Paradoxurile lumii subatomice
Să rezumăm câteva rezultate, identificând clar toate paradoxurile lumii subatomice cunoscute nouă.
1. La nivelul atomului, nucleului și particulei elementare, materia are un aspect dublu, care într-o situație apare ca particule, iar în alta ca unde. Mai mult, particula are o locație mai mult sau mai puțin definită, iar unda se propagă în toate direcțiile în spațiu.
2. Natura duală a materiei determină „efectul cuantic”, care constă în faptul că o particulă situată într-un volum limitat de spațiu începe să se miște intens, iar cu cât limitarea este mai mare, cu atât viteza este mai mare. Rezultatul unui „efect cuantic” tipic este duritatea materiei, identitatea atomilor unui element chimic și stabilitatea lor mecanică ridicată.
Deoarece limitările asupra volumului unui atom, și cu atât mai mult ale nucleului, sunt foarte semnificative, vitezele de mișcare a particulelor sunt extrem de mari. Pentru a studia lumea subatomică trebuie să folosim fizica relativistă.
3. Atomul nu seamănă deloc cu un mic sistem planetar. Nu particulele – electronii – se rotesc în jurul nucleului, ci undele probabilistice, iar un electron se poate deplasa de pe orbită în orbită, absorbind sau emițând energie sub formă de foton.
4. La nivel subatomic nu există obiecte materiale solide ale fizicii clasice, dar modele de probabilitate a valului, care reflectă probabilitatea existenței unor relații.
5. Particulele elementare nu sunt deloc elementare, ci extrem de complexe.
6. Toate particulele elementare cunoscute au propriile lor antiparticule. Perechile de particule și antiparticule apar în prezența unei cantități suficiente de energie și sunt transformate în energie pură prin procesul invers de anihilare.
7. În timpul coliziunilor, particulele sunt capabile să se transforme una în alta: de exemplu, atunci când un proton și un neutron se ciocnesc, se naște un pi-mezon etc.
8. Niciun experiment nu poate conduce simultan la o măsurare precisă a variabilelor dinamice: de exemplu, incertitudinea poziției unui eveniment în timp se dovedește a fi legată de incertitudinea cantității de energie în același mod ca incertitudinea poziția spațială a unei particule este legată de incertitudinea impulsului acesteia.
9. Masa este o formă de energie; Deoarece energia este o cantitate dinamică asociată cu un proces, particula este percepută ca un proces dinamic folosind energie, care se manifestă sub forma masei particulei.
10. Particulele subatomice sunt atât divizibile, cât și indivizibile. În timpul ciocnirii, energia a două particule este redistribuită și se formează aceleași particule. Și dacă energia este suficient de mare, atunci, pe lângă aceleași ca și cele originale, se pot forma noi particule suplimentare.
11. Forțele de atracție și repulsie reciproce dintre particule pot fi transformate în aceleași particule.
12. Lumea particulelor nu poate fi descompusă în cele mai mici componente independente unele de altele; particula nu poate fi izolată.
13. În cadrul unui atom, materia nu există în locuri specifice, ci mai degrabă „poate exista”; fenomenele atomice nu se întâmplă în anumite locuri și în anumite moduri cu siguranță, ci mai degrabă „se pot întâmpla”.
14. Rezultatul experimentului este influențat de sistemul de pregătire și măsurare, a cărui verigă finală este observatorul. Proprietățile unui obiect contează doar în contextul interacțiunii obiectului cu observatorul, deoarece observatorul decide cum va efectua măsurători și, în funcție de decizia sa, primește o caracteristică a proprietății obiectului observat.
15. Conexiunile non-locale operează în lumea subatomică.
S-ar părea că există destulă complexitate și confuzie în lumea subatomică care stă la baza macrocosmosului. Dar nu! Asta nu e tot.
Realitatea care a fost descoperită în urma studiului lumii subatomice a relevat unitatea conceptelor care până acum păreau opuse și chiar ireconciliabile. Nu numai că particulele sunt simultan divizibile și indivizibile, materia este atât discontinuă, cât și continuă, energia este transformată în particule și invers, etc., fizica relativistă chiar a unificat conceptele de spațiu și timp. Această unitate fundamentală care există într-o dimensiune superioară (spațiu-timp cu patru dimensiuni) este baza pentru unificarea tuturor conceptelor opuse.
Introducerea conceptului de unde probabilistice, care într-o anumită măsură a rezolvat paradoxul „undă-particulă”, mutându-l într-un context complet nou, a condus la apariția unei noi perechi de opoziții mult mai globale: existenţă şi inexistenţă(1). Realitatea atomică se află dincolo de această opoziție.
Poate că această opoziție este cea mai greu de perceput de conștiința noastră. În fizică, este posibil să se construiască modele specifice care arată tranziția de la starea particulelor la starea undelor și înapoi. Dar niciun model nu poate explica trecerea de la existență la inexistență. Niciun proces fizic nu poate fi folosit pentru a explica trecerea de la o stare numită particulă virtuală la o stare de repaus în vid, în care aceste obiecte dispar.
Nu putem spune că o particulă atomică există într-un punct sau altul și nu putem spune că nu există acolo. Fiind o schemă probabilistică, o particulă poate exista (simultan!) în puncte diferite și poate reprezenta un fel ciudat de realitate fizică, ceva între existență și inexistență. Prin urmare, nu putem descrie starea unei particule în termeni de concepte opuse fixe (negru - alb, plus - minus, rece - cald etc.). Particula nu este situată într-un anumit punct și nu lipsește acolo. Nu se mișcă și nu se odihnește. Se schimbă doar modelul probabil, adică tendința particulei de a fi în anumite puncte.
Robert Oppenheimer a exprimat acest paradox cel mai precis când a spus: „Dacă ne întrebăm, de exemplu, dacă locația unui electron este constantă, trebuie să spunem „nu”, dacă întrebăm dacă locația unui electron se schimbă în timp, trebuie spune „nu”, dacă întrebăm, dacă electronul este staționar, trebuie să spunem „nu”, dacă întrebăm dacă se mișcă, trebuie să spunem „nu”. Nu se putea spune mai bine!
Nu întâmplător W. Heisenberg a recunoscut: „Îmi amintesc numeroase certuri cu Dumnezeu până târziu în noapte, terminând cu recunoașterea neputinței noastre; Când, după o ceartă, am ieșit la o plimbare într-un parc din apropiere, mi-am pus aceeași întrebare din nou și din nou: „Poate exista atâta absurditate în natură cât vedem în rezultatele experimentelor atomice?”
Asemenea perechi de concepte opuse ca forță și materie, particule și undă, mișcare și odihnă, existență și inexistență, combinate într-o unitate simultană, reprezintă astăzi cea mai dificilă poziție a teoriei cuantice de înțeles. Este greu de prezis cu ce alte paradoxuri care ne răstoarnă toate ideile se va confrunta știința?
Lume furioasă . Dar asta nu este tot. Capacitatea particulelor de a răspunde la compresie prin creșterea vitezei lor de mișcare vorbește despre mobilitatea fundamentală a materiei, care devine evidentă pe măsură ce ne adâncim în lumea subatomică. În această lume, majoritatea particulelor sunt înlănțuite de structuri moleculare, atomice și nucleare și toate nu sunt în repaus, ci sunt într-o stare de mișcare haotică; sunt mobile prin natura lor. Teoria cuantică arată că materia se mișcă în mod constant, fără a rămâne niciodată în repaus pentru o clipă.
De exemplu, luând o bucată de fier în mâini, nu auzim și nu simțim această mișcare, ea, fierul, ni se pare nemișcat și pasiv; Dar dacă ne uităm la această bucată de fier „moartă” la un microscop foarte puternic, care ne va permite să vedem tot ce se întâmplă în atom, vom vedea cu totul altceva. Să ne amintim de modelul atomului de fier, în care douăzeci și șase de electroni se învârt în jurul unui nucleu format din douăzeci și șase de protoni și treizeci de neutroni. Vârtejul rapid de douăzeci și șase de electroni în jurul nucleului este ca un roi haotic și în continuă schimbare de insecte. Este uimitor cum acești electroni care se învârtesc sălbatic nu se ciocnesc unii cu alții. Se pare că există un mecanism încorporat în interiorul fiecăruia, asigurându-se vigilent că nu se ciocnesc.
Și dacă ne uităm în nucleu, vom vedea protoni și neutroni dansând într-un ritm frenetic de lambada, cu dansatori alternând și cupluri schimbându-și partenerii. Într-un cuvânt, în metalul „mort”, în sens literal și figurat, există o mișcare atât de diversă de protoni, neutroni și electroni, care este pur și simplu imposibil de imaginat.
Această lume cu mai multe straturi, furioasă, este formată din atomi și particule subatomice care se mișcă pe diverse orbite la viteze sălbatice, „danând” minunatul dans al vieții pe muzica pe care a compus-o cineva. Dar toate obiectele materiale pe care le vedem în jurul nostru constau din atomi legați între ei prin legături intramoleculare de diferite tipuri și formează astfel molecule. Doar electronii dintr-o moleculă se mișcă nu în jurul fiecărui nucleu atomic, ci în jurul unui grup de atomi. Și aceste molecule sunt, de asemenea, în mișcare vibrațională haotică constantă, a cărei natură depinde de condițiile termice din jurul atomilor.
Pe scurt, în lumea subatomică și atomică, ritmul, mișcarea și schimbarea constantă domnesc suprem. Dar toate modificările nu sunt aleatorii sau arbitrare. Ele urmează modele foarte clare și distincte: toate particulele de un tip sau altul sunt absolut identice ca masă, sarcină electrică și alți indicatori caracteristici; toate particulele încărcate au o sarcină electrică care este fie egală cu sarcina electronului, fie opusă în semn, fie de două ori mai mare; și alte caracteristici ale particulelor nu pot lua valori arbitrare, ci doar un număr limitat dintre acestea, ceea ce permite oamenilor de știință să împartă particulele în mai multe grupuri, care pot fi numite și „familii” (24).
Inevitabil apar întrebări: cine a compus muzica pentru dansul uimitor al particulelor subatomice, cine a stabilit programul de informare și a învățat cuplurile să danseze, în ce moment a început acest dans? Cu alte cuvinte: cum se formează materia, cine a creat-o, când s-a întâmplat? Acestea sunt întrebările la care știința caută răspunsuri.
Din păcate, viziunea noastră asupra lumii este caracterizată de limitări și aproximație. Înțelegerea noastră limitată a naturii duce la dezvoltarea unor „legi ale naturii” limitate care ne permit să descriem un număr mare de fenomene, dar cele mai importante legi ale universului care influențează viziunea umană asupra lumii rămân încă în mare parte necunoscute pentru noi.
„Atitudinea majorității fizicienilor seamănă cu cea a unui schizofrenic”, spune teoreticianul în fizică cuantică Fritz Rohrlich de la Universitatea Syracuse. – Pe de o parte, ei acceptă interpretarea standard a teoriei cuantice. Pe de altă parte, ei insistă asupra realității sistemelor cuantice, chiar dacă ele sunt fundamental neobservabile.”
Este o poziție cu adevărat ciudată de luat, care poate fi exprimată astfel: „Nu mă voi gândi la asta, chiar dacă știu că este adevărat”. Această poziție îi împiedică pe mulți fizicieni să ia în considerare consecințele logice ale celor mai uimitoare descoperiri ale fizicii cuantice. După cum subliniază David Mermin de la Universitatea Cornell, fizicienii se împart în trei categorii: prima, o mică minoritate care este bântuită de consecințe logice evidente; al doilea este un grup care evită problema cu ajutorul multor considerații și argumente, în mare parte insuportabile; si in sfarsit, a treia categorie - cei care nu au consideratii, dar asta nu ii deranjeaza. „Această poziție este, desigur, cea mai confortabilă”, notează Mermin (1).
Cu toate acestea, oamenii de știință realizează că toate teoriile lor care descriu fenomenele naturale, inclusiv descrierea „legilor”, sunt un produs al conștiinței umane, consecințe ale structurii conceptuale a imaginii noastre despre lume și nu proprietăți ale realității în sine. Toate modelele și teoriile științifice sunt doar aproximări ale adevăratei stări de lucruri. Niciunul dintre ei nu poate pretinde că este adevărul suprem. Neconcludența teoriilor se manifestă în primul rând în utilizarea așa-numitelor „constante fundamentale”, adică cantități ale căror valori nu sunt derivate din teoriile corespunzătoare, ci sunt determinate empiric. Teoria cuantică nu poate explica de ce un electron are o astfel de masă și o astfel de sarcină electrică, iar teoria relativității nu poate explica exact această valoare a vitezei luminii.
Desigur, știința nu va putea niciodată să creeze o teorie ideală care să explice totul, dar trebuie să se străduiască în mod constant pentru aceasta, chiar dacă este un scop de neatins. Cu cât bara peste care trebuie să sară este mai sus, cu atât va atinge înălțimea mai mare, chiar dacă nu stabilește un record. Și oamenii de știință, ca un săritor la antrenament, ridică constant ștacheta, dezvoltând succesiv teorii parțiale și aproximative separate, fiecare mai precisă decât cea anterioară.
Astăzi, știința are deja o serie de teorii și modele particulare care descriu cu succes unele aspecte ale realității cuantice a undelor care ne îngrijorează. Potrivit multor oameni de știință, cele mai promițătoare teorii - puncte de sprijin pentru dezvoltarea ulterioară a fizicii teoretice bazate pe conștiință sunt ipoteza „bootstrap” a lui Jeffrey Chu, teoria lui David Bohm și teoria câmpurilor de torsiune. Iar munca experimentală unică a oamenilor de știință ruși sub conducerea academicianului V.P Kaznacheev confirmă în mare măsură corectitudinea abordărilor în studiul Universului și al Conștiinței conținute în ipotezele și teoriile indicate.
Din cartea Învățătura hiperboreană autorul Tatishchev B Yu2. 1. Paradoxurile Rusiei moderne. Vremurile s-au schimbat. Pentru a continua jaful Rusiei și a poporului său, actualii „democrați” trebuie să facă unele eforturi pentru a „stabiliza economia”. Și „patrioții - suverani” au depășit de mult toate termenele care le-au fost alocate
Din cartea Fenomenele altor lumi autor Kulsky AlexanderCapitolul 11. PARADOXURI CARE NU S-A ÎNTÂMPLAT Una dintre cele mai de temelie, pietre fundamentale care stau la baza fizicii și filosofiei tradiționale este principiul cauzalității. Adică unidirecționalitate „de fier” în relația dintre cauză și efect. În primul rând, prin urmare,
Din cartea Fundamentele fizicii spirituale autor Sklyarov Andrei IurieviciCapitolul 6. Obiectele active și pasive ale lumii spiritual-imateriale ca analog al lumii materiale vii și neînsuflețite. „Totul este viu, dar în mod convențional considerăm viu doar ceea ce simte suficient de puternic.” K. Tsiolkovsky În macrocosmosul material, după cum se știe, materia (ca una
Din cartea Ultimul Testament al lui Don Juan: Magia toltecă și ezoterismul spiritualității autor Kapten (Omkarov) Yuri (Arthur) Leonardovici6. PARADOXURI ALE SĂNĂTĂȚII DIN POZIȚIA MAGIEI ȘI A SPIRITUALITĂȚII Deși multe aspecte ale magiei autovindecării au fost deja notate mai sus și a trebuit să mă repet de mai multe ori, are sens să sistematizez și să adun la un loc punctele asociate cu dobândind o sănătate indestructibilă prin
Din cartea OZN: Vizitatori din Eternitate autor Komissarov Vitali SergheeviciParadoxurile cunoașterii antice „...În concepțiile noastre înrădăcinate asupra trecutului, strămoșul neoliticului a fost întotdeauna prezentat în imaginea unui puști blănos care urmărea un mamut. Dar descoperiri neașteptate au plouat una după alta...” Cine au fost noștri strămoși? Această întrebare părea să fi primit răspuns de mult timp
Din cartea Natura timpului: Ipoteza despre originea și esența fizică a timpului autor Plaja Anatoly Makarovich3.3. Mistere și paradoxuri ale timpului Îndoielile cu privire la includerea sau nu a acestei secțiuni în această lucrare nu m-au lăsat până în ultimul moment. Pe de o parte, aș dori să încerc să explic unele dintre misterele timpului și fenomenele parapsihologiei, dar pe de altă parte, acest lucru
Din cartea Viața fără frontiere. Legea morală autor3.3.1. Paradoxurile fizice ale timpului „În vara anului 1912... ziarele britanice au descris o poveste misterioasă care s-a întâmplat într-un tren expres care călătorea de la Londra la Glasgow. Incidentul a fost martor într-una dintre vagoane de doi pasageri necunoscuti unul altuia -
Din cartea Învățătura vieții autor Roerich Elena Ivanovna Din cartea Cartea 3. Cărări. Drumuri. Întâlniri autor Sidorov Gheorghi Alekseevici Din cartea Învățătura vieții autor Roerich Elena Ivanovna Din cartea Arta de a gestiona lumea autor Vinogrodsky Bronislav Bronislavovici[Simbolul Mamei Lumii care își ascunde Fața de lume] Permiteți-mi să vă reamintesc că Mama Lumii și-a ascuns Fața de omenire și din motive cosmice. Pentru că atunci când Lucifer a decis să umilească o femeie pentru a prelua puterea asupra umanității, condițiile cosmice au favorizat astfel de
Din cartea Viața fără frontiere. Legea morală autor Jikarentsev Vladimir VasilieviciGestionarea stărilor Paradoxurile conștiinței De îndată ce apare dorința de a-și îmbunătăți starea, înseamnă că a avut loc o deteriorare. Imediat ce ai de gând să te îmbunătățești, înseamnă că ai descoperit noi imperfecțiuni intenția se naște acolo unde este descoperită
Din cartea Cum visele și scrisul de mână pot ajuta la corectarea greșelilor trecutului de Entis JackManagementul stărilor Paradoxurile celor mari Principiile dezvoltării conștiinței pot fi exprimate în definiții stabile: Starea internă de claritate în înțelegerea perfecțiunii se poate manifesta în exterior ca întunericul neînțelegerii Starea internă a progresului pe calea perfecțiunii
Din cartea Codul nemuririi. Adevărul și miturile despre viața veșnică autor Prokopenko Igor StanislavoviciParadoxurile vieții rusești Legile și logica nu funcționează în Rusia, pentru că legea principală în țara noastră este inima, centrul în care converg toate contrariile. Inima judecă lumea, oamenii și fenomenele pe baza unității lumii și lucrurilor, de aceea nu există legi pentru ea,
Din cartea autoruluiCapitolul 14 Visele care ne trezesc (Sau vise-paradoxuri) Cel mai adesea distingem visele profetice sau predictive prin culoarea lor strălucitoare și severitatea senzațiilor. Dar și din cauza PARADOXICĂȚII intrigii sau imaginii... Să revenim la Alice noastră Voi scoate din context imagini paradoxal
Din cartea autoruluiCapitolul 3. Paradoxurile longevității În vara anului 2013, oamenii de știință au făcut o prognoză senzațională: literalmente, în 10 ani, durata medie de viață a omului s-ar putea dubla, iar pe termen lung, este posibil să învingă îmbătrânirea și apoi moartea Kiel
Particulele care alcătuiesc atomii pot fi gândite în moduri diferite - de exemplu, ca boabe rotunde de praf. Sunt atât de mici încât fiecare astfel de bucățică de praf nu poate fi văzută individual. Toată materia care se află în lumea înconjurătoare este formată din astfel de particule. Care sunt particulele care alcătuiesc atomii?
Definiţie
O particulă subatomică este una dintre acele „cărămizi” din care este construită întreaga lume înconjurătoare. Astfel de particule includ protoni și neutroni, care fac parte din nucleele atomice. Această categorie include și electronii care orbitează nucleele. Cu alte cuvinte, particulele subatomice din fizică sunt protoni, neutroni și electroni. În lumea familiară oamenilor, de regulă, particulele de alt fel nu se găsesc - trăiesc neobișnuit de scurt. Când vârsta lor se termină, se dezintegrează în particule obișnuite.
Numărul acelor particule subatomice care trăiesc relativ scurtă astăzi se ridică la sute. Numărul lor este atât de mare încât oamenii de știință nu mai folosesc nume comune pentru a se referi la ele. Asemenea stelelor, li se atribuie adesea denumiri numerice și litere.
Caracteristici principale
Cele mai importante caracteristici ale oricărei particule subatomice includ spinul, sarcina electrică și masa. Deoarece greutatea unei particule este adesea legată de masa sa, unele dintre particule sunt în mod tradițional numite „grele”. Ecuația derivată de Einstein (E = mc2) indică faptul că masa unei particule subatomice depinde direct de energia și viteza acesteia. În ceea ce privește sarcina electrică, aceasta este întotdeauna un multiplu al unității fundamentale. De exemplu, dacă sarcina unui proton este +1, atunci sarcina unui electron este -1. Cu toate acestea, unele particule subatomice, cum ar fi fotonii sau neutrinii, nu au deloc sarcină electrică.
O altă caracteristică importantă este durata de viață a particulei. Mai recent, oamenii de știință erau încrezători că electronii, fotonii, precum și neutrinii și protonii sunt complet stabili, iar durata lor de viață este aproape infinită. Cu toate acestea, acest lucru nu este în întregime adevărat. Un neutron, de exemplu, rămâne stabil doar până când este „eliberat” din nucleul unui atom. După aceasta, durata sa de viață este în medie de 15 minute. Toate particulele instabile suferă un proces de dezintegrare cuantică, care nu poate fi niciodată complet previzibil.
Cercetarea particulelor
Atomul a fost considerat indivizibil până la descoperirea structurii sale. Cu aproximativ un secol în urmă, Rutherford și-a efectuat celebrele experimente, care au implicat bombardarea unei foi subțiri. S-a dovedit că atomii substanței erau practic goli. Și în centrul atomului se află tot ceea ce numim nucleul atomului - este de aproximativ o mie de ori mai mic decât atomul însuși. La acea vreme, oamenii de știință credeau că atomul consta din două tipuri de particule - nucleul și electroni.
De-a lungul timpului, oamenii de știință au început să se întrebe: de ce protonul, electronul și pozitronul se lipesc împreună și nu se destramă în direcții diferite sub influența forțelor coulombiene? Și, de asemenea, pentru oamenii de știință din acea vreme a rămas neclar: dacă aceste particule sunt elementare, atunci nimic nu li se poate întâmpla și trebuie să trăiască pentru totdeauna.
Odată cu dezvoltarea fizicii cuantice, cercetătorii au descoperit că neutronul este supus dezintegrarii și destul de repede. Se descompune într-un proton, un electron și altceva care nu poate fi prins. Acesta din urmă a fost remarcat prin lipsa de energie. La acea vreme, oamenii de știință au presupus că lista particulelor elementare a fost epuizată, dar acum se știe că acest lucru este departe de a fi cazul. A fost descoperită o nouă particulă numită neutrin. Nu poartă sarcină electrică și are o masă extrem de mică.
Neutroni
Un neutron este o particulă subatomică care are o sarcină electrică neutră. Masa sa este de aproape 2 mii de ori mai mare decât masa unui electron. Deoarece neutronii aparțin clasei de particule neutre, ei interacționează direct cu nucleele atomilor, și nu cu învelișurile lor de electroni. Neutronii au, de asemenea, un moment magnetic, care permite oamenilor de știință să studieze structura magnetică microscopică a materiei. Radiația neutronică este inofensivă chiar și pentru organismele biologice.
Particulă subatomică - proton
Oamenii de știință au descoperit că aceste „blocuri de bază ale materiei” constau din trei quarci. Un proton este o particulă încărcată pozitiv. Masa unui proton depășește masa unui electron de 1836 de ori. Un proton și un electron se combină pentru a forma cel mai simplu element chimic - atomul de hidrogen. Până de curând, se credea că protonii nu își pot schimba raza în funcție de electronii care orbitează deasupra lor. Un proton este o particulă încărcată electric. Când este combinat cu un electron, acesta se transformă într-un neutron.
Electron
Electronul a fost descoperit pentru prima dată de fizicianul englez J. Thomson în 1897. Această particulă, după cum cred acum oamenii de știință, este un obiect elementar sau punctual. Acesta este numele unei particule subatomice dintr-un atom care nu are propria sa structură - nu constă din alte componente mai mici. În unire cu un proton și un neutron, un electron formează un atom. Acum, oamenii de știință nu și-au dat seama încă din ce constă această particulă. Un electron este o particulă care are o sarcină electrică infinitezimală. Cuvântul „electron” însuși, tradus din greaca veche, înseamnă „chihlimbar” - la urma urmei, chihlimbarul a fost folosit de oamenii de știință eleni pentru a studia fenomenele electricității. Acest termen a fost propus de fizicianul britanic în 1894, J. Stoney.
De ce să studiem particulele elementare?
Cel mai simplu răspuns la întrebarea de ce oamenii de știință au nevoie de cunoștințe despre particulele subatomice este: să aibă informații despre structura internă a atomului. Cu toate acestea, o astfel de afirmație conține doar un sâmbure de adevăr. De fapt, oamenii de știință studiază nu doar structura internă a atomului, ci principalul domeniu de cercetare al lor îl reprezintă ciocnirile celor mai mici particule de materie. Când aceste particule, care au o energie enormă, se ciocnesc între ele la viteze mari, se naște literalmente o nouă lume, iar fragmentele de materie rămase după ciocniri ajută la dezvăluirea secretelor naturii care au rămas întotdeauna un mister pentru oamenii de știință.
Fizica subatomică este extrem de populară. Oamenii de știință primesc adesea Premiul Nobel pentru cercetarea în acest domeniu. Neutrinii sunt incredibil de populari. Pentru această particulă au fost acordate patru premii. În 1988, a fost sărbătorită descoperirea neutrinului muon. În 1995, Fred Reiners a primit premiul pentru detectarea neutrinilor. În 2002, Ray Davies și Masatoshi Koshiba au măsurat câți neutrini trimite Soarele pe Pământ. Anul acesta, Takaaki Kajita și Arthur MacDonald au împărțit premiul pentru că au demonstrat modul în care neutrinii se pot schimba de la o formă la alta.
Wolfgang Pauli, care a prezis neutrino, a primit și premiul Nobel, dar pentru o descoperire diferită în fizica particulelor. S-ar putea să fi obținut încă unul pentru neutrini, dar și-a publicat descoperirea sub forma unei scrisori pentru o conferință de fizică la care nu a participat.
Cu toate acestea, cea mai populară particulă subatomică nu este singura surpriză a microlumii. Există încă o duzină de descoperiri diferite care pot fi numite uimitoare.
10. Existența particulelor subatomice
De-a lungul secolului al XIX-lea, însăși existența atomilor a fost pusă la îndoială, datorită succesului teoriei atomice în chimie, exprimată de profesorul englez John Dalton. Înainte de el, atomii erau un concept filozofic abstract care a fost folosit în discuțiile despre natura supremă a materiei, dar a fost considerat în afara cercetării experimentale. Mulți fizicieni, în general, considerau atomii o ficțiune, convenabilă pentru explicarea datelor experimentale, dar ireale.
Datele s-au acumulat și a fost necesar să admitem că, dacă atomii nu există, atunci trebuie să existe un fel de structură indivizibilă asemănătoare lor. Piatra care confirmă existența atomilor a fost repetarea proprietăților elementelor din sistemul periodic al lui Mendeleev. În 1897, Thomson a raportat descoperirea primei particule elementare - electronul, care a infirmat complet indivizibilitatea atomilor.
9. Nucleu atomic
Înainte ca fizicienii să poată accepta ideea că atomii există, ei au trebuit să înceapă să accepte faptul că erau alcătuiți din părți individuale. Thompson a teoretizat că electronii negativi plutesc ca cireșele într-o budincă încărcată pozitiv. Dar când Ernest Rutherford și asistenții săi au reușit să tragă particule alfa într-o foaie subțire de aur, unele dintre „cartușe” au revenit. Acest lucru l-a surprins pe Rutherford, a spus că era comparabil cu împușcarea în hârtie de țesut, cu obuze de artilerie zburând înapoi. Omul de știință a sugerat că în interiorul atomului există o minge minusculă, astăzi le numim nuclee.
8. Neutroni
Până în 1930, fizicienii știau despre existența a două particule subatomice: protonul și electronul, care păreau să explice totul, cu excepția uneia, de ce protonii încărcați pozitiv nu se despart. În 1920, Rutherford a sugerat că erau ținute împreună de o altă particulă din nucleu - neutronul. În 1932, James Chadwick a descoperit o particulă neutră. Numărul particulelor elementare era în continuă creștere.
Descoperirea neutronului a fost o surpriză imensă pentru fizicieni. Când Rutherford a prezentat ideea existenței neutronului, puțini oameni l-au crezut, poate doar Chadwick.
7. Particulele subatomice sunt de fapt unde
Această surpriză este legată de o poveste destul de comică. În 1906, Thomson a primit Premiul Nobel pentru că a demonstrat experimental existența unei particule subatomice - electronul. În 1973, fiul său George a primit și el acest premiu pentru că a fost capabil să demonstreze că un electron este o undă, cel puțin uneori. Această dualitate undă-particulă este în centrul fizicii cuantice.
6. Detectarea neutrinilor
În 1934, Bethe și Rudolf Peierls au demonstrat că neutrinii interacționează slab cu materia și ar fi o prostie să încercăm să detectăm chiar și unul. Veți avea nevoie de un rezervor de materie solidă cu un diametru de 1000 de ani lumină. Dar apoi a fost descoperită degradarea atomică și au fost inventate reactoarele nucleare. Fizicienii au descoperit o sursă prolifică de neutrini.
5. Particulele elementare s-au dovedit a nu fi atât de elementare
Până în 1950, multe particule subatomice au fost descoperite nu numai că atomul indivizibil s-a dovedit a fi divizibil, dar numărul particulelor sale a depășit cincizeci; Unul dintre laureații Premiului Nobel, Leon Laderman, a glumit chiar că, dacă ar trebui să învețe numele tuturor particulelor subatomice, ar deveni botanist. Fizicienii au început să suspecteze că particulele elementare au propriile lor detalii.
4. Quarci
În 1950, fizicienii au aflat despre particulele subatomice, care nu fac parte din atomi. În 1960, a apărut ideea că particulele elementare constau din cărămizi mici care au o sarcină fracțională. Murray Gell-Mann a numit aceste particule cuarci, o idee inovatoare, deoarece anterior se credea că încărcăturile fracționale erau o prostie. Câțiva ani mai târziu, o altă surpriză din partea experimentatorilor - au reușit să confirme existența quarcilor.
3. Ruperea simetriei
Cu mult înainte de explozia descoperirilor de particule subatomice, respectatul matematician Hermann Weyl a remarcat că natura nu știa nimic despre paritate. Nu poate exista nicio îndoială că toate legile naturii sunt invariante în ceea ce privește permutarea la dreapta și la stânga. Dar în 1956, Chen Ning Yang și Tsung-Dao Li au propus ideea că regula simetriei stânga-dreapta în unele cazuri nu a funcționat când a fost vorba de particule subatomice. Aceasta a fost o senzație, mai ales când a apărut confirmarea de la experimentatori.
2. Stabilitatea protonilor
În afara nucleului atomic, neutronii sunt extrem de instabili și se descompun în câteva minute într-un proton, electron și antineutrin. Dar se pare că protonul este neobișnuit de stabil și poate rămâne indivizibil pentru totdeauna. Deși în anii 1970 teoreticienii au început să creadă că protonii ar trebui să se descompună pe parcursul a cel puțin trilioane de trilioane de ani, în ciuda tuturor eforturilor de a detecta un astfel de eveniment, oamenii de știință nu au reușit să-l detecteze. Acest lucru a provocat o mare surpriză. Totul se descompune, dar protonii nu.
1. Antimaterie
În 1932, nu numai neutronul a fost descoperit, ci și pozitronul. A fost calculată de Karl Anderson analizând urmele razelor cosmice într-o cameră cu nori. Printre amprente, fizicianul a găsit unul care semăna cu cel al electronului, dar era îndoit în direcția greșită. S-a dovedit a fi un pozitron, antiparticula unui electron, Anderson a numit-o electron pozitiv. Descoperirea particulelor de antimaterie a fost o mare surpriză, dar a corespuns pe deplin cu calculele teoretice ale lui Paul Dirac. Este uimitor că cineva ar putea deduce existența a ceva atât de ciudat doar jucându-se cu ecuații.
…Dumnezeu a dat materiei mai întâi forma solidă, masivă,
particule impenetrabile, mobile, de asemenea dimensiuni și forme
şi cu asemenea proprietăţi şi proporţii în raport cu
spațiul care ar fi cel mai potrivit scopului respectiv
pentru care le-a creat.
I. Newton
În istoria filozofiei și științei, se pot distinge aproximativ 3 abordări pentru înțelegerea structurii naturii la nivel micro:
există corpusculi sau atomi indivizibili, lumea se reduce la „cărămizi” fundamentale (Democrit, Newton);
materia este zdrobită continuu și la nesfârșit în bucăți din ce în ce mai mici, neatingând niciodată un atom indivizibil (Aristotel);
în secolul al XX-lea a apărut un concept care explică lumea pe baza interconexiunii dintre toate lucrurile: o particulă nu este o „cărămidă” de materie, ci un proces, o legătură sau un model în întregul Univers (W. Heisenberg, J. Chu, F. Capra).
Prima particulă „elementară” a fost descoperită în 1897 de J.J. Thomson, în timp ce studia razele catodice, a dovedit existența electroni . Atunci când este expus la substanțe, electricitatea negativă este eliberată cu ușurință, care este înregistrată ca fulgerări de lumină pe ecran. Particulele de electricitate negativă au fost numite electroni. O cantitate minimă de electricitate egală cu sarcina unui electron a fost observată în timpul unei descărcări electrice într-un gaz rarefiat. Până în anii 70. secolul XX problema structurii interne a electronului nu a fost rezolvată, încă nu există niciun indiciu asupra structurii sale interne (Anderson 1968; Weiskopf 1977).
Cu un an mai devreme, A. Becquerel a descoperit dezintegrarea radioactivă a sării de uraniu - emisia de particule alfa (nucleele He), aceste particule au fost folosite de Rutherford, care a demonstrat experimental existența nucleului atomic. În 1919, E. Rutherford a efectuat prima reacție nucleară artificială: prin iradierea N cu particule alfa, a obținut izotopul O și a demonstrat că nucleul atomului conține N. proton 27 (considerată particulă limitatoare).
În 1932, J. Chadwick a descoperit o altă particulă nucleară - o neîncărcată neutroni 28. Descoperirea neutronului, care a pus bazele unei noi științe - fizica neutronilor , proprietățile de bază ale neutronului, aplicarea neutronilor sunt consacrate cărții de S.F. Shebalina Neutroni . Au fost observate urme de neutroni într-o cameră cu nori. Masa unui proton este egală cu 1836,1 mase ale unui electron, masa unui neutron este 1838,6. V. Heisenberg, iar independent de el D.D. Ivanenko, I.E. Tamm, exprimă o ipoteză despre structura nucleului atomic din protoni și neutroni: nucleul C, de exemplu, este format din 6 protoni și 6 neutroni. La început 30 de ani se crede: materia constă din atomi, iar atomii constau din 3 particule „elementare”, „blocuri”: protoni, neutroni și electroni (Shebalin 1969; Folta, Novy 1987; Capra 1994: 66-67).
În același an, E.O. Lawrence din California a construit primul ciclotron (accelerator de particule). Acceleratoarele de particule sunt instalații care ciocnesc particule de înaltă energie. Când particulele subatomice care se mișcă la viteze mari se ciocnesc, se atinge un nivel ridicat de energie și se naște o lume de interacțiuni, câmpuri și particule, deoarece nivelul de elementaritate depinde de nivelul de energie. Dacă accelerați o monedă la astfel de viteze, atunci energia ei va fi egală cu producția de energie în valoare de o mie de milioane de dolari. Un accelerator inel cu o circumferință a tunelului de până la 27 km a fost construit lângă Geneva. Astăzi, pentru a testa unele teorii, de exemplu, teoria unificării mari a tuturor particulelor, este nevoie de un accelerator de dimensiunea sistemului solar (Folta, Novy 1987: 270-271; Davis 1989: 90-91).
Particulele sunt descoperite și în acceleratorii naturali, razele cosmice se ciocnesc cu atomii unui dispozitiv experimental, iar rezultatele impactului sunt studiate (așa au fost descoperite pozitronul, muonul și mezonul prezis). Cu ajutorul acceleratoarelor și cercetării radiațiilor cosmice, a fost dezvăluită o lume mare și diversă de particule subatomice. În 1932 au fost descoperite 3 particule, în 1947 – 14, în 1955 – 30, 1969 – peste 200. Concomitent cu experimentele s-au efectuat și cercetări teoretice. Particulele se mișcă adesea cu viteza luminii, , este necesar să se țină cont de teoria relativității. Crearea unei teorii generale a particulelor rămâne o problemă nerezolvată în fizică (Capra 1994: 67).
În 1967, a apărut o ipoteză despre existență tahioane – particule a căror viteză de mișcare este mai mare decât viteza luminii. Au fost descoperite noi „blocuri” de materie, multe particule instabile, de scurtă durată („rezonanțe” trăiesc 10-27 s.) care se descompun în particule obișnuite. Mai târziu a devenit clar că noile particule: rezonanțe și hiperoni, mezoni – stări excitate ale altor particule: protoni și leptoni. La fel ca un atom de H excitat în diferite stări, care apare ca 3 linii spectrale, nu este un alt atom (Born 1967: 127-129).
S-a dovedit că particulele nu se dezintegrează, ci se transformă unele în altele sau în energia cuantelor de câmp, se transformă în „cealaltă lor”, orice particulă poate fi o componentă a oricărei alte. Particulele pot „dispari” în radiații și pot prezenta proprietăți de undă. După prima transformare artificială, când nucleele Li au fost convertite în nuclee He, a atomic, fizica nucleara (Născut în 1967; Weiskopf 1977: 50).
În 1963, M. Gell-Mann și J. Zweig au propus o ipoteză quarcuri . Toate hadronii sunt construite din particule mai mici - quarci de 3 tipuri și antiquarcii lor. Un proton și un neutron sunt formați din 3 quarci (se mai numesc barionii - grele sau nucleoni - particule nucleare). Protonul este stabil, încărcat pozitiv, neutronul este instabil, se transformă într-un proton. Perechile quarc-antiquarc (fiecare particulă are o antiparticulă) formează mezoni (intermediari ca masă între electron și proton). Pentru a explica diversitatea modelelor hadronice, fizicienii au trebuit să postuleze existența cuarcilor suplimentari. Acum există 12 quarci: 4 soiuri sau arome (sus, în jos, ciudat și fermecător), fiecare dintre acestea putând exista în 3 culori. Majoritatea fizicienilor consideră quarcii ca fiind cu adevărat elementari, fără structură. Deși toți hadronii sunt caracterizați prin simetrii de quarci, hadronii se comportă adesea ca și cum ar fi fost formați de fapt din componente punctuale, dar misterul quarcilor încă există (Davis 1989: 100; Hawking 1990: 69; Capra 1994: 228, 229).
În conformitate cu bootstrap ipoteză natura nu poate fi redusă la „blocuri” de materie precum quarcii, ci trebuie înțeleasă pe baza conectivității. Heisenberg, care nu credea în modelul cuarcului, a fost de acord cu imaginea bootstrap a particulelor ca modele dinamice într-o rețea interconectată de evenimente (Capra 1996: 43-49).
Toate particulele cunoscute ale Universului pot fi împărțite în două grupe: particule de materie „solidă” și particule virtuale, purtătoare de interacțiuni , neavând masă „de repaus”. Particulele de materie sunt, de asemenea, împărțite în două grupe: hadronii 29 , nucleonii 30 , barionii sau particule grele și leptoni 31 .
Leptonii includ electronul, muon , tau lepton si 3 tipuri neutrini . Astăzi se obișnuiește să se considere un electron ca fiind un obiect elementar, punctual. Electronul este încărcat negativ, de 1836 de ori mai ușor decât protonul (Weiskopf 1997: 79; Davis 1989: 93-102; Hawking 1990: 63; Feynman, Weinberg 2000).
În 1931, W. Pauli a prezis existența unei particule neutre neutrini , în 1955, într-un reactor nuclear, un neutrin s-a născut dintr-un proton pentru a forma un electron și un neutron.
Aceasta este cea mai uimitoare particulă: cu BV, neutrinul aproape că nu interacționează cu materia, fiind cel mai ușor dintre leptoni. Masa sa este mai mică de o zece miime din masa unui electron, dar este poate cea mai abundentă particulă din Univers și poate provoca prăbușirea acesteia. Neutrinii interacționează cu greu cu materia, pătrunzând prin ea de parcă nu ar fi deloc acolo (un exemplu de existență a formelor neunidimensionale). Un quantum gamma parcurge 3 m în plumb și interacționează cu nucleul unui atom de plumb, iar un neutrin trebuie să parcurgă 4·10 13 km pentru a interacționa. Neutrinii participă doar la interacțiuni slabe. Nu a fost încă stabilit cu precizie dacă neutrinii au de fapt o masă „de repaus”. Există 3 tipuri de neutrini: electroni, muoni și tau.
În 1936, în produsele de interacțiune a razelor cosmice au descoperit muon , o particulă instabilă care se descompune într-un electron și 2 neutrini. La sfârșitul anilor '70, a fost descoperită cea mai grea particulă, leptonul. tau lepton (Davis 1989: 93-95).
În 1928, P. Dirac a prezis, iar în 1932, a descoperit un electron încărcat pozitiv ( pozitron - antiparticulă a electronului.): dintr-un γ-cuantic se nasc un electron și un pozitron - un electron încărcat pozitiv. Când un electron se ciocnește cu un pozitron, sunt produse două raze gamma, deoarece pentru a menține zero la anihilare 32 sunt necesari doi fotoni, imprastiati in directii diferite.
Mai târziu s-a dovedit: toate particulele au antiparticule , interacționând, particulele și antiparticulele se anihilează odată cu formarea cuantelor de energie. Fiecare particulă de materie are o antiparticulă. Când o particulă și o antiparticulă se ciocnesc, ele se anihilează, în urma căreia se eliberează energie și se nasc alte particule. În Universul timpuriu existau mai multe particule decât antiparticule, altfel anihilarea ar fi umplut Universul cu radiații și nu ar fi existat nicio materie (Silk 1982: 123-125; Hawking 1990: 64, 71-72).
Starea electronilor dintr-un atom este determinată folosind o serie de numere numite numere cuantice , și indicați locația și forma orbitelor:
număr (n) – acesta este numărul orbital, care determină cantitatea de energie pe care trebuie să o aibă un electron pentru a fi pe orbită, rază;
număr (ℓ) determină forma exactă a undei de electroni pe orbită;
număr (m) numit magnetic și determină sarcina câmpului care înconjoară electronul;
numere(e) , așa-numitul rotire (rotația) determină viteza și direcția de rotație a electronului, care este determinată de forma undei electronului în ceea ce privește probabilitatea ca particulele să existe în anumite puncte ale orbitei.
Deoarece aceste caracteristici sunt exprimate în numere întregi, aceasta înseamnă că cantitatea de rotație a electronului nu crește treptat, ci brusc - de la o valoare fixă la alta. Particulele se caracterizează prin prezența sau absența masei, sarcinii electrice, spin (caracteristică de rotație, particulele de materie au spin +1/2, –1/2, particule care poartă interacțiunile 0, 1 și 2) și Timpul de viață (Erdei- Gruz 1976; Davis 1989: 38-41, 92; Hawking 1990: 62-63;
În 1925, W. Pauli a pus întrebarea: de ce electronii dintr-un atom ocupă o poziţie strict definită (2 pe prima orbită, 8 pe a doua, 32 pe a patra)? Analizând spectrele, el a dezvăluit un principiu simplu: două particule identice nu pot fi în aceeași stare , adică nu pot avea aceleași coordonate, viteze, numere cuantice. Toate particulele de materie se supun Principiul excluderii al lui W. Pauli .
Acest principiu subliniază o organizare clară a structurilor, în afara căreia particulele s-ar transforma într-un jeleu omogen și dens. Principiul excluderii a făcut posibilă explicarea proprietăților chimice ale elementelor determinate de electronii învelișurilor exterioare neumplute, care au furnizat baza pentru tabelul periodic al elementelor. Principiul Pauli a condus la noi descoperiri și înțelegere a conductivității termice și electrice a metalelor și semiconductorilor. Folosind principiul excluderii, au fost construite învelișurile electronice ale atomilor, iar sistemul de elemente al lui Mendeleev a devenit clar (Dubnishcheva 1997: 450-452).
Există însă particule care nu se supun principiului de excludere al lui W. Pauli (nu există o limită a numărului de particule schimbate, forța de interacțiune poate fi oricare), particule purtătoare sau particule virtuale care nu au o masă „de repaus” și creează forțe. între particule de materie (Hawking 1990: 64 -65).
