy, nadal brzmi interesująco.
W prawdziwym życiu neutrina żyją znacznie intensywniej, niż większość z nas może sobie wyobrazić. Są to cząstki subatomowe powstałe w wyniku kataklizmów galaktycznych, niczym eksplodujące gwiazdy. Poruszają się niemal z prędkością światła i powodzenia w zatrzymaniu jednego z nich, ponieważ mogą przejść przez coś, co wydaje się ołowiane, z taką samą łatwością, jak przechodzi się przez otwarte drzwi.
Masa neutrin jest zaskakująco mała. Liczby użyte do opisu nic nie znaczą, jeśli nie masz już solidnych podstaw w fizyce. Są jednak około 500 000 razy mniejsze od elektronu. Ale w przeciwieństwie do elektronów nie mają one również ładunku elektrycznego. Zatem bez masy i ładunku neutrina prawie w ogóle nie istnieją. Ale oni też są wszędzie. Słońce bombarduje Cię około miliardem ich co sekundę.
Fakt, że neutrina mają pewną masę, chociaż może być mikroskopijna, może wyjaśniać całą masę wszechświata i to, dlaczego wokół nas jest materia, a nie antymateria.
7. Miony
Podobnie jak kwarki, miony są jedną z podstawowych cząstek istnienia. Są podobne do elektronów, ale są większe i ważą 207 razy więcej. Są bardzo krótkotrwałe, rozpadają się na elektrony i neutrina w ciągu 2,2 mikrosekundy od momentu powstania. Powstają, gdy promienie kosmiczne zderzają się z cząsteczkami naszej atmosfery i w ciągu tych 2,2 mikrosekundy potrafią zbombardować Ziemię i przedostać się około mili pod powierzchnię, dzięki temu, że poruszają się niemal z prędkością światła.
Badania przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów wykazały, że miony nie zawsze zachowują się tak, jak nakazuje nauka. Krótko mówiąc, wahają się. Ale nie powinni. A fakt, że oscylują, wskazuje, że może tam znajdować się inna cząstka, o której nikt nawet nie pomyślał, a która wpływa na ich funkcjonowanie.
6. Kwarki
Wspomnieliśmy już o tetrakwarku, więc warto rozbić go na prosty kwark. Jeśli rozbijesz protony i neutrony, otrzymasz kwarki i gluony. Istnieje sześć rodzajów kwarków i zawsze występują one w parach. Tak naprawdę naukowcy próbowali już oddzielić jeden kwark od drugiej połowy, ale to nie zadziałało. Albo są ze sobą powiązane, albo nie ma ich wcale.
Sposób, w jaki oddziałują kwarki i gluony, jest źródłem masy atomów. Zasadniczo oznacza to, że cała masa materii, jak ją rozumiemy, pochodzi z kwarków i gluonów. W przeciwieństwie do większości cząstek, które opisuje się jako posiadające ładunek dodatni, ujemny lub neutralny, kwarki idą dalej. Opisuje się je również jako posiadające ładunek kolorowy, co nazywa się chromodynamiką kwantową. Dotyczy to teoretycznych kolorów czerwonego, niebieskiego i zielonego (w rzeczywistości nie są to te kolory) do opisania ich unikalnych właściwości kwantowych.
5. Grawitony
Nauka uznaje cztery podstawowe siły działające we wszechświecie. Słabe i silne oddziaływania jądrowe, elektromagnetyzm i grawitacja. W większości przypadków radzimy sobie mniej więcej z pierwszą trójką. Grawitacja to jednak trochę dziwna karta.
Rozumiemy, jak fotony oddziałują z elektromagnetyzmem, jak kwarki i gluony oddziałują z silnymi oddziaływaniami jądrowymi oraz jak bozony oddziałują ze słabymi oddziaływaniami jądrowymi. Nie wiemy, co przenosi grawitację. W tym miejscu pojawiają się grawitony, teoretyczne cząstki, które pozwalają grawitacji oddziaływać na rzeczy w prawdziwym świecie. Problem z grawitonami polega na tym, że tak naprawdę nie wiemy, czy one istnieją. Nadal mają charakter teoretyczny. Nauka nie jest w stanie wyjaśnić grawitacji.
Co zaskakujące, choć nie wiemy na pewno o istnieniu grawitonów, wiemy o nich dużo. Wiemy, że ich masa wynosi zero lub jest bliska tej wartości i poruszają się z prędkością światła. Dlaczego więc nie możemy ich znaleźć?
Grawitacja jest najsłabszą z czterech sił, co utrudnia jej śledzenie. Obliczono, że detektor grawitacyjny mas Jowisza umieszczony w pobliżu supermasywnego obiektu, takiego jak gwiazda neutronowa, nadal miałby problemy z wykryciem czegokolwiek.
4. Tachiony
Dziękuję Gwiezdny Trek za popularyzację tachionów, przynajmniej w niektórych kręgach. Te teoretyczne cząstki byłyby prawdopodobnie niejasne i nieznane, gdyby science fiction nie przyjęło się do nich ze względu na ich wręcz dziwną naturę. Pamiętaj tylko, że technicznie rzecz biorąc, one nie istnieją, ale niektórzy fizycy uważają, że istnieją.
Największą sławą Tachyona jest jego prędkość. Poruszają się szybciej niż światło. To samo w sobie jest powodem, dla którego wielu wierzy, że tachion nie może istnieć, ponieważ nic nie przemieszcza się szybciej niż światło. Ale fizyka teoretyczna jest gotowa ustąpić wszystkiemu, jeśli istnieją dowody, więc dlaczego nie?
Jeśli tachion porusza się szybciej niż światło, to w oparciu o to, co wiemy o czasie, tachion może cofać się w czasie. Ogólnie rzecz biorąc, zgadzamy się, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło, ponieważ jego masa będzie rosnąć, podobnie jak energia potrzebna do jego przemieszczania. Przy prędkości światła praktycznie byś utknął. Jednak tachiony przyspieszają, gdy tracą energię, co oznacza, że mogą pokonać tę barierę. Z tego wynikają także wszystkie paradoksy czasowe, które znamy z filmów. I to jest dobry powód, dla którego może ich w ogóle nie być.
Oczywiście, jeśli istnieją, ale poruszają się szybciej niż prędkość światła, nie jest zaskakujące, że jeszcze ich nie wykryliśmy, a właściwie możemy nigdy ich nie wykryć z tego właśnie powodu.
3. Ciemna materia
Prawdopodobnie słyszałeś już termin „ciemna materia”, ale jeśli nie masz pewności, co on oznacza, witaj w klubie. Nauka również ma z tym trudności, ale odpowiada na wiele pytań dotyczących działania wszechświata, więc w tej chwili jest to rodzaj symbolu zastępczego wyjaśniającego wiele zjawisk kosmicznych.
Sposób poruszania się galaktyk na podstawie naszych obserwacji nie ma sensu. Galaktyki poruszają się tak, jakby były znacznie masywniejsze, niż się wydaje. Musi istnieć tajne źródło masy spajające każdą galaktykę, a tym źródłem jest ciemna materia.
Ciemna materia nie odbija, nie absorbuje ani nie emituje elektromagnetyzmu, stąd jej nazwa. Jest to zasadniczo niewidoczne, więc jest to tylko teoria. Ale emituje grawitację, która utrzymuje wszechświat w całości. I to dużo. W rzeczywistości około 80% całej masy Wszechświata.
2. Cząsteczki
Sparticle to świetne słowo, które przywodzi na myśl Spartakusa i cząstki, ale tylko połowa tego słowa jest poprawna. Część „s” w rzeczywistości oznacza „supersymetryczny”. Na przykład cząstki są cząstkami supersymetrycznymi, a ich istnienie może ujawnić tajemnice fizyki, podobnie jak kokos.
Jak widzieliśmy, standardowy model fizyki cząstek elementarnych jest użyteczny, ale ma wiele luk. Czym jest ciemna materia? Jak działa grawitacja? Co powoduje oscylację mionów? Pojawiają się pytania o to, skąd pochodzi masa i tak dalej. Pytań, które mogą kwestionować wartość modelu standardowego lub potrzebę opracowania zupełnie nowego modelu, jest wystarczająco dużo. Chyba, że da się gdzieś wcisnąć zapałki.
Wiele problemów, jakie napotykamy w fizyce cząstek elementarnych, można wyjaśnić za pomocą teorii supersymetrii. Zgodnie z tym każda cząstka musi mieć supersymetrycznego partnera. Teoretycznie te cząstki partnerskie mogłyby wypełnić wszelkiego rodzaju luki w naszym rozumieniu wszechświata. Aby znaleźć te rzeczy, zbudowali nawet Wielki Zderzacz Hadronów. I to nie zadziałało. Nie musi to koniecznie oznaczać, że teoria jest błędna, oznacza to po prostu, że fizyka jest złożona i zrozumienie podstaw rzeczywistości zajmuje trochę czasu.
1. Fotony
Ach, skromny foton. Każdy zna fotony. Fotony tworzą światło, jak je rozumiemy, czyli małe cząstki energii elektromagnetycznej, które pozwalają światłu funkcjonować zarówno jako cząstka, jak i fala. Oczywiście fotony to coś więcej niż tylko światło z ekranu telefonu padające na oczy, dzięki czemu możesz je zobaczyć. Są też Wi-Fi, które daje dostęp do Internetu, nie mówiąc już o falach radiowych, mikrofalach, promieniach rentgenowskich, promieniach gamma i nie tylko.
Wszystko, co widzimy, dzieje się, ponieważ istnieją fotony, które pozwalają nam to zobaczyć. Oznacza to, że kiedy patrzymy na Wszechświat i widzimy gwiazdę, która eksplodowała miliard lat temu, fotony przebyły tak długą drogę, aby tu dotrzeć, co czyni je poważnymi końmi pociągowymi świata cząstek.
Dodaj komentarz