Subatomilise maailma paradoksid
Võtame kokku mõned tulemused, tuues selgelt välja kõik meile teadaolevad subatomaarse maailma paradoksid.
1. Aatomi, tuuma ja elementaarosakese tasandil on ainel duaalne aspekt, mis ühes olukorras ilmneb osakestena, teises aga lainetena. Pealegi on osakesel enam-vähem kindel asukoht ja laine levib ruumis igas suunas.
2. Aine kahetine olemus määrab “kvantefekti”, mis seisneb selles, et piiratud ruumis paiknev osake hakkab intensiivselt liikuma ja mida suurem on piirang, seda suurem on kiirus. Tüüpilise "kvantefekti" tulemuseks on aine kõvadus, ühe keemilise elemendi aatomite identsus ja nende kõrge mehaaniline stabiilsus.
Kuna aatomi ja veelgi enam tuuma ruumala piirangud on väga olulised, on osakeste liikumiskiirused äärmiselt suured. Subatomilise maailma uurimiseks peame kasutama relativistlikku füüsikat.
3. Aatom ei sarnane üldse väikesele planeedisüsteemile. Tuuma ümber ei pöörle mitte osakesed – elektronid, vaid tõenäosuslikud lained ja elektron võib liikuda orbiidilt orbiidile, neelates või kiirgades energiat footoni kujul.
4. Subatomilisel tasandil ei ole klassikalise füüsika tahked materiaalsed objektid, vaid laine tõenäosusmudelid, mis peegeldavad suhete olemasolu tõenäosust.
5. Elementaarosakesed pole üldse elementaarsed, vaid äärmiselt keerulised.
6. Kõigil teadaolevatel elementaarosakestel on oma antiosakesed. Osakeste ja antiosakeste paarid tekivad piisava koguse energia juuresolekul ja muundatakse puhtaks energiaks annihilatsiooni pöördprotsessi kaudu.
7. Kokkupõrgete käigus on osakesed võimelised muutuma üksteiseks: näiteks prootoni ja neutroni põrkumisel sünnib pi-meson jne.
8. Ükski katse ei saa üheaegselt viia dünaamiliste muutujate täpse mõõtmiseni: näiteks sündmuse asukoha määramatus ajas osutub seotud energiahulga määramatusega samal viisil kui sündmuse määramatus ajas. osakese ruumiline asend on seotud selle impulsi määramatusega.
9. Mass on energia vorm; Kuna energia on protsessiga seotud dünaamiline suurus, siis tajutakse osakest kui energiat kasutavat dünaamilist protsessi, mis avaldub osakese massi kujul.
10. Subatomaarsed osakesed on nii jagatavad kui ka jagamatud. Kokkupõrke käigus jaotub kahe osakese energia ümber ja tekivad samad osakesed. Ja kui energia on piisavalt kõrge, siis saab lisaks algsetele samadele osakestele tekkida täiendavalt uusi.
11. Osakeste vahelised vastastikused tõmbe- ja tõukejõud võivad muutuda samadeks osakesteks.
12. Osakeste maailma ei saa lagundada kõige väiksemateks üksteisest sõltumatuteks komponentideks; osakest ei saa eraldada.
13. Aatomi sees ei eksisteeri ainet kindlates kohtades, vaid pigem "saab eksisteerida"; Aatominähtused ei juhtu teatud kohtades ja teatud viisil kindlasti, vaid pigem "võivad juhtuda".
14. Katse tulemust mõjutab ettevalmistus- ja mõõtesüsteem, mille lõpplüliks on vaatleja. Objekti omadused on olulised ainult objekti interaktsiooni kontekstis vaatlejaga, sest vaatleja otsustab, kuidas ta mõõtmisi teostab, ja sõltuvalt tema otsusest saab vaadeldava objekti omaduse tunnuse.
15. Subatomaarses maailmas toimivad mittekohalikud ühendused.
Näib, et makrokosmose aluseks olevas subatomilises maailmas on piisavalt keerukust ja segadust. Aga ei! See pole veel kõik.
Subatomilise maailma uurimise tulemusena avastatud tegelikkus paljastas mõistete ühtsuse, mis seni tundus vastandlik ja isegi kokkusobimatu. Osakesed pole mitte ainult üheaegselt jagatavad ja jagamatud, mateeria on nii katkendlik kui pidev, energia muundub osakesteks ja vastupidi jne, relativistlik füüsika isegi ühendas ruumi ja aja mõisted. Just see kõrgemas dimensioonis (neljamõõtmelises aegruumis) eksisteeriv fundamentaalne ühtsus on kõigi vastandlike mõistete ühendamise aluseks.
Tõenäosuslike lainete kontseptsiooni kasutuselevõtt, mis teatud määral lahendas "osakeste-laine" paradoksi, viies selle täiesti uude konteksti, tõi kaasa uue, palju globaalsemate opositsioonide paari tekkimise: olemasolu ja olematus(1). Aatomireaalsus jääb sellest vastandusest kaugemale.
Võib-olla on see vastandus meie teadvusele kõige raskemini tajutav. Füüsikas on võimalik ehitada spetsiifilisi mudeleid, mis näitavad üleminekut osakeste olekust lainete olekusse ja tagasi. Kuid ükski mudel ei suuda seletada üleminekut olemasolust olematuks. Ühegi füüsilise protsessiga ei saa seletada üleminekut olekust, mida nimetatakse virtuaalseks osakeseks, puhkeolekusse vaakumis, kus need objektid kaovad.
Me ei saa väita, et aatomiosake ühes või teises punktis eksisteerib, ja me ei saa öelda, et seda seal pole. Kuna tegemist on tõenäosusskeemiga, võib osake eksisteerida (samaaegselt!) erinevates punktides ja kujutada endast kummalist tüüpi füüsilist reaalsust, midagi olemasolu ja olematuse vahepealset. Seetõttu ei saa me kirjeldada osakese olekut fikseeritud vastandlike mõistetega (must - valge, pluss - miinus, külm - soe jne). Osake ei asu kindlas punktis ega puudu seal. See ei liigu ega puhka. Muutub ainult tõenäoline muster, st osakese kalduvus olla teatud punktides.
Robert Oppenheimer väljendas seda paradoksi kõige täpsemalt öeldes: "Kui me küsime näiteks, kas elektroni asukoht on konstantne, siis peame ütlema "ei", kui küsime, kas elektroni asukoht ajas muutub, peame öelge "ei", kui küsime: Kui elektron on paigal, peame ütlema "ei", kui küsime, kas see liigub, peame ütlema "ei". Poleks saanud paremini öelda!
Pole juhus, et W. Heisenberg tunnistas: „Mäletan arvukaid vaidlusi Jumalaga hiliste öötundideni, mis lõppesid meie abituse äratundmisega; Kui pärast tüli naaberparki jalutama läksin, esitasin endale ikka ja jälle sama küsimuse: "Kas looduses saab olla nii palju absurdi, kui me näeme aatomikatsete tulemustes?"
Sellised vastandlikud mõistepaarid nagu jõud ja aine, osake ja laine, liikumine ja puhkus, olemine ja olematus, mis on ühendatud samaaegseks ühtsuks, esindavad tänapäeval kvantteooria kõige raskemini mõistetavat positsiooni. Raske on ennustada, milliste paradoksidega, mis kõik meie ideed pea peale pööravad, teadus veel silmitsi seisab?
Raevunud maailm . Kuid see pole veel kõik. Osakeste võime reageerida kokkusurumisele, suurendades nende liikumiskiirust, räägib mateeria fundamentaalsest liikuvusest, mis ilmneb siis, kui süveneme subatomaarsesse maailma. Selles maailmas on enamik osakesi aheldatud molekulaarsete, aatomi- ja tuumastruktuuridega ning kõik nad ei ole puhkeolekus, vaid on kaootilises liikumises; nad on oma olemuselt liikuvad. Kvantteooria näitab, et aine liigub pidevalt ega jää hetkekski puhkeolekusse.
Näiteks rauatükki pihku võttes me ei kuule ega tunne seda liigutust, raud tundub meile liikumatu ja passiivne. Kuid kui vaatame seda "surnud" rauatükki väga tugeva mikroskoobi all, mis võimaldab meil näha kõike, mis aatomis toimub, näeme midagi täiesti erinevat. Meenutagem rauaaatomi mudelit, kus kahekümne kuuest prootonist ja kolmekümnest neutronist koosneva tuuma ümber tiirleb kakskümmend kuus elektroni. Kahekümne kuuest elektronist koosnev kiire keeristorm tuuma ümber on nagu kaootiline ja pidevalt muutuv putukate parv. On hämmastav, kuidas need metsikult pöörlevad elektronid omavahel kokku ei põrka. Näib, nagu oleks igaühe sees sisseehitatud mehhanism, mis valvsalt tagab, et need kokku ei põrkaks.
Ja kui me vaatame tuuma, näeme prootoneid ja neutroneid, kes tantsivad meeletus lambada rütmis, tantsijad vahelduvad ja paarid vahetavad partnereid. Ühesõnaga, "surnud" metallis, otseses ja ülekantud tähenduses, toimub nii mitmekesine prootonite, neutronite ja elektronide liikumine, mida on lihtsalt võimatu ette kujutada.
See mitmekihiline raevukas maailm koosneb aatomitest ja subatomilistest osakestest, mis liiguvad erinevatel orbiitidel metsiku kiirusega, “tantsides” kellegi loodud muusika saatel imelist elutantsu. Kuid kõik materiaalsed objektid, mida me enda ümber näeme, koosnevad aatomitest, mis on omavahel ühendatud erinevat tüüpi molekulisiseste sidemetega ja moodustavad seega molekule. Ainult molekulis olevad elektronid ei liigu mitte iga aatomituuma, vaid aatomirühma ümber. Ja need molekulid on ka pidevas kaootilises vibratsioonilises liikumises, mille olemus sõltub aatomite ümber valitsevatest termilistest tingimustest.
Ühesõnaga, subatomaarses ja aatomimaailmas valitseb rütm, liikumine ja pidev muutumine. Kuid kõik muudatused ei ole juhuslikud ega meelevaldsed. Need järgivad väga selgeid ja eristatavaid mustreid: kõik üht või teist tüüpi osakesed on massi, elektrilaengu ja muude iseloomulike näitajate poolest absoluutselt identsed; kõigil laetud osakestel on elektrilaeng, mis on kas võrdne elektroni laenguga või vastupidise märgiga või kaks korda suurem; ja muud osakeste omadused ei saa omandada suvalisi väärtusi, vaid neid on ainult piiratud arv, mis võimaldab teadlastel jagada osakesed mitmeks rühmaks, mida võib nimetada ka "perekondadeks" (24).
Paratamatult tekivad küsimused: kes lõi muusika subatomaarsete osakeste hämmastavale tantsule, kes pani paika infoprogrammi ja õpetas paare tantsima, mis hetkel see tants alguse sai? Teisisõnu: kuidas aine moodustub, kes selle lõi, millal see juhtus? Need on küsimused, millele teadus vastuseid otsib.
Kahjuks iseloomustab meie maailmapilti piiratus ja ligikaudsus. Meie piiratud arusaam loodusest viib piiratud “loodusseaduste” väljakujunemiseni, mis võimaldavad kirjeldada suurt hulka nähtusi, kuid universumi olulisemad seadused, mis mõjutavad inimese maailmapilti, jäävad meile siiski suures osas teadmata.
"Enamiku füüsikute suhtumine sarnaneb skisofreeniku omaga," ütleb kvantfüüsika teoreetik Fritz Rohrlich Syracuse ülikoolist. – Ühest küljest aktsepteerivad nad kvantteooria standardset tõlgendust. Teisest küljest nõuavad nad kvantsüsteemide reaalsust, isegi kui need on põhimõtteliselt jälgimatud.
See on tõesti kummaline seisukoht, mida võib väljendada järgmiselt: "Ma ei mõtle sellele, isegi kui ma tean, et see on tõsi." See seisukoht ei lase paljudel füüsikutel kaaluda kvantfüüsika kõige hämmastavamate avastuste loogilisi tagajärgi. Nagu märgib David Mermin Cornelli ülikoolist, jagunevad füüsikud kolme kategooriasse: esimene, väike vähemus, keda kummitavad iseenesestmõistetavad loogilised tagajärjed; teine on rühm, kes väldib probleemi paljude kaalutluste ja argumentide abil, enamasti vastuvõetamatu; ja lõpuks kolmas kategooria - need, kellel pole kaalutlusi, kuid see neid ei häiri. "See asend on muidugi kõige mugavam," märgib Mermin (1).
Sellegipoolest mõistavad teadlased, et kõik nende loodusnähtusi kirjeldavad teooriad, sealhulgas "seaduste" kirjeldus, on inimteadvuse tulemus, meie maailmapildi kontseptuaalse struktuuri tagajärjed, mitte reaalsuse enda omadused. Kõik teaduslikud mudelid ja teooriad on vaid ligikaudsed olukorrad. Ükski neist ei saa väita, et on ülim tõde. Teooriate ebaselgus avaldub eelkõige nn "põhikonstantide" ehk suuruste, mille väärtused ei tulene vastavatest teooriatest, vaid määratakse empiiriliselt, kasutamises. Kvantteooria ei suuda seletada, miks elektronil on just selline mass ja selline elektrilaeng, ning relatiivsusteooria ei suuda seda valguse kiiruse väärtust täpselt seletada.
Muidugi ei suuda teadus kunagi luua ideaalset teooriat, mis kõike seletaks, kuid selle poole peab ta pidevalt püüdlema, isegi kui see on saavutamatu eesmärk. Sest mida kõrgemale on seatud latt, millest hüppaja peab hüppama, seda kõrgemale kõrgusele ta jõuab, isegi kui ta rekordit ei püstita. Ja teadlased tõstavad nagu hüppaja treeningul pidevalt latti, töötades järjest välja eraldi osalisi ja ligikaudseid teooriaid, millest igaüks on eelmisest täpsem.
Tänapäeval on teadusel juba mitmeid konkreetseid teooriaid ja mudeleid, mis kirjeldavad üsna edukalt mõningaid meile muret tekitava lainekvantreaalsuse aspekte. Paljude teadlaste hinnangul on kõige lootustandvamad teooriad – toetuspunktid teadvusel põhineva teoreetilise füüsika edasiarendamisel Jeffrey Chu "saapapaela" hüpotees, David Bohmi teooria ja torsioonväljade teooria. Ja Vene teadlaste ainulaadne eksperimentaalne töö akadeemik V. P. Kaznachejevi juhtimisel kinnitab suuresti näidatud hüpoteesides ja teooriates sisalduvate lähenemisviiside õigsust universumi ja teadvuse uurimisel.
Raamatust Hüperborea õpetus autor Tatištšev B Yu2. 1. Tänapäeva Venemaa paradoksid. Ajad on muutunud. Venemaa ja selle rahva röövimise jätkamiseks peavad praegused "demokraadid" tegema mõningaid jõupingutusi "majanduse stabiliseerimiseks". Ja "patrioodid - suveräänid" on juba ammu ületanud kõik neile määratud tähtajad
Raamatust "Teiste maailmade nähtused". autor Kulsky Aleksander11. peatükk. PARADOKSID, MIS EI OLE JUHTUNUD Üks traditsioonilise füüsika ja filosoofia nurgakividest, põhikividest on põhjuslikkuse printsiip. See tähendab "raudset" ühesuunalisust põhjuse ja tagajärje suhetes. Esiteks, seega
Raamatust Vaimse füüsika alused autor Skljarov Andrei JurjevitšPeatükk 6. Vaimse-immateriaalse maailma aktiivsed ja passiivsed objektid elava ja elutu materiaalse maailma analoogina. "Kõik on elus, kuid tavapäraselt peame elavaks ainult seda, mida see piisavalt tugevalt tunneb." K. Tsiolkovski Materiaalses makrokosmoses on teadupärast mateeria (ühena
Raamatust The Last Testament of Don Juan: Toltec magic and the esoterism of spirituality autor Kapten (Omkarov) Juri (Arthur) Leonardovitš6. TERVISE PARADOKSID MAAGIA JA VAIMSUSE POSITSIOONIST Kuigi paljud enesetervendamise maagia aspektid on juba eespool märgitud ja ma pidin end korduvalt kordama, on mõttekas süstematiseerida ja koondada punktid, mis on seotud läbi hävimatu tervise saavutamine
Raamatust UFO: Visitors from Eternity autor Komissarov Vitali SergejevitšIidsete teadmiste paradoksid "...Meie juurdunud vaadetes minevikule esitati neoliitikumi esivanemat alati mammutit taga ajava karvase poisi kujundis. Kuid ootamatuid avastusi sadas üksteise järel..." Kes olid meie esivanemad? Näis, et sellele küsimusele on juba ammu vastatud
Raamatust Aja olemus: hüpotees aja tekke ja füüsilise olemuse kohta autor Rand Anatoli Makarovitš3.3. Aja müsteeriumid ja paradoksid Kahtlused, kas see osa sellesse teosesse lisada või mitte, ei jätnud mind viimasele minutile. Ühest küljest tahaksin püüda selgitada mõningaid aja saladusi ja parapsühholoogia nähtusi, kuid teisest küljest on see
Raamatust Piirideta elu. Moraaliseadus autor3.3.1. Füüsilised aja paradoksid “Suvel 1912... Ühendkuningriigi ajalehed kirjeldasid müstilist lugu, mis juhtus Londonist Glasgow’sse sõitval kiirrongil. Juhtumit nägid ühes vagunis kaks teineteisele võõrast reisijat -
Raamatust Eluõpetus autor Roerich Jelena Ivanovna Raamatust Raamat 3. Rajad. Teed. Koosolekud autor Sidorov Georgi Aleksejevitš Raamatust Eluõpetus autor Roerich Jelena Ivanovna Raamatust "Maailma juhtimise kunst". autor Vinogrodsky Bronislav Bronislavovitš[Maailmaema sümbol, mis varjab oma nägu maailma eest] Tuletan meelde, et maailmaema varjas oma nägu inimkonna eest ka kosmilistel põhjustel. Sest kui Lucifer otsustas inimkonna üle võimu haaramiseks naist alandada, soosisid kosmilised tingimused seda.
Raamatust Piirideta elu. Moraaliseadus autor Žikarentsev Vladimir VassiljevitšOlekute juhtimine Teadvuse paradoksid Niipea, kui tekib soov oma seisundit parandada, tähendab see, et on toimunud halvenemine. Niipea, kui kavatsete end täiendada, tähendab see, et olete avastanud uusi puudusi Kavatsus sünnib seal, kus see avastatakse
Raamatust Kuidas unenäod ja käekiri aitavad mineviku vigu parandada autor Entis JackJuhtivad seisundid Suure paradoksid Teadvuse arengu põhimõtteid saab väljendada stabiilsetes definitsioonides: Sisemine selguse seisund täiuslikkuse mõistmisel võib väljenduda väliselt kui arusaamatuse pimedus Täiuslikkuse teel kulgemise sisemine seisund
Raamatust Surematuse kood. Tõde ja müüdid igavesest elust autor Prokopenko Igor StanislavovitšVene elu paradoksid Seadused ja loogika Venemaal ei tööta, sest meie riigis on põhiseadus süda, keskus, kus kõik vastandid koonduvad. Süda mõistab maailma, inimeste ja nähtuste üle kohut maailma ja asjade ühtsuse põhjal, seetõttu pole selle jaoks seadusi,
Autori raamatust14. peatükk Unenäod, mis meid üles äratavad (või unenäod-paradoksid) Kõige sagedamini eristame prohvetlikke või ennustavaid unenägusid nende ereda värvuse ja aistingute raskusastme järgi. Aga ka süžee või kujundi PARADOKSILISUSE tõttu... Tuleme tagasi meie Alice'i juurde, võtan paradoksaalselt seotud pildid kontekstist välja
Autori raamatust3. peatükk. Pikaealisuse paradoksid 2013. aasta suvel tegid teadlased sensatsioonilise prognoosi: vaid 10 aasta pärast võib inimeste keskmine eluiga kahekordistuda ning pikemas perspektiivis on võimalik võita vananemine ja seejärel ka surm Kiel
Aatomeid moodustavatest osakestest võib mõelda erinevalt – näiteks ümarate tolmuteradena. Need on nii väikesed, et iga sellist tolmukübemeke pole eraldi näha. Kogu ümbritsevas maailmas olev aine koosneb sellistest osakestest. Millised on osakesed, mis moodustavad aatomeid?
Definitsioon
Subatomiline osake on üks neist "tellistest", millest on ehitatud kogu ümbritsev maailm. Selliste osakeste hulka kuuluvad prootonid ja neutronid, mis on osa aatomituumadest. Sellesse kategooriasse kuuluvad ka tuumade ümber tiirlevad elektronid. Teisisõnu, subatomilised osakesed on füüsikas prootonid, neutronid ja elektronid. Inimestele tuttavas maailmas reeglina teistsuguseid osakesi ei leidu - nad elavad ebatavaliselt lühikest aega. Kui nende vanus lõpeb, lagunevad nad tavalisteks osakesteks.
Nende subatomiliste osakeste arv, mis tänapäeval elavad suhteliselt lühiajaliselt, ulatub sadadesse. Nende arv on nii suur, et teadlased ei kasuta neile viitamiseks enam üldnimetusi. Sarnaselt tähtedele omistatakse neile sageli numbri- ja tähttähised.
Peamised omadused
Iga subatomaarse osakese kõige olulisemad omadused on spin, elektrilaeng ja mass. Kuna osakese kaal on sageli seotud selle massiga, nimetatakse mõnda osakest traditsiooniliselt "rasketeks". Einsteini tuletatud võrrand (E = mc2) näitab, et subatomaarse osakese mass sõltub otseselt selle energiast ja kiirusest. Mis puudutab elektrilaengut, siis see on alati põhiühiku kordne. Näiteks kui prootoni laeng on +1, siis elektroni laeng on -1. Mõnel subatomilisel osakesel, näiteks footonil või neutriinol, puudub aga üldse elektrilaeng.
Teine oluline omadus on osakeste eluiga. Hiljuti olid teadlased kindlad, et elektronid, footonid, aga ka neutriinod ja prootonid on täiesti stabiilsed ning nende eluiga on peaaegu lõpmatu. See pole aga täiesti tõsi. Näiteks neutron jääb stabiilseks ainult seni, kuni see aatomi tuumast "vabaneb". Pärast seda on selle eluiga keskmiselt 15 minutit. Kõik ebastabiilsed osakesed läbivad kvantlagunemise protsessi, mida ei saa kunagi täielikult ennustada.
Osakeste uurimine
Aatomit peeti jagamatuks kuni selle struktuuri avastamiseni. Umbes sajand tagasi viis Rutherford läbi oma kuulsad katsed, mis hõlmasid õhukese lehe pommitamist. Selgus, et aine aatomid olid praktiliselt tühjad. Ja aatomi keskmes on kõik, mida me nimetame aatomi tuumaks - see on umbes tuhat korda väiksem kui aatom ise. Sel ajal uskusid teadlased, et aatom koosneb kahte tüüpi osakestest - tuumast ja elektronidest.
Aja jooksul hakkasid teadlased mõtlema: miks prooton, elektron ja positroon kleepuvad kokku ega lagune Coulombi jõudude mõjul eri suundades? Ja ka tolleaegsetele teadlastele jäi selgusetuks: kui need osakesed on elementaarsed, siis ei saa nendega midagi juhtuda ja nad peavad elama igavesti.
Kvantfüüsika arenedes leidsid teadlased, et neutron laguneb ja seda üsna kiiresti. See laguneb prootoniks, elektroniks ja millekski muuks, mida ei saanud kinni püüda. Viimast märkas energiapuudus. Toona oletasid teadlased, et elementaarosakeste loetelu on ammendatud, kuid nüüdseks on teada, et see pole kaugeltki nii. Avastati uus osake, mida nimetatakse neutriinoks. See ei kanna elektrilaengut ja sellel on väga väike mass.
Neutron
Neutron on subatomiline osake, millel on neutraalne elektrilaeng. Selle mass on peaaegu 2 tuhat korda suurem kui elektroni mass. Kuna neutronid kuuluvad neutraalsete osakeste klassi, interakteeruvad nad otseselt aatomite tuumadega, mitte nende elektronkestadega. Neutronitel on ka magnetmoment, mis võimaldab teadlastel uurida aine mikroskoopilist magnetstruktuuri. Neutronkiirgus on kahjutu isegi bioloogilistele organismidele.
Subatomiline osake – prooton
Teadlased on leidnud, et need "aine ehituskivid" koosnevad kolmest kvargist. Prooton on positiivselt laetud osake. Prootoni mass ületab elektroni massi 1836 korda. Üks prooton ja üks elektron moodustavad koos kõige lihtsama keemilise elemendi – vesinikuaatomi. Kuni viimase ajani arvati, et prootonid ei saa muuta oma raadiust sõltuvalt sellest, millised elektronid nende kohal tiirlevad. Prooton on elektriliselt laetud osake. Elektroniga ühendamisel muutub see neutroniks.
elektron
Elektroni avastas esmakordselt inglise füüsik J. Thomson aastal 1897. See osake, nagu teadlased praegu usuvad, on elementaar- või punktobjekt. Nii nimetatakse subatomaarset osakest aatomis, millel ei ole oma struktuuri – ei koosne ühestki teisest, väiksemast komponendist. Ühenduses prootoni ja neutroniga moodustab elektron aatomi. Nüüd pole teadlased veel aru saanud, millest see osake koosneb. Elektron on osake, millel on lõpmata väike elektrilaeng. Sõna "elektron" ise tähendab vanakreeka keelest tõlgituna "merevaiku" - Kreeka teadlased kasutasid ju merevaiku elektrinähtuste uurimiseks. Selle termini pakkus 1894. aastal välja Briti füüsik J. Stoney.
Miks uurida elementaarosakesi?
Lihtsaim vastus küsimusele, miks teadlased vajavad teadmisi subatomaarsete osakeste kohta, on: omada teavet aatomi sisestruktuuri kohta. Selline väide sisaldab aga vaid terake tõtt. Tegelikult ei uuri teadlased mitte ainult aatomi sisemist struktuuri – nende uurimistöö põhivaldkond on aine väikseimate osakeste kokkupõrked. Kui need tohutu energiaga osakesed suurel kiirusel üksteisega kokku põrkuvad, sünnib sõna otseses mõttes uus maailm ja kokkupõrgete järel allesjäänud ainekillud aitavad paljastada looduse saladusi, mis on teadlastele alati saladuseks jäänud.
Subatomiline füüsika on äärmiselt populaarne. Teadlased saavad selle valdkonna uurimistöö eest sageli Nobeli preemia. Neutriinod on uskumatult populaarsed. Selle osakese eest anti välja neli auhinda. 1988. aastal tähistati müüoni neutriino avastamist. 1995. aastal sai Fred Reiners auhinna neutriinode tuvastamise eest. 2002. aastal mõõtsid Ray Davies ja Masatoshi Koshiba, kui palju neutriinosid Päike Maale saadab. Sel aastal jagasid Takaaki Kajita ja Arthur MacDonald auhinda selle eest, et demonstreerisid, kuidas neutriinod võivad muutuda ühest vormist teise.
Wolfgang Pauli, kes ennustas neutriinot, sai samuti Nobeli preemia, kuid teistsuguse avastuse eest osakeste füüsikas. Ta võis hankida veel ühe neutriinode jaoks, kuid ta avaldas oma avastuse kirja kujul füüsikakonverentsile, millel ta ei osalenud.
Kõige populaarsem subatomaarne osake pole aga mikromaailma ainus üllatus. Seal on veel kümmekond erinevat avastust, mida võib nimetada vapustavaks.
10. Subatomaarsete osakeste olemasolu
Kogu 19. sajandi jooksul seati aatomite olemasolu kahtluse alla tänu keemia aatomiteooria edule, mida väljendas inglise kooliõpetaja John Dalton. Enne teda olid aatomid abstraktne filosoofiline mõiste, mida kasutati aruteludes mateeria lõpliku olemuse üle, kuid mida käsitleti väljaspool eksperimentaalset uurimistööd. Paljud füüsikud pidasid aatomeid üldiselt väljamõeldisteks, mis on eksperimentaalsete andmete selgitamiseks mugavad, kuid ebareaalsed.
Andmed kogunesid ja tuli tunnistada, et kui aatomeid ei eksisteeri, siis peab olema mingi nendega sarnane jagamatu struktuur. Aatomite olemasolu kinnitav kivi oli elementide omaduste kordamine Mendelejevi perioodilises süsteemis. 1897. aastal teatas Thomson esimese elementaarosakese – elektroni – avastamisest, mis kummutas täielikult aatomite jagamatuse.
9. Aatomituum
Enne kui füüsikud võisid nõustuda ideega, et aatomid eksisteerivad, pidid nad hakkama leppima tõsiasjaga, et need koosnevad üksikutest osadest. Thompson teoretiseeris, et negatiivsed elektronid hõljusid positiivselt laetud pudingus nagu kirsid. Kuid kui Ernest Rutherfordil ja tema abilistel õnnestus alfaosakesi õhukesele kullalehele tulistada, põrkasid mõned padrunid tagasi. See üllatas Rutherfordi, tema sõnul oli see võrreldav siidipaberi tulistamisega, kui suurtükimürsud lendasid tagasi. Teadlane pakkus välja, et aatomi sees on pisike pall, tänapäeval kutsume neid tuumadeks.
8. Neutronid
1930. aastaks teadsid füüsikud kahe subatomaarse osakese – prootoni ja elektroni – olemasolust, mis näisid seletavat kõike peale ühe, miks positiivselt laetud prootonid laiali ei lenda. 1920. aastal tegi Rutherford ettepaneku, et neid hoiab koos teine tuumas olev osake – neutron. 1932. aastal avastas James Chadwick neutraalse osakese. Elementaarosakeste arv kasvas pidevalt.
Neutroni avastamine tuli füüsikutele suure üllatusena. Kui Rutherford esitas idee neutroni olemasolust, uskusid teda vähesed, võib-olla ainult Chadwick.
7. Subatomaarsed osakesed on tegelikult lained
See üllatus on seotud üsna koomilise looga. 1906. aastal sai Thomson Nobeli preemia subatomilise osakese – elektroni – olemasolu eksperimentaalse tõestamise eest. 1973. aastal sai selle auhinna ka tema poeg George, sest ta suutis vähemalt mõnikord demonstreerida, et elektron on laine. See laine-osakeste duaalsus on kvantfüüsika keskmes.
6. Neutriino tuvastamine
1934. aastal tõestasid Bethe ja Rudolf Peierls, et neutriinod interakteeruvad ainega nõrgalt ja oleks rumal proovida kasvõi üht tuvastada. Teil on vaja 1000 valgusaasta läbimõõduga tahke aine reservuaari. Siis aga avastati aatomi lagunemine ja leiutati tuumareaktorid. Füüsikud on avastanud viljaka neutriinode allika.
5. Elementaarosakesed osutusid mitte nii elementaarseteks
1950. aastaks oli avastatud palju subatomilisi osakesi, mitte ainult ei osutus jagamatu aatom jagatav, vaid selle osakeste arv ületas viiekümne. Üks Nobeli preemia laureaatidest Leon Laderman viskas isegi nalja, et kui ta peaks selgeks õppima kõigi subatomaarsete osakeste nimed, saaks temast botaanik. Füüsikud hakkasid kahtlustama, et elementaarosakestel on oma detailid.
4. Kvargid
1950. aastal õppisid füüsikud tundma subatomaarseid osakesi, mis ei kuulu aatomite hulka. 1960. aastal ilmus idee, et elementaarosakesed koosnevad väikestest tellistest, millel on fraktsionaalne laeng. Murray Gell-Mann nimetas neid osakesi kvarkideks, mis on uuenduslik idee, kuna varem arvati, et fraktsionaalsed laengud on jama. Mõni aasta hiljem tuli katsetajatelt veel üks üllatus – neil õnnestus kinnitada kvarkide olemasolu.
3. Sümmeetria lõhkumine
Ammu enne subatomaarsete osakeste avastuste plahvatust märkis lugupeetud matemaatik Hermann Weyl, et loodus ei teadnud pariteedist midagi. Ei saa olla kahtlust, et kõik loodusseadused on paremal ja vasakul permutatsiooni suhtes muutumatud. Kuid 1956. aastal pakkusid Chen Ning Yang ja Tsung-Dao Li välja idee, et vasak-parem sümmeetria reegel ei toimi mõnel juhul subatomiliste osakeste puhul. See oli sensatsioon, eriti kui ilmnes eksperimenteerijate kinnitus.
2. Prootoni stabiilsus
Väljaspool aatomituuma on neutronid äärmiselt ebastabiilsed ja lagunevad mõne minuti jooksul prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks. Kuid tundub, et prooton on ebatavaliselt stabiilne ja võib jääda jagamatuks igavesti. Kuigi 1970. aastatel hakkasid teoreetikud uskuma, et prootonid peaksid lagunema vähemalt triljonite triljonite aastate jooksul, ei ole teadlastel õnnestunud seda avastada, hoolimata kõigist püüdlustest sellist sündmust tuvastada. See tekitas suure üllatuse. Kõik laguneb, aga prootonid mitte.
1. Antiaine
1932. aastal avastati mitte ainult neutron, vaid ka positron. Selle arvutas Karl Anderson, analüüsides kosmiliste kiirte jälgi pilvekambris. Väljatrükkide hulgast leidis füüsik ühe, mis nägi välja nagu elektroni oma, kuid oli vales suunas painutatud. Selgus, et see on positron, elektroni antiosake nimetas Anderson seda positiivseks elektroniks. Antiaineosakeste avastamine oli suur üllatus, kuid see vastas täielikult Paul Diraci teoreetilistele arvutustele. Hämmastav, et keegi suudab lihtsalt võrranditega mängides järeldada millegi nii kummalise olemasolu.
…Jumal andis mateeriale esmalt tahke, massiivse kuju,
sellise suuruse ja kujuga läbitungimatud, liikuvad osakesed
ning selliste omaduste ja proportsioonidega seoses
ruumi, mis oleks selleks otstarbeks kõige sobivam
mille jaoks ta need lõi.
I. Newton
Filosoofia ja teaduse ajaloos võib jämedalt eristada 3 lähenemist looduse struktuuri mõistmiseks mikrotasandil:
on jagamatud korpusklid või aatomid, maailm on taandatud fundamentaalseteks “tellisteks” (Demokritos, Newton);
ainet purustatakse pidevalt ja lõputult aina väiksemateks tükkideks, jõudmata kunagi jagamatu aatomini (Aristoteles);
kahekümnendal sajandil tekkis kontseptsioon, mis seletab maailma kõigi asjade seotuse alusel: osake ei ole mateeria “telliskivi”, vaid protsess, lüli või muster kogu universumis (W. Heisenberg, J. Chu, F. Capra).
Esimese "elementaarosakese" avastas 1897. aastal J.J. Thomson tõestas katoodkiirte olemasolu uurides elektronid . Ainetega kokkupuutel eraldub kergesti negatiivne elekter, mis salvestatakse ekraanile valgussähvatustena. Negatiivse elektri osakesi nimetati elektronideks. Haruldase gaasi elektrilahenduse ajal täheldati minimaalset elektrienergia kogust, mis võrdub ühe elektroni laenguga. Kuni 70ndateni. XX sajand elektroni siseehituse probleem ei ole lahendatud, siiani pole vihjet selle sisestruktuurile (Anderson 1968; Weiskopf 1977).
Aasta varem avastas A. Becquerel uraanisoola radioaktiivse lagunemise – alfaosakeste emissiooni (He tuumad), neid osakesi kasutas Rutherford, kes katseliselt tõestas aatomituuma olemasolu. 1919. aastal viis E. Rutherford läbi esimese tehisliku tuumareaktsiooni: kiiritades N alfaosakestega, sai ta O isotoobi ja tõestas, et aatomi tuum sisaldab N. prooton 27 (peetakse piiravaks osakeseks).
1932. aastal avastas J. Chadwick veel ühe tuumaosakese – laenguta neutron 28. Neutroni avastamine, mis pani aluse uuele teadusele - neutronite füüsika , neutroni põhiomadused, neutronite rakendamine on raamatule pühendatud S.F. Shebalina Neutronid . Pilvekambris täheldati neutronite jälgi. Prootoni mass võrdub 1836,1 elektroni massiga, neutroni mass on 1838,6. V. Heisenberg ja temast sõltumatult D.D. Ivanenko, I.E. Tamm, avaldage hüpotees aatomituuma ehituse kohta prootonitest ja neutronitest: tuum C koosneb näiteks 6 prootonist ja 6 neutronist. Alguses 30ndad usuti: aine koosneb aatomitest ja aatomid koosnevad 3 "elementaarosakest", "ehituskivist": prootonitest, neutronitest ja elektronidest (Shebalin 1969; Folta, Novy 1987; Capra 1994: 66-67).
Samal aastal sai E.O. Lawrence Californias ehitas esimese tsüklotroni (osakeste kiirendi). Osakeste kiirendid on rajatised, mis põrkuvad kokku suure energiaga osakesi. Suurtel kiirustel liikuvate subatomaarsete osakeste põrkumisel saavutatakse kõrge energiatase ning sünnib vastastikmõjude, väljade ja osakeste maailm, kuna energiatasemest sõltub elementaarsuse tase. Kui kiirendate mündi sellise kiiruseni, võrdub selle energia tuhande miljoni dollari väärtuses energia tootmisega. Genfi lähedale ehitati kuni 27 km tunneli ümbermõõduga ringkiirend. Tänapäeval on mõne teooria, näiteks kõigi osakeste suure ühendamise teooria testimiseks vaja päikesesüsteemi suurust kiirendit (Folta, Novy 1987: 270-271; Davis 1989: 90-91).
Osakesi avastatakse ka looduslikes kiirendites, kosmilised kiired põrkuvad katseseadme aatomitega ning uuritakse löögi tulemusi (nii avastati ennustatud positroon, müüon ja meson). Kiirendite ja kosmilise kiirguse uuringute abil on paljastatud suur ja mitmekesine subatomaarsete osakeste maailm. 1932. aastal avastati 3 osakest, 1947. aastal – 14, 1955. aastal – 30, 1969. aastal – üle 200. Samaaegselt katsetega viidi läbi ka teoreetilised uuringud. Osakesed liiguvad sageli valguse kiirusel, , on vaja arvestada relatiivsusteooriaga. Üldise osakeste teooria loomine jääb füüsikas lahendamata probleemiks (Capra 1994: 67).
1967. aastal tekkis hüpotees olemasolu kohta tahhüonid – osakesed, mille liikumiskiirus on suurem kui valguse kiirus. Avastati uued mateeria “ehituskivid”, paljud ebastabiilsed, lühiajalised (“resonantsid” elavad 10-27 s) osakesi, mis lagunevad tavalisteks osakesteks. Hiljem selgus, et uued osakesed: resonantsid ja hüperonid, mesonid – teiste osakeste ergastatud olekud: prootonid ja leptonid. Nii nagu ergastatud H-aatom erinevates olekutes, mis ilmub 3 spektrijoonena, ei ole teine aatom (Born 1967: 127-129).
Selgus, et osakesed ei lagune, vaid muunduvad üksteiseks või väljakvantide energiaks, muunduvad “oma teiseks”, iga osake võib olla ükskõik millise teise komponent. Osakesed võivad "kaduda" kiirgusse ja avaldada laineomadusi. Pärast esimest kunstlikku transformatsiooni, kui Li tuumad muudeti He tuumadeks, a aatomi, tuumafüüsika (Sünd 1967; Weiskopf 1977: 50).
1963. aastal esitasid M. Gell-Mann ja J. Zweig hüpoteesi kvargid . Kõik hadronid on ehitatud väiksematest osakestest - 3 tüüpi kvarkidest ja nende antikvarkidest. Prooton ja neutron koosnevad 3 kvargist (neid nimetatakse ka barüonid - rasked või nukleonid - tuumaosakesed). Prooton on stabiilne, positiivselt laetud, neutron on ebastabiilne, muutub prootoniks. Kvark-antikvark paarid (igas osakeses on antiosake) moodustavad mesoneid (massiga elektroni ja prootoni vahel). Hadrooniliste mustrite mitmekesisuse selgitamiseks pidid füüsikud postuleerima lisakvarkide olemasolu. Praegu on 12 kvarki: 4 sorti või maitset (ülemine, allapoole suunatud, kummaline ja võluv), millest igaüks võib eksisteerida kolmes värvitoonis. Enamik füüsikuid peab kvarke tõeliselt elementaarseteks, ilma struktuurita. Kuigi kõiki hadroneid iseloomustavad kvarkide sümmeetriad, käituvad hadronid sageli nii, nagu oleksid nad tegelikult valmistatud punktkomponentidest, kuid kvarkide mõistatus on siiski olemas (Davis 1989: 100; Hawking 1990: 69; Capra 1994: 228, 229).
Kooskõlas bootstrap hüpotees loodust ei saa taandada mateeria „ehituskivideks”, nagu kvargid, vaid seda tuleb mõista ühenduvuse alusel. Heisenberg, kes ei uskunud kvarkide mudelisse, nõustus alglaadimispildiga osakestest kui dünaamilistest mustritest omavahel seotud sündmuste võrgustikus (Capra 1996: 43-49).
Kõik teadaolevad universumi osakesed võib jagada kahte rühma: “tahke” aine osakesed ja virtuaalsed osakesed, interaktsioonide kandjad , millel puudub "puhkemass". Aineosakesed jagunevad ka kahte rühma: hadronid 29 , nukleonid 30 , barüonid või rasked osakesed ja leptonid 31 .
Leptonite hulka kuuluvad elektronid, muuon , tau lepton ja 3 tüüpi neutriino . Tänapäeval on tavaks pidada elektroni elementaarseks punktitaoliseks objektiks. Elektron on negatiivselt laetud, prootonist 1836 korda kergem (Weiskopf 1997: 79; Davis 1989: 93-102; Hawking 1990: 63; Feynman, Weinberg 2000).
1931. aastal ennustas W. Pauli neutraalse osakese olemasolu neutriino , aastal 1955 sündis tuumareaktoris prootonist neutriino, mis moodustas elektroni ja neutroni.
See on kõige hämmastavam osake: BV-ga neutriino peaaegu ei suhtle ainega, olles leptonitest kõige kergem. Selle mass on vähem kui üks kümnetuhandik elektroni massist, kuid see on võib-olla universumi kõige levinum osake ja võib põhjustada selle kokkuvarisemise. Neutriinod peaaegu ei suhtle ainega, tungides sellest läbi, nagu poleks seda üldse olemas (näide mitteühemõõtmeliste vormide olemasolust). Gamma-kvant läbib pliis 3 m ja interakteerub plii aatomi tuumaga ning neutriino peab suhtlemiseks läbima 4·10 13 km. Neutriinod osalevad ainult nõrkades interaktsioonides. Pole veel täpselt kindlaks tehtud, kas neutriinodel on ka "puhkemass". Neutriinosid on 3 tüüpi: elektron, müüon ja tau.
1936. aastal avastasid nad kosmiliste kiirte vastasmõju produktidest muuon , ebastabiilne osake, mis laguneb elektroniks ja 2 neutriinoks. 70ndate lõpus avastati raskeim osake, lepton. tau lepton (Davis 1989: 93-95).
1928. aastal ennustas P. Dirac ja 1932. aastal avastas positiivselt laetud elektroni ( positron – elektroni antiosake.): ühest γ-kvantist sünnivad elektron ja positroon – positiivselt laetud elektron. Kui elektron põrkab kokku positroniga, tekib kaks gammakiirt, kuna nulli säilitamiseks hävitamine 32 on vaja kahte footonit, mis hajuvad eri suundades.
Hiljem selgus: kõigil osakestel on antiosakesed , interakteerudes, osakesed ja antiosakesed annihileeruvad koos energiakvantide moodustumisega. Igas aineosakeses on antiosake. Osakese ja antiosakese põrkumisel need annihileeruvad, mille tulemusena vabaneb energia ja sünnivad teised osakesed. Varases universumis oli osakesi rohkem kui antiosakesi, muidu oleks annihilatsioon universumi kiirgusega täitnud ja mateeriat poleks olnud (Silk 1982: 123-125; Hawking 1990: 64, 71-72).
Elektronide olek aatomis määratakse numbrite seeria abil kvantarvud , ja näidata orbiitide asukohta ja kuju:
number (n) – see on orbiidiarv, mis määrab energia hulga, mis elektronil peab olema orbiidil viibimiseks, raadiuse;
number (ℓ) määrab orbiidil elektronlaine täpse kuju;
arv (m) nimetatakse magnetiks ja määrab elektroni ümbritseva välja laengu;
numbrid , nn keerutada (pöörlemine) määrab elektroni pöörlemiskiiruse ja -suuna, mille määrab elektronlaine kuju osakese esinemise tõenäosuse osas orbiidi teatud punktides.
Kuna need omadused on väljendatud täisarvudes, tähendab see, et elektroni pöörlemissagedus ei suurene mitte järk-järgult, vaid järsult - ühelt fikseeritud väärtuselt teisele. Osakesi iseloomustab massi olemasolu või puudumine, elektrilaeng, spin (pöörlemiskarakteristikud, aineosakestel on spin +1/2, –1/2, osakesed, mis kannavad vastasmõju 0, 1 ja 2) ja eluiga (Erdei- Gruz 1976: 38-41, 92; Capra 1994: 63;
1925. aastal esitas W. Pauli küsimuse: miks elektronid hõivavad aatomis rangelt määratletud positsiooni (esimesel orbiidil 2, teisel 8, neljandal 32)? Spektreid analüüsides paljastas ta lihtsa põhimõtte: kaks identset osakest ei saa olla samas olekus , st neil ei saa olla samad koordinaadid, kiirused, kvantarvud. Kõik aineosakesed kuuletuvad W. Pauli välistamisprintsiip .
See põhimõte rõhutab struktuuride selget korraldust, millest väljaspool muutuksid osakesed homogeenseks ja tihedaks tarretiseks. Välistamisprintsiip võimaldas selgitada väliste täitmata kestade elektronide poolt määratud elementide keemilisi omadusi, mis andsid aluse elementide perioodilisusele. Pauli põhimõte tõi kaasa uued avastused ja arusaamise metallide ja pooljuhtide soojus- ja elektrijuhtivuse kohta. Välistamisprintsiipi kasutades ehitati aatomite elektroonilised kestad ja selgus Mendelejevi elementide süsteem (Dubništševa 1997: 450-452).
Kuid on osakesi, mis ei allu W. Pauli välistamisprintsiibile (vahetuvate osakeste arvul pole piirangut, vastastikmõju jõud võib olla mis tahes), kandeosakesi või virtuaalosakesi, millel puudub "puhke" mass ja mis tekitavad jõude. aineosakeste vahel (Hawking 1990: 64-65).
