Doktor i fysiske og matematiske vitenskaper M. KAGANOV.

I følge en lang tradisjon forteller tidsskriftet "Science and Life" om de siste prestasjonene innen moderne vitenskap, om de siste oppdagelsene innen fysikk, biologi og medisin. Men for å forstå hvor viktige og interessante de er, er det i det minste i generelle termer nødvendig å ha en ide om grunnlaget for vitenskapene. Moderne fysikk utvikler seg raskt, og folk fra den eldre generasjonen, de som studerte på skolen og ved instituttet for 30-40 år siden, er ukjent med mange av dens bestemmelser: de eksisterte rett og slett ikke da. Og våre unge lesere har ennå ikke hatt tid til å finne ut om dem: populærvitenskapelig litteratur har praktisk talt sluttet å bli publisert. Derfor ba vi den mangeårige forfatteren av tidsskriftet M.I.Kaganov om å snakke om atomer og elementærpartikler og om lovene som styrer dem, om hva materie er. Moisei Isaakovich Kaganov er en teoretisk fysiker, forfatter og medforfatter av flere hundre arbeider om kvanteteorien om faste stoffer, teorien om metaller og magnetisme. Han var en ledende forsker ved Institutt for fysiske problemer. P. L. Kapitsa og professor ved Moscow State University. MV Lomonosov, medlem av redaksjonene til tidsskriftene "Priroda" og "Kvant". Forfatter av mange populærvitenskapelige artikler og bøker. Nå bor han i Boston (USA).

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

Den greske filosofen Demokritos var den første som uttalte ordet "atom". I følge hans lære er atomer udelelige, uforgjengelige og er i konstant bevegelse. De er uendelig mangfoldige, har fordypninger og buler, som de låser sammen og danner alle materielle kropper.

Tabell 1. De viktigste egenskapene til elektroner, protoner og nøytroner.

Deuterium atom.

Den engelske fysikeren Ernst Rutherford regnes med rette som grunnleggeren av kjernefysikk, læren om radioaktivitet og teorien om atomstruktur.

På bildet: overflaten av en wolframkrystall, forstørret 10 millioner ganger; hvert lyspunkt er dets separate atom.

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

I arbeidet med å lage teorien om stråling, kom Max Planck i 1900 til den konklusjon at atomene til et oppvarmet stoff skulle sende ut lys i porsjoner, kvanter, som har virkningsdimensjonen (J. c) og energi proporsjonal med strålingen frekvens: E = hn.

I 1923 overførte Louis de Broglie Einsteins idé om lysets doble natur - bølge-partikkel-dualitet - til materie: bevegelsen til en partikkel tilsvarer forplantningen av en uendelig bølge.

Eksperimenter med diffraksjon bekreftet overbevisende teorien til de Broglie, som hevdet at bevegelsen til enhver partikkel er ledsaget av en bølge, hvis lengde og hastighet avhenger av partikkelens masse og energi.

Vitenskap og liv // Illustrasjoner

En erfaren biljardspiller vet alltid hvordan ballene vil rulle etter et treff, og setter dem enkelt i lommer. Atompartikler er mye mer kompliserte. Det er umulig å indikere banen til et flygende elektron: det er ikke bare en partikkel, men også en bølge, uendelig i rommet.

Om natten, når det ikke er skyer på himmelen, månen ikke er synlig og lyktene forstyrrer ikke, himmelen er fylt med sterkt skinnende stjerner. Du trenger ikke å lete etter kjente konstellasjoner eller prøve å finne planeter nær Jorden. Bare se! Prøv å forestille deg et stort rom fylt med verdener og som strekker seg over milliarder av milliarder lysår. Bare på grunn av avstanden ser verdenene ut til å være punkter, og mange av dem er så fjerne at de ikke kan skilles fra hverandre og smelter sammen til en tåke. Det ser ut til at vi er i sentrum av universet. Vi vet nå at dette ikke er tilfelle. Avvisningen av geosentrisme er en stor vitenskapelig fortjeneste. Det tok mye krefter å innse at baby-jorden beveger seg i et tilfeldig, tilsynelatende uvalgt område med grenseløst (bokstavelig talt!) rom.

Men livet begynte på jorden. Det utviklet seg så vellykket at det var i stand til å produsere en person som var i stand til å forstå verden rundt seg, til å søke og finne lovene som styrer naturen. Menneskehetens prestasjoner i kunnskapen om naturlovene er så imponerende at man ufrivillig føler stolthet over å tilhøre denne klypen av fornuft, tapt i periferien av en vanlig galakse.

Gitt mangfoldet av alt som omgir oss, er eksistensen av generelle lover fantastisk. Like påfallende er det alt er bygget av partikler av bare tre typer - elektroner, protoner og nøytroner.

For å bruke de grunnleggende naturlovene for å utlede de observerbare og forutsi nye egenskaper til ulike stoffer og objekter, er det laget komplekse matematiske teorier som slett ikke er enkle å forstå. Men konturene av det vitenskapelige bildet av verden kan forstås uten å ty til en streng teori. Naturligvis krever dette lyst. Men ikke bare: selv en foreløpig bekjent vil måtte bruke litt arbeid. Det er nødvendig å prøve å forstå nye fakta, ukjente fenomener, som ved første øyekast ikke stemmer overens med den eksisterende opplevelsen.

Vitenskapens prestasjoner fører ofte til ideen om at det "ikke er noe hellig": det som var sant i går blir forkastet i dag. Med kunnskap oppstår en forståelse av hvor engstelig vitenskapen forholder seg til hvert korn av akkumulert erfaring, med hvilken forsiktighet den går fremover, spesielt i de tilfellene hvor det er nødvendig å forlate inngrodde ideer.

Hensikten med denne historien er å gjøre deg kjent med de grunnleggende trekkene i strukturen til uorganiske stoffer. Til tross for den uendelige variasjonen, er strukturen deres relativt enkel. Spesielt når du sammenligner dem med en hvilken som helst, selv den enkleste levende organisme. Men det er én ting til felles: alle levende organismer, som uorganiske stoffer, er bygget av elektroner, protoner og nøytroner.

Det er umulig å forstå omfanget: for, i det minste i generelle termer, å gjøre en kjent med strukturen til levende organismer, er det nødvendig med en spesiell historie.

INTRODUKSJON

Variasjonen av ting, gjenstander - alt vi bruker, det som omgir oss, er enormt. Ikke bare i deres formål og struktur, men også i materialene som brukes til å lage dem - stoffer, som de sier, når det ikke er nødvendig å understreke deres funksjon.

Stoffer, materialer fremstår som solide, og følesansen bekrefter det øynene ser. Det ser ut til at det ikke er noen unntak. Rennende vann og fast metall, så ulikt hverandre, er like på én ting: både metall og vann er faste. Riktignok kan salt eller sukker løses i vann. De finner et sted for seg selv i vannet. Du kan også slå en spiker inn i en solid kropp, for eksempel en treplate. Med en merkbar innsats kan du sikre at stedet som ble okkupert av treet vil bli okkupert av en jernspiker.

Vi vet godt: du kan bryte av et lite stykke fra en solid kropp, du kan slipe nesten hvilket som helst materiale. Noen ganger er det vanskelig, noen ganger skjer det spontant, uten vår medvirkning. Se for oss på stranden, på sanden. Vi forstår at et sandkorn er langt fra den minste materiepartikkelen som utgjør sand. Hvis du prøver, kan du redusere sandkornene, for eksempel ved å føre det gjennom rullene - gjennom to sylindre av veldig hardt metall. En gang mellom rullene vil sandkornet bli knust til mindre biter. Det er faktisk slik mel lages av korn i møller.

Nå som atomet har kommet godt inn i vår oppfatning av verden, er det veldig vanskelig å forestille seg at folk ikke visste om fragmenteringsprosessen var begrenset eller om stoffet kunne knuses på ubestemt tid.

Det er ikke kjent når folk først stilte seg dette spørsmålet. Det ble først registrert i skriftene til gamle greske filosofer. Noen av dem mente at uansett hvor mye stoffet er, tillater det oppdeling i enda mindre deler - det er ingen grense. Andre uttrykte ideen om at det er de minste udelelige partiklene, som alt består av. For å understreke at disse partiklene er grensen for fragmentering, kalte de dem atomer (på gammelgresk betyr ordet "atom" udelelig).

Det er nødvendig å nevne de som var de første til å fremme ideen om eksistensen av atomer. Disse er Demokrit (født ca. 460 eller 470 f.Kr., død i alderdom) og Epikur (341-270 f.Kr.). Så, atomvitenskap er nesten 2500 år gammel. Begrepet atomer ble på ingen måte umiddelbart akseptert av alle. Selv for 150 år siden var det få som var sikre på eksistensen av atomer, selv blant forskere.

Poenget er at atomer er veldig små. De kan ikke sees ikke bare med et enkelt øye, men også for eksempel med et mikroskop som forstørres 1000 ganger. La oss tenke på det: hva er størrelsen på de minste partiklene du kan se? Ulike mennesker har forskjellig syn, men sannsynligvis vil alle være enige om at det er umulig å se en partikkel mindre enn 0,1 millimeter i størrelse. Ved hjelp av et mikroskop er det derfor mulig, om enn med vanskeligheter, å se partikler på omtrent 0,0001 millimeter, eller 10 -7 meter. Ved å sammenligne størrelsene på atomer og interatomære avstander (10 -10 meter) med lengden, som vi aksepterte som grensen for muligheten til å se, vil vi forstå hvorfor ethvert stoff ser ut til å være kontinuerlig.

2500 år er lang tid. Uansett hva som skjedde i verden, var det alltid mennesker som prøvde å svare på spørsmålet om hvordan verden rundt dem fungerer. Noen ganger bekymret problemene med verdens struktur mer, i noen - mindre. Vitenskapens fødsel i sin moderne forstand skjedde relativt nylig. Forskere har lært å sette opp eksperimenter - å stille naturspørsmål og forstå svarene, å lage teorier som beskriver resultatene av eksperimenter. Teorier krevde strenge matematiske metoder for å komme til pålitelige konklusjoner. Vitenskapen har kommet langt. På denne veien, som for fysikk begynte for rundt 400 år siden med verkene til Galileo Galilei (1564-1642), ble det oppnådd en uendelig mengde informasjon om materiens struktur og egenskapene til kropper av forskjellig natur, et uendelig antall forskjellige fenomener ble oppdaget og forstått.

Menneskeheten har lært å ikke bare passivt forstå naturen, men også å bruke den til sine egne formål.

Vi vil ikke vurdere historien til utviklingen av atomkonsepter over 2500 år og fysikkens historie de siste 400 årene. Vår oppgave er å fortelle så kort og tydelig som mulig om hva og hvordan alt er bygget opp – gjenstandene rundt oss, kropper og oss selv.

Som allerede nevnt er alle stoffer sammensatt av elektroner, protoner og nøytroner. Jeg har visst dette siden skoleårene mine, men det slutter aldri å forbløffe meg at alt er bygget av kun tre typer partikler! Men verden er så mangfoldig! I tillegg er virkemidlene som brukes av naturen for å utføre konstruksjon også ganske monotone.

En konsistent beskrivelse av hvordan ulike typer stoffer er bygget opp er en kompleks vitenskap. Hun bruker seriøs matematikk. Det skal understrekes at det ikke finnes noen annen enkel teori. Men de fysiske prinsippene som ligger til grunn for forståelsen av strukturen og egenskapene til stoffer, selv om de er ikke-trivielle og vanskelige å forestille seg, kan fortsatt forstås. Med vår historie vil vi prøve å hjelpe alle som er interessert i strukturen i verden vi lever i.

SKARP METODE, ELLER Skill og gjenkjenn

Det ser ut til at den mest naturlige måten å forstå hvordan en bestemt kompleks enhet (leketøy eller mekanisme) fungerer, er å demontere og dekomponere den til dens komponentdeler. Du må bare være veldig forsiktig, og husk at det vil være mye vanskeligere å brette. "Å bryte er ikke å bygge" - sier folkevisdom. Og en ting til: hva enheten består av, forstår vi kanskje, men hvordan den fungerer er usannsynlig. Noen ganger er det verdt å skru ut en skrue, og det er det - enheten sluttet å fungere. Det er nødvendig ikke så mye å demontere, men å forstå.

Siden vi ikke snakker om den faktiske nedbrytningen av alle objektene, tingene, organismene rundt oss, men om den imaginære, det vil si om mental, og ikke om ekte, opplevelse, så trenger du ikke bekymre deg: du vil ikke ha å samle. La oss heller ikke spare på innsatsen vår. La oss ikke tenke på om det er vanskelig eller lett å dekomponere enheten i dens komponentdeler. Vent litt. Og hvordan vet vi at vi har nådd grensen? Kanskje vi kan komme videre ved å legge til mer innsats? Vi innrømmer for oss selv: vi vet ikke om vi har nådd grensen. Vi må bruke den allment aksepterte oppfatningen, og innse at dette ikke er et veldig pålitelig argument. Men hvis du husker at dette bare er en allment akseptert mening, og ikke den ultimate sannheten, så er faren liten.

Det er nå generelt akseptert at elementærpartikler fungerer som detaljene som alt er bygget opp fra. Og likevel ikke alle. Når vi ser på den aktuelle oppslagsboken, vil vi være overbevist: det er mer enn tre hundre elementærpartikler. Overfloden av elementærpartikler fikk oss til å tenke på muligheten for eksistensen av sub-elementærpartikler - partiklene som utgjør selve elementarpartiklene. Slik dukket opp ideen om kvarker. De har den fantastiske egenskapen at de tilsynelatende ikke eksisterer i en fri stat. Det er mange kvarker - seks, og hver har sin egen antipartikkel. Kanskje er reisen inn i materiens dyp ikke over.

For vår historie er overfloden av elementære partikler og eksistensen av sub-elementære partikler ubetydelig. Elektroner, protoner og nøytroner er direkte involvert i konstruksjonen av stoffer - alt er kun bygget av dem.

Før vi diskuterer egenskapene til virkelige partikler, la oss tenke på hva vi ønsker å se detaljene som alt er bygget fra. Når det gjelder hva man gjerne vil se, må man selvsagt ta hensyn til mangfoldet av syn. La oss velge ut noen få egenskaper som ser ut til å være obligatoriske.

For det første må elementærpartikler ha evnen til å kombineres til en rekke strukturer.

For det andre vil jeg tro at elementærpartikler er uforgjengelige. Når man vet hvor lang verdenshistorien har, er det vanskelig å forestille seg at partiklene den er sammensatt av er dødelige.

For det tredje vil jeg at detaljene i seg selv ikke er for mange. Ser vi på byggeklossene, kan vi se hvor mange forskjellige bygninger som kan lages av de samme elementene.

Når vi blir kjent med elektroner, protoner og nøytroner, vil vi se at deres egenskaper ikke motsier våre ønsker, og ønsket om enkelhet tilsvarer utvilsomt det faktum at bare tre typer elementærpartikler deltar i strukturen til alle stoffer.

ELEKTRONER, PROTONER, NØYTRONER

Her er de viktigste egenskapene til elektroner, protoner og nøytroner. De er samlet i tabell 1.

Størrelsen på ladningen er gitt i anheng, massen er i kilogram (SI-enheter); ordene "spinn" og "statistikk" vil bli forklart nedenfor.

La oss ta hensyn til forskjellen i massen av partikler: protoner og nøytroner er nesten 2000 ganger tyngre enn elektroner. Følgelig er massen til ethvert legeme nesten helt bestemt av massen av protoner og nøytroner.

Nøytronet, som navnet tilsier, er nøytralt - ladningen er null. Og protonet og elektronet har samme ladning, men motsatt i fortegn. Elektronet er negativt ladet og protonet er positivt.

Blant egenskapene til partikler er det ingen tilsynelatende viktig egenskap - størrelsen deres. Å beskrive strukturen til atomer og molekyler, kan elektroner, protoner og nøytroner betraktes som materielle punkter. Størrelsen på protonet og nøytronet må bare huskes når man beskriver atomkjerner. Selv i sammenligning med størrelsen på atomer, er protoner og nøytroner uhyrlig små (ca. 10 -16 meter).

Faktisk koker denne korte delen ned til å presentere elektroner, protoner og nøytroner som byggesteinene til alle kropper i naturen. Vi kan ganske enkelt begrense oss til tabell 1, men vi må forstå hvordan fra elektroner, protoner og nøytroner konstruksjon utføres, noe som tvinger partiklene til å kombinere til mer komplekse strukturer og hva disse strukturene er.

ATOM ER DEN ENKLESTE AV KOMPLEKSE STRUKTURER

Det er mange atomer. Det viste seg å være nødvendig og mulig å ordne dem på en spesiell måte. Bestilling gjør det mulig å understreke forskjellen og likheten mellom atomer. Rimelig arrangement av atomer er fordelen til D.I. Mendeleev (1834-1907), som formulerte den periodiske loven som bærer navnet hans. Hvis vi midlertidig abstraherer oss fra eksistensen av perioder, så er prinsippet for arrangementet av elementene ekstremt enkelt: de er ordnet sekvensielt i henhold til vekten av atomene. Det letteste er et hydrogenatom. Det siste naturlige (ikke kunstig skapte) atomet er uran, som er mer enn 200 ganger tyngre enn det.

Å forstå strukturen til atomer forklarte tilstedeværelsen av periodisitet i elementenes egenskaper.

Helt på begynnelsen av 1900-tallet viste E. Rutherford (1871-1937) overbevisende at nesten all massen til et atom er konsentrert i kjernen - et lite (selv i sammenligning med et atom) område i rommet: radiusen til et atom. kjernen er omtrent 100 tusen ganger mindre enn størrelsen på et atom. Da Rutherford utførte sine eksperimenter, var nøytronet ennå ikke oppdaget. Med oppdagelsen av nøytronet ble det forstått at kjerner består av protoner og nøytroner, og det er naturlig å forestille seg et atom som en kjerne omgitt av elektroner, hvis antall er lik antall protoner i kjernen – tross alt , atomet som helhet er nøytralt. Protoner og nøytroner, som byggematerialet til kjernen, fikk et felles navn - nukleoner (fra latin cellekjernen - kjerne). Vi vil bruke dette navnet.

Antall nukleoner i kjernen er vanligvis angitt med bokstaven EN... Det er klart det A = N + Z, hvor N er antall nøytroner i kjernen, og Z- antall protoner lik antall elektroner i atomet. Nummer EN kalles atommasse, og Z - atomnummer. Atomer med samme atomnummer kalles isotoper: i det periodiske systemet er de i samme celle (på gresk isos - lik , topos - et sted). Faktum er at de kjemiske egenskapene til isotoper er nesten identiske. Hvis du undersøker det periodiske systemet nøye, kan du forsikre deg om at ordningen av grunnstoffene strengt tatt ikke tilsvarer atommassen, men atomnummeret. Hvis det er rundt 100 grunnstoffer, så er det mer enn 2000 isotoper. Det er sant at mange av dem er ustabile, det vil si radioaktive (fra latin radio– Jeg stråler, aktivus- aktive), de forfaller og sender ut forskjellig stråling.

Rutherfords eksperimenter førte ikke bare til oppdagelsen av atomkjerner, men viste også at de samme elektrostatiske kreftene virker i atomet som frastøter likt ladede kropper fra hverandre og tiltrekker seg motsatt ladede kropper til hverandre (for eksempel kulene til et elektroskop) .

Atomet er stabilt. Følgelig beveger elektroner i et atom seg rundt kjernen: sentrifugalkraften kompenserer for tiltrekningskraften. Forståelsen av dette førte til opprettelsen av en planetarisk modell av atomet, der kjernen er solen, og elektronene er planetene (fra klassisk fysikks synspunkt er planetmodellen inkonsekvent, men mer om det nedenfor) .

Det finnes en rekke måter å beregne størrelsen på et atom på. Ulike estimater fører til lignende resultater: Størrelsen på atomene er selvfølgelig forskjellige, men omtrent lik noen få tideler av en nanometer (1 nm = 10 -9 m).

La oss først vurdere systemet av elektroner til et atom.

I solsystemet blir planeter tiltrukket av solen av tyngdekraften. En elektrostatisk kraft virker i atomet. Det kalles ofte Coulomb til ære for Charles Augustin Coulomb (1736-1806), som fastslo at kraften i samspillet mellom to ladninger er omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem. Det faktum at to siktelser Q 1 og Q 2 tiltrekke eller frastøte med en kraft lik F C = Q 1 Q 2 /r 2 , hvor r- avstanden mellom ladninger, kalles "Coulombs lov". Indeks " MED" tildelt makt F med den første bokstaven i Coulombs etternavn (på fransk Coulomb). Blant de mest forskjellige uttalelsene er det få som er like riktig kalt en lov som Coulombs lov: Tross alt er området for dens anvendelighet praktisk talt ubegrenset. Ladede legemer, uansett størrelse, så vel som atom- og til og med subatomære ladede partikler - de tiltrekker eller frastøter alle i samsvar med Coulombs lov.

ET RETREAT PÅ GRAVITASJON

En person blir kjent med tyngdekraften i tidlig barndom. Når han faller, lærer han å respektere tyngdekraften til jorden. Bekjentskap med akselerert bevegelse begynner vanligvis med studiet av kroppens fritt fall - bevegelsen til en kropp under påvirkning av tyngdekraften.

Mellom to massekropper M 1 og M 2 krafthandlinger F N = - GM 1 M 2 /r 2 ... Her r- avstand mellom kropper, G - gravitasjonskonstant lik 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indeksen "N" er gitt til ære for Newton (1643 - 1727). Dette uttrykket kalles loven om universell gravitasjon, og understreker dens universelle natur. Makt F N bestemmer bevegelsen til galakser, himmellegemer og objekters fall på jorden. Loven om universell gravitasjon er gyldig for enhver avstand mellom legemer. Vi vil ikke nevne endringene i gravitasjonsbildet introdusert av Einsteins generelle relativitetsteori (1879-1955).

Både den elektrostatiske kraften i Coulomb og den Newtonske gravitasjonskraften er den samme (som 1 / r 2) reduseres med økende avstand mellom kroppene. Dette lar deg sammenligne virkningen av begge kreftene i hvilken som helst avstand mellom kroppene. Hvis kraften til Coulomb-frastøtingen til to protoner sammenlignes i størrelse med kraften til gravitasjonsattraksjonen deres, viser det seg at F N / F C = 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Derfor spiller tyngdekraften ingen vesentlig rolle i atomets struktur: den er for liten i forhold til den elektrostatiske kraften.

Det er ikke vanskelig å oppdage elektriske ladninger og måle samspillet mellom dem. Hvis den elektriske kraften er så stor, hvorfor er det da ikke viktig når for eksempel de faller, hopper, kaster en ball? For i de fleste tilfeller har vi å gjøre med nøytrale (uladede) kropper. Det er alltid mange ladede partikler (elektroner, ioner med forskjellige fortegn) i rommet. Under påvirkning av en enorm (atomisk skala) attraktiv elektrisk kraft skapt av en ladet kropp, skynder ladede partikler seg til kilden, holder seg til kroppen og nøytraliserer ladningen.

BØLGE ELLER Partikkel? OG BØLGE OG PARTIKKEL!

Det er veldig vanskelig å snakke om atomære og enda mindre, subatomære partikler, hovedsakelig fordi egenskapene deres ikke har noen analoger i hverdagen vår. Du tror kanskje at partiklene som utgjør slike små atomer, er praktisk tenkt på som materielle punkter. Men alt viste seg å være mye mer komplisert.

En partikkel og en bølge ... Det ser ut til at det til og med er meningsløst å sammenligne, de er så forskjellige.

Sannsynligvis, når du tenker på en bølge, forestiller du deg først og fremst en bølget havoverflate. Bølger kommer til kysten fra åpent hav, bølgelengder - avstanden mellom to påfølgende topper - kan være forskjellig. Det er lett å observere bølger som har en lengde i størrelsesorden flere meter. Med bølger svinger selvsagt vannmassen. Bølgen dekker et betydelig område.

Bølgen er periodisk i tid og rom. Bølgelengde ( λ ) er et mål på romlig periodisitet. Periodisiteten til bølgebevegelsen i tid er synlig i frekvensen for ankomst av bølgetopp til kysten, og den kan detekteres for eksempel ved svingningen av flottøren opp og ned. La oss betegne perioden for bølgebevegelsen - tiden som en bølge passerer - ved bokstaven T... Periodens gjensidige kalles frekvensen ν = 1/T... De enkleste bølgene (harmoniske) har en viss frekvens som ikke endres over tid. Enhver kompleks bølgebevegelse kan representeres som et sett med enkle bølger (se "Science and Life" nr. 11, 2001). Strengt tatt opptar en enkel bølge uendelig plass og eksisterer uendelig lenge. Partikkelen, slik vi forestiller oss den, og bølgen er helt forskjellige.

Siden Newtons tid har det vært en debatt om lysets natur. Det som er lys er en samling av partikler (korpuskler, fra latin corpusculum- kropp) eller bølger? Teorier har lenge konkurrert. Bølgeteorien vant frem: den korpuskulære teorien kunne ikke forklare de eksperimentelle fakta (interferens og diffraksjon av lys). Bølgeteorien taklet lett den rettlinjede forplantningen av en lysstråle. En viktig rolle ble spilt av det faktum at lengden på lysbølger er veldig liten i daglige termer: bølgelengdeområdet til synlig lys er fra 380 til 760 nanometer. Kortere elektromagnetiske bølger - ultrafiolett, røntgenstråler og gammastråler, og lengre - infrarøde, millimeter, centimeter og alle andre radiobølger.

På slutten av 1800-tallet virket lysbølgeteoriens seier over korpuskulærteorien endelig og ugjenkallelig. Imidlertid har det tjuende århundre gjort alvorlige justeringer. Det virket som lys eller bølger eller partikler. Det viste seg - både bølger og partikler. For partikler av lys, for dets kvanter, som de sier, ble et spesielt ord oppfunnet - "foton". Ordet "kvante" kommer fra det latinske ordet kvante- hvor mye, og "foton" - fra det greske ordet bilder - lys. Partikkelnavn slutter vanligvis med han... Overraskende nok, i noen eksperimenter oppfører lys seg som bølger, mens det i andre oppfører seg som en strøm av partikler. Etter hvert var det mulig å bygge en teori som forutsier hvordan, i hvilket eksperiment, lyset vil oppføre seg. For tiden er denne teorien akseptert av alle, den forskjellige oppførselen til lys er ikke lenger overraskende.

De første trinnene er alltid spesielt vanskelige. Jeg måtte gå imot den etablerte oppfatningen i vitenskapen, for å komme med utsagn som virket kjetteri. Ekte forskere tror virkelig på teorien de bruker for å beskrive de observerte fenomenene. Det er svært vanskelig å forkaste den aksepterte teorien. De første skrittene ble tatt av Max Planck (1858-1947) og Albert Einstein (1879-1955).

I følge Planck - Einstein er det i separate porsjoner, quanta, at lys sendes ut og absorberes av materie. Energien som bæres av et foton er proporsjonal med dets frekvens: E = hν. Størrelsesforholdet h kalt Planck-konstanten etter den tyske fysikeren som introduserte den til teorien om stråling i 1900. Og allerede i den første tredjedelen av XX århundre ble det klart at Plancks konstant er en av de viktigste verdenskonstantene. Naturligvis ble det nøye målt: h= 6.6260755.10 -34 J.S.

Er et kvantum av lys mye eller lite? Frekvensen av synlig lys er i størrelsesorden 10 14 s -1. Husk at frekvensen og bølgelengden til lys er relatert til forholdet ν = c/ λ, hvor med= 299792458.10 10 m/s (nøyaktig) - lysets hastighet i et vakuum. Kvanteenergi hν, som det er lett å se, er i størrelsesorden 10 -18 J. På grunn av denne energien kan en masse på 10 -13 gram heves til en høyde på 1 centimeter. I menneskelig målestokk er den uhyrlig liten. Men dette er en masse på 10 14 elektroner. I mikroverdenen, helt andre skalaer! Selvfølgelig kan en person ikke føle en masse på 10 -13 gram, men det menneskelige øyet er så følsomt at det kan se individuelle lyskvanter - vi ble overbevist om dette ved å utføre en rekke subtile eksperimenter. Under normale forhold skiller en person ikke lysets "kornighet", og oppfatter det som en kontinuerlig strøm.

Når man vet at lys har både korpuskulær og bølgenatur, er det lettere å forestille seg at "ekte" partikler også har bølgeegenskaper. For første gang ble en slik kjettersk tanke uttrykt av Louis de Broglie (1892-1987). Han prøvde ikke å finne ut hva som er bølgens natur, egenskapene han spådde. Ifølge hans teori, en partikkel av masse m flyr i en fart v, tilsvarer en bølge med en bølgelengde l = hmv og frekvens ν = E/h, hvor E = mv 2/2 er energien til partikkelen.

Videre utvikling av atomfysikk førte til en forståelse av naturen til bølger som beskriver bevegelsen til atom- og subatomære partikler. Det oppsto en vitenskap som ble kalt "kvantemekanikk" (i de første årene ble det oftere kalt bølgemekanikk).

Kvantemekanikk er anvendelig for bevegelse av mikroskopiske partikler. Når man vurderer bevegelsen til vanlige legemer (for eksempel detaljer om mekanismer), gir det ingen mening å ta hensyn til kvantekorreksjoner (korreksjoner på grunn av materiens bølgeegenskaper).

En av manifestasjonene av bølgebevegelsen til partikler er deres fravær av en bane. For at banen skal eksistere, er det nødvendig at partikkelen i hvert øyeblikk har en viss koordinat og en viss hastighet. Men det er nettopp dette som er forbudt av kvantemekanikk: en partikkel kan ikke samtidig ha en viss koordinatverdi NS, og en viss hastighetsverdi v... Deres usikkerhet Dx og Dv relatert av usikkerhetsrelasjonen oppdaget av Werner Heisenberg (1901-1974): D NS D v ~ t/m, hvor m er massen til partikkelen, og h - Planck er konstant. Plancks konstant kalles ofte det universelle "handlings"-kvantumet. Uten å spesifisere begrepet handling, vær oppmerksom på epitetet universell... Han understreker at usikkerhetsrelasjonen alltid er sann. Når man kjenner bevegelsesforholdene og massen til en partikkel, er det mulig å estimere når det er nødvendig å ta hensyn til kvantelovene for bevegelse (med andre ord når bølgeegenskapene til partikler og deres konsekvens - usikkerhetsrelasjonene) ikke kan bli neglisjert, og når det er fullt mulig å bruke de klassiske bevegelseslovene. Vi understreker: hvis mulig, så er det nødvendig, siden klassisk mekanikk er mye enklere enn kvantemekanikk.

Vær oppmerksom på det faktum at Plancks konstant er delt på masse (de er inkludert i kombinasjonen t/m). Jo større masse, jo mindre rolle spiller kvantelovene.

For å føle når det absolutt er mulig å neglisjere kvanteegenskaper, vil vi prøve å estimere størrelsen på usikkerhetene D NS og D v... Hvis D NS og D v er ubetydelige sammenlignet med deres gjennomsnittlige (klassiske) verdier, formlene for klassisk mekanikk beskriver perfekt bevegelsen, hvis ikke liten, er det nødvendig å bruke kvantemekanikk. Det gir ingen mening å ta hensyn til kvanteusikkerhet selv når andre årsaker (innenfor rammen av klassisk mekanikk) fører til større usikkerhet enn Heisenberg-relasjonen.

La oss ta en titt på ett eksempel. Husk at vi ønsker å vise muligheten for å bruke klassisk mekanikk, tenk på en "partikkel" hvis masse er 1 gram og størrelsen er 0,1 millimeter. På en menneskelig skala er det en korn, lett, liten partikkel. Men det er 10-24 ganger tyngre enn et proton og en million ganger større enn et atom!

La "vårt" korn bevege seg i et kar fylt med hydrogen. Hvis et korn flyr fort nok, ser det ut til at det beveger seg i en rett linje med en viss hastighet. Dette inntrykket er feil: på grunn av virkningene av hydrogenmolekyler på et korn, endres hastigheten litt med hvert støt. La oss anslå hvor mye.

La temperaturen på hydrogen være 300 K (vi måler alltid temperaturen på en absolutt skala, på en Kelvin-skala; 300 K = 27 o С). Ved å multiplisere temperaturen i kelvin med Boltzmann-konstanten k B, = 1 381,10 -16 J / K, vi vil uttrykke det i energienheter. Endringen i hastigheten til et korn kan beregnes ved å bruke loven om bevaring av momentum. Med hver kollisjon av et korn med et hydrogenmolekyl, endres hastigheten med omtrent 10 -18 cm / s. Endringen er helt tilfeldig og i en tilfeldig retning. Derfor er det naturlig å betrakte verdien 10 -18 cm/s som et mål på den klassiske usikkerheten til kornhastigheten (D v) cl for dette tilfellet. Så (D v) cl = 10 -18 cm/s. Kornets plassering er tilsynelatende svært vanskelig å bestemme med en nøyaktighet større enn 0,1 av størrelsen. Vi tar (D NS) cl = 10 -3 cm. Til slutt, (D NS) cl (D v) cl = 10-3,10-18 = 10-21. Det virker som en veldig liten verdi. Uansett er usikkerhetene i hastigheten og koordinatene så små at kornets gjennomsnittlige bevegelse kan vurderes. Men sammenlignet med kvanteusikkerheten diktert av Heisenberg-forholdet (D NS D v= 10 -27), er den klassiske heterogeniteten enorm - i dette tilfellet overskrider den den med en faktor på en million.

Konklusjon: med tanke på bevegelsen til et korn, er det ikke nødvendig å ta hensyn til dets bølgeegenskaper, det vil si eksistensen av en kvanteusikkerhet for koordinater og hastighet. Når det gjelder bevegelse av atom- og subatomære partikler, endrer situasjonen seg dramatisk.

Neutrino, en utrolig liten partikkel av universet, har holdt oppmerksomheten til forskere i nesten et århundre. For nøytrinoforskning har det blitt delt ut flere nobelpriser enn for arbeid med noen andre partikler, og for studien bygges det enorme installasjoner med budsjettet til små stater. Alexander Nozik, seniorforsker ved Institutt for kjernefysisk forskning ved det russiske vitenskapsakademiet, foreleser ved Moskva-instituttet for fysikk og teknologi og deltaker i Troitsk Nu-Masses nøytrino-massesøkeeksperiment, forteller hvordan man studerer det, men viktigst av alt. , hvordan fange det i det hele tatt.

Gåten om stjålet energi

Historien om studiet av nøytrinoer kan leses som en fascinerende detektivhistorie. Denne partikkelen har gjentatte ganger testet de deduktive evnene til forskere: ikke alle gåtene kunne løses umiddelbart, og noen er ennå ikke løst. Start med historien til oppdagelsen. Radioaktive forfall av ulike slag begynte å bli studert på slutten av 1800-tallet, og det er ikke overraskende at forskerne på 1920-tallet hadde i sitt arsenal ikke bare instrumenter for å registrere selve forfallet, men også for å måle energien til utsendte partikler. , om enn ikke veldig nøyaktig etter dagens standarder ... Med økningen i instrumentenes nøyaktighet vokste gleden til forskere og forvirring, inkludert med beta-forfall, der et elektron rømmer fra en radioaktiv kjerne, og selve kjernen endrer ladningen. Et slikt forfall kalles to-partikkel, siden det dannes to partikler i den - en ny kjerne og et elektron. Enhver videregående elev vil forklare at det er mulig å nøyaktig bestemme energien og momenta til fragmentene i et slikt forfall, ved å bruke bevaringslovene og kjenne massene til disse fragmentene. Med andre ord, energien til for eksempel et elektron vil alltid være den samme ved ethvert forfall av kjernen til et bestemt grunnstoff. I praksis ble det observert et helt annet bilde. Energien til elektronene var ikke bare ikke fiksert, men også smurt inn i et kontinuerlig spektrum opp til null, noe som forbløffet forskerne. Dette kan bare være tilfelle hvis noen stjeler energi fra beta-forfall. Men det ser ut til at det ikke er noen som stjeler det.

Over tid ble instrumentene mer og mer nøyaktige, og snart var muligheten for å tilskrive en slik anomali til feilen i utstyret borte. Slik dukket gåten ut. På leting etter ledetrådene har forskere uttrykt forskjellige, til og med helt absurde etter dagens standarder, antakelser. Niels Bohr selv kom for eksempel med en alvorlig uttalelse om at fredningslover ikke gjelder i elementærpartiklers verden. Wolfgang Pauli reddet dagen i 1930. Han kunne ikke komme til fysikerkonferansen i Tübingen, og fordi han ikke var i stand til å delta eksternt, sendte han et brev som han ba om å bli lest. Her er utdrag fra den:

«Kjære radioaktive damer og herrer. Jeg ber deg lytte med oppmerksomhet i det mest passende øyeblikket til budbringeren som leverte dette brevet. Han vil fortelle deg at jeg har funnet et flott verktøy for fredningslov og korrekt statistikk. Den består i muligheten for eksistensen av elektrisk nøytrale partikler ... Kontinuiteten til Β-spekteret vil bli tydelig hvis vi antar at under Β-forfall sendes et slikt "nøytron" ut sammen med hvert elektron, og summen av energiene til "nøytronet" og elektronet er konstant ... "

På slutten av brevet var følgende linjer:

"Ikke ta risiko - ikke vinn. Alvorlighetsgraden av situasjonen når man vurderer det kontinuerlige Β-spekteret blir spesielt lys etter ordene til prof. Debye fortalte meg med beklagelse: "Å, bedre å ikke tenke på alt dette ... som nye skatter." Derfor må enhver vei til frelse diskuteres seriøst. Så, kjære radioaktive mennesker, sett dette på prøve og døm."

Senere uttrykte Pauli selv frykt for at selv om ideen hans redder fysikken til mikroverdenen, vil den nye partikkelen aldri bli oppdaget eksperimentelt. De sier at han til og med argumenterte med kollegene om at hvis det er en partikkel, vil det ikke være mulig å oppdage den i løpet av deres levetid. I løpet av de neste årene skapte Enrico Fermi en teori om beta-forfall som involverte en partikkel han kalte nøytrinoen, som stemte utmerket med eksperimentet. Etter det var det ingen som var i tvil om at den hypotetiske partikkelen faktisk eksisterer. I 1956, to år før Paulis død, ble nøytrinoer eksperimentelt oppdaget i omvendt beta-forfall av en gruppe Frederick Reines og Clyde Cowen (Reines mottok Nobelprisen for dette).

Saken om de manglende solnøytrinoene

Så snart det ble klart at nøytrinoer, selv om det er vanskelig, men fortsatt mulig å registrere, begynte forskere å prøve å fange nøytrinoer av utenomjordisk opprinnelse. Deres mest åpenbare kilde er solen. Kjernereaksjoner skjer hele tiden i den, og det kan beregnes at rundt 90 milliarder solnøytrinoer per sekund passerer gjennom hver kvadratcentimeter av jordoverflaten.

På den tiden var den mest effektive metoden for å fange solnøytrinoer den radiokjemiske metoden. Dens essens er som følger: solnøytrinoen ankommer jorden, samhandler med kjernen; det viser seg for eksempel en 37Ar-kjerne og et elektron (det var denne reaksjonen som ble brukt i forsøket til Raymond Davis, som han senere ble tildelt Nobelprisen for). Etter det, ved å telle antall argonatomer, kan vi si hvor mange nøytrinoer som interagerte i volumet til detektoren under eksponeringen. I praksis er ting selvfølgelig ikke så enkelt. Det skal forstås at det er nødvendig å telle enkelt argonatomer i et mål som veier hundrevis av tonn. Masseforholdet er omtrent det samme som mellom massen til en maur og jordens masse. Det var da det ble oppdaget at ⅔ solnøytrinoer var blitt stjålet (den målte fluksen viste seg å være tre ganger mindre enn den spådde).

For det første falt selvfølgelig mistanken på selve solen. Tross alt kan vi dømme om hans indre liv bare ved indirekte tegn. Det er ikke kjent hvordan nøytrinoer produseres på den, og det er til og med mulig at alle modeller av solen er feil. Mange forskjellige hypoteser ble diskutert, men til slutt begynte forskerne å lene seg mot ideen om at det tross alt ikke var solen som var problemet, men nøytrinoenes utspekulerte natur.

En liten historisk digresjon: i perioden mellom den eksperimentelle oppdagelsen av nøytrinoer og eksperimenter med studier av solnøytrinoer, var det flere flere interessante funn. Først ble antinøytrinoer oppdaget og det ble bevist at nøytrinoer og antinøytrinoer deltar i interaksjoner på forskjellige måter. Dessuten er alle nøytrinoer i alle interaksjoner alltid venstrehendte (projeksjonen av spinnet på bevegelsesretningen er negativ), og alle antinøytrinoer er høyrehendte. Ikke bare er denne egenskapen observert blant alle elementærpartikler bare i nøytrinoer, den indikerer også indirekte at universet vårt i prinsippet ikke er symmetrisk. For det andre ble det funnet at hvert ladet lepton (elektron, myon og taulepton) har sin egen type, eller smak, av nøytrinoer. Dessuten samhandler nøytrinoer av hver type bare med sitt eget lepton.

La oss komme tilbake til solproblemet vårt. Tilbake på 50-tallet av XX-tallet ble det antydet at leptonsmaken (en type nøytrino) ikke er forpliktet til å vedvare. Det vil si at hvis en elektronnøytrino ble født i en reaksjon, så kan nøytrinoen på vei til en annen reaksjon skifte klær og løpe som en muonisk. Dette kan forklare mangelen på solnøytrinoer i radiokjemiske eksperimenter som bare er følsomme for elektronnøytrinoer. Denne hypotesen ble briljant bekreftet av målinger av solnøytrinofluksen i scintillasjonseksperimenter med et stort vannmål SNO og Kamiokande (som de nylig mottok nok en Nobelpris for). I disse eksperimentene er det ikke lenger det omvendte beta-nedfallet som studeres, men nøytrino-spredningsreaksjonen, som ikke bare kan oppstå med elektron, men også med myonnøytrinoer. Da de i stedet for fluksen av elektronnøytrinoer begynte å måle den totale fluksen til alle typer nøytrinoer, bekreftet resultatene perfekt overgangen til nøytrinoer fra en type til en annen, eller nøytrinoscillasjoner.

Attentatforsøk på standardmodellen

Oppdagelsen av nøytrinoscillasjoner, etter å ha løst ett problem, skapte flere nye. Poenget er at siden Paulis tid ble nøytrinoer ansett som masseløse partikler som fotoner, og det var greit for alle. Forsøk på å måle nøytrinomasser fortsatte, men med liten entusiasme. Oscillasjoner har endret alt, fordi for deres eksistens er masse, om enn liten, uunnværlig. Oppdagelsen av masse i nøytrinoer gledet selvfølgelig eksperimenterne, men forvirret teoretikere. For det første passer ikke massive nøytrinoer inn i standardmodellen for partikkelfysikk, som forskere har bygget siden begynnelsen av det 20. århundre. For det andre er den samme mystiske venstrehendelsen til nøytrinoer og høyrehendtheten til antinøytrinoer godt forklart bare for masseløse partikler. I nærvær av masse bør venstrehendte nøytrinoer med en viss sannsynlighet gå over i høyrehendte, det vil si antipartikler, bryte den tilsynelatende urokkelige loven om bevaring av leptontallet, eller til og med bli til en slags nøytrino som ikke deltar i samspillet. I dag kalles slike hypotetiske partikler vanligvis sterile nøytrinoer.

Super-Kamiokande nøytrino-detektor © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo

Selvfølgelig ble det eksperimentelle søket etter nøytrinomassen umiddelbart gjenopptatt brått. Men spørsmålet oppsto umiddelbart: hvordan måle massen til det som ikke kan fanges på noen måte? Det er bare ett svar: ikke fange nøytrinoer i det hele tatt. Til dags dato er to retninger mest aktivt utviklet - det direkte søket etter nøytrinomassen i beta-forfall og observasjonen av nøytrinoløst dobbeltbeta-forfall. I det første tilfellet er ideen veldig enkel. Kjernen forfaller med utslipp av et elektron og et nøytrino. Det er ikke mulig å fange et nøytrino, men det er mulig å fange og måle et elektron med svært høy nøyaktighet. Elektronspekteret bærer også informasjon om nøytrinomassen. Et slikt eksperiment er et av de vanskeligste innen partikkelfysikk, men samtidig er dets ubetingede pluss at det er basert på de grunnleggende prinsippene for bevaring av energi og momentum og resultatet avhenger lite av noe. For øyeblikket er den beste grensen for nøytrinomassen omtrent 2 eV. Dette er 250 tusen ganger mindre enn for et elektron. Det vil si at selve massen ikke ble funnet, men bare begrenset av den øvre rammen.

Med dobbel beta-forfall er ting mer komplisert. Hvis vi antar at en nøytrino blir til en antinøytrino under en spin flip (denne modellen er kalt etter den italienske fysikeren Ettore Majorana), så er en prosess mulig når to beta-forfall skjer samtidig i kjernen, men nøytrinoer flyr ikke ut, men kontrakt. Sannsynligheten for en slik prosess er assosiert med nøytrinomassen. De øvre grensene i slike eksperimenter er bedre – 0,2‒0,4 eV – men avhenger av den fysiske modellen.

Det massive nøytrinoproblemet er ennå ikke løst. Higgs teori kan ikke forklare så små masser. Dens essensielle komplikasjon er nødvendig, eller involvering av noen mer utspekulerte lover i henhold til hvilke nøytrinoer samhandler med resten av verden. Fysikere som studerer nøytrinoer får ofte spørsmålet: «Hvordan kan studiet av nøytrinoer hjelpe den gjennomsnittlige mannen på gaten? Hvilken økonomisk eller annen fordel kan utledes av denne partikkelen?" Fysikere trekker på skuldrene. Og de vet det virkelig ikke. På en gang tilhørte studiet av halvlederdioder rent grunnleggende fysikk, uten noen praktisk anvendelse. Forskjellen er at teknologiene som utvikles for å lage moderne eksperimenter innen nøytrinofysikk er mye brukt i industrien akkurat nå, så hver krone som investeres i dette området betaler seg ganske raskt. Det er flere eksperimenter i verden nå, hvis skala er sammenlignbar med skalaen til Large Hadron Collider; disse eksperimentene er utelukkende rettet mot å undersøke egenskapene til nøytrinoer. I hvilken av dem det vil være mulig å åpne en ny side i fysikk, er det ikke kjent, men den vil bli åpnet med sikkerhet.

Hva vet vi om partikler mindre enn et atom? Og hva er den minste partikkelen i universet?

Verden rundt oss... Hvem av oss har ikke beundret hans fortryllende skjønnhet? Dens bunnløse nattehimmel, strødd med milliarder av blinkende mystiske stjerner og varmen fra det milde sollyset. Smaragdmarker og skoger, turbulente elver og endeløse havrom. Glitrende topper av majestetiske fjell og frodige alpine enger. Morgendugg og nattergaltrill ved daggry. En duftende rose og den stille murren fra en bekk. En flammende solnedgang og et mildt sus fra en bjørkelund ...

Er det mulig å tenke på noe vakrere enn verden rundt oss?! Sterkere og mer imponerende? Og på samme tid mer skjør og øm? Alt dette er verden hvor vi puster, elsker, gleder oss, gleder oss, lider og er triste ... Alt dette er vår verden. Verden vi lever i, som vi føler, som vi ser og som vi på en eller annen måte forstår.

Det er imidlertid mye mer variert og komplekst enn det kan virke ved første øyekast. Vi vet at saftige enger ikke ville ha dukket opp uten et fantastisk opprør av endeløs runddans av fleksibelt grønt gress, frodige trær kledd i smaragdkapper - uten mange blader på grenene, og gylne strender - uten tallrike glitrende sandkorn som knaser under bare føtter i strålene fra sommerens milde sol. Det store består alltid av det lille. Liten – fra enda mindre. Og det er sannsynligvis ingen grense for denne sekvensen.

Derfor er gresskorn og sandkorn på sin side sammensatt av molekyler som er dannet av atomer. Atomer, som du vet, inneholder elementære partikler - elektroner, protoner og nøytroner. Men de, som det antas, er ikke den siste instansen. Moderne vitenskap hevder at protoner og nøytroner, for eksempel, er sammensatt av hypotetiske energibunter - kvarker. Det er en antagelse om at det er en enda mindre partikkel - preon, som fortsatt er usynlig, ukjent, men antatt.

En verden av molekyler, atomer, elektroner, protoner, nøytroner, fotoner, etc. det er vanlig å ringe mikroverden... Han er grunnlaget makrokosmos- menneskets verden og verdier i samsvar med den på planeten vår og megaverden- en verden av stjerner, galakser, universet og verdensrommet. Alle disse verdenene henger sammen og eksisterer ikke uten hverandre.

Vi har allerede møtt megaverdenen i rapporten om vår første ekspedisjon. "Universets pust. Den første reisen" og vi har allerede en idé om fjerne galakser og universet. På den utrygge reisen oppdaget vi verden av mørk materie og mørk energi, lærte dypet av sorte hull, nådde toppen av glitrende kvasarer og slapp mirakuløst unna Big Bang og ikke mindre Big Compression. Universet dukket opp foran oss i all sin skjønnhet og storhet. Under reisen innså vi at stjerner og galakser ikke dukket opp av seg selv, men ble møysommelig, over milliarder av år, dannet av partikler og atomer.

Det er partikler og atomer som utgjør hele verden rundt oss. Det er de, i deres utallige og mangfoldige kombinasjon, som kan dukke opp foran oss enten i form av en vakker nederlandsk rose, eller i form av en alvorlig haug med tibetanske steiner. Alt vi ser består av disse mystiske representantene for det mystiske mikroverden. Hvorfor "mystisk" og hvorfor "mystisk"? Fordi menneskeheten, dessverre, fortsatt vet veldig, veldig lite om denne verden og om dens representanter.

Det er umulig å forestille seg den moderne vitenskapen om mikroverdenen uten å nevne elektronet, protonet eller nøytronet. I ethvert referansemateriale om fysikk eller kjemi vil vi finne deres masse med en nøyaktighet på niende desimal, deres elektriske ladning, levetid osv. For eksempel, i samsvar med disse oppslagsbøkene, har et elektron en masse på 9,10938291 (40) x 10 -31 kg, en elektrisk ladning - minus 1,602176565 (35) x 10 -19 C, en levetid - uendelig eller minst 4,6 x 10 26 år (Wikipedia).

Nøyaktigheten ved å bestemme parametrene til elektronet er imponerende, og stolthet over sivilisasjonens vitenskapelige prestasjoner fyller våre hjerter! Riktignok sniker det seg samtidig inn en del tvil, som med all lyst ikke er helt mulig å kjøre vekk. Å bestemme massen til et elektron lik en milliard – milliard – milliarddel av et kilogram, og til og med veie den til niende desimal er, tror jeg, ikke en enkel sak, akkurat som å måle levetiden til et elektron ved 4.600.000.000.000.000.000.000.000.000 år. .

Dessuten har ingen noen gang sett akkurat dette elektronet ennå. De mest moderne mikroskopene lar deg bare se en elektronsky rundt kjernen til et atom, innenfor hvilken, som forskerne tror, ​​et elektron beveger seg med stor hastighet (fig. 1). Vi vet ennå ikke nøyaktig størrelsen på elektronet, heller ikke dets form eller rotasjonshastigheten. I virkeligheten vet vi veldig lite om elektronet, så vel som om protonet og nøytronet. Vi kan bare gjette og gjette. Dessverre, i dag er dette alle våre muligheter.

Ris. 1. Foto av elektronskyer, hentet av fysikere ved Kharkov Institute of Physics and Technology i september 2009

Men et elektron eller et proton er de minste elementære partiklene som utgjør atomet til ethvert stoff. Og hvis våre tekniske metoder for å studere mikrokosmos ennå ikke tillater oss å se partikler og atomer, vil vi kanskje starte med noe b O mer og mer kjent? For eksempel med et molekyl! Den er bygd opp av atomer. Et molekyl er et større og mer forståelig objekt, som sannsynligvis vil bli dypere studert.

Dessverre må jeg skuffe deg igjen. Molekyler er forståelige for oss bare på papir i form av abstrakte formler og tegninger av deres tiltenkte struktur. Vi kan heller ikke få et klart bilde av et molekyl med uttalte bindinger mellom atomer.

I august 2009, ved hjelp av teknologien for atomkraftmikroskopi, klarte europeiske forskere for første gang å få et bilde av strukturen til et ganske stort molekyl av pentacen (C 22 H 14). Den mest moderne teknologien gjorde det mulig å se kun fem ringer som definerer strukturen til dette hydrokarbonet, samt flekker av individuelle karbon- og hydrogenatomer (fig. 2). Og dette er alt vi kan gjøre for nå...

Ris. 2. Strukturell representasjon av pentacen-molekylet (øverst)

og bildet hennes (nedenfor)

På den ene siden lar de oppnådde fotografiene oss hevde at veien valgt av kjemiske forskere, som beskriver sammensetningen og strukturen til molekyler, ikke lenger er i tvil, men på den annen side kan vi bare gjette at

Hvordan foregår tross alt kombinasjonen av atomer i et molekyl, og elementærpartikler i et atom? Hvorfor er disse atom- og molekylbindingene stabile? Hvordan dannes de, hvilke krefter støtter dem? Hvordan ser et elektron, proton eller nøytron ut? Hva er strukturen deres? Hva er en atomkjerne? Hvordan kommer et proton og et nøytron overens i samme rom, og hvorfor avviser de et elektron fra det?

Det er mange spørsmål av denne typen. Svar også. Riktignok er mange av svarene kun basert på antakelser som reiser nye spørsmål.

Mine aller første forsøk på å trenge inn i mikroverdenens hemmeligheter kom over en ganske overfladisk representasjon av moderne vitenskap av mye grunnleggende kunnskap om strukturen til objektene til mikroverdenen, om prinsippene for deres funksjon, om systemene for deres sammenkoblinger og relasjoner. Det viste seg at menneskeheten fortsatt ikke klart forstår hvordan kjernen til et atom og dets bestanddeler - elektroner, protoner og nøytroner - er ordnet. Vi har bare en generell idé om hva som faktisk skjer i prosessen med fisjon av en atomkjerne, hvilke hendelser som kan oppstå i løpet av et langt forløp av denne prosessen.

Studiet av kjernefysiske reaksjoner var begrenset til å observere prosessene og etablere visse årsakssammenhenger, utledet eksperimentelt. Forskere har lært å identifisere bare oppførsel visse partikler med en eller annen påvirkning. Det er alt! Uten å forstå strukturen deres, uten å avsløre mekanismene for samhandling! Bare oppførsel! Basert på denne oppførselen ble avhengighetene til visse parametere bestemt, og for større betydning ble disse eksperimentelle dataene kledd i matematiske formler i flere etasjer. Det er hele teorien!

Dessverre var dette nok til å modig begynne å bygge atomkraftverk, forskjellige akseleratorer, kollidere og opprettelsen av atombomber. Etter å ha mottatt den primære kunnskapen om kjernefysiske prosesser, ble menneskeheten umiddelbart med i et enestående kappløp for å eie kraftig energi under dens kontroll.

Antall land bevæpnet med kjernefysisk potensial vokste med stormskritt. Tallrike atomraketter kikket truende mot sine uvennlige naboer. Atomkraftverk begynte å dukke opp, som kontinuerlig genererte billig elektrisk energi. Enorme midler ble brukt på kjernefysisk utvikling av flere og flere nye design. Vitenskapen, som prøver å se inn i atomkjernen, har iherdig bygget supermoderne partikkelakseleratorer.

Men saken nådde ikke strukturen til atomet og dets kjerne. Lidenskapen for jakten på flere og flere nye partikler og jakten på Nobelregaliene overskygget den dype studien av strukturen til atomkjernen og partiklene inkludert i den.

Men overfladisk kunnskap om kjernefysiske prosesser manifesterte seg umiddelbart negativt under driften av kjernefysiske reaktorer og provoserte i en rekke situasjoner forekomsten av spontane kjernefysiske kjedereaksjoner.

Denne listen inneholder datoene og stedene for forekomst av spontane kjernefysiske reaksjoner:

21.08.1945 år. USA, Los Alamos National Laboratory.

21.05.1946. USA, Los Alamos National Laboratory.

15.03.1953 år. USSR, Chelyabinsk-65, PA "Mayak".

21.04.1953 år. USSR, Chelyabinsk-65, PA "Mayak".

16.06.1958 år. USA, Oak Ridge, Y-12 radiokjemisk anlegg.

15.10.1958. Jugoslavia, B. Kidrich-instituttet.

30.12.1958 USA, Los Alamos National Laboratory.

01.03.1963. USSR, Tomsk-7, Siberian Chemical Combine.

23.07.1964. USA, Woodriver, radiokjemisk anlegg.

30.12.1965. Belgia, Mol.

03/05/1968 år. USSR, Chelyabinsk-70, VNIITF.

10.12.1968 år. USSR, Chelyabinsk-65, PA "Mayak".

26.05.1971. USSR, Moskva, Institutt for atomenergi.

13.12.1978 år. USSR, Tomsk-7, Siberian Chemical Combine.

23.09.1983 Argentina, reaktor RA-2.

15.05.1997. Russland, Novosibirsk, anlegg av kjemiske konsentrater.

17. juni 1997. Russland, Sarov, VNIIEF.

30. september 1999. Japan, Tokaimura, produksjonsanlegg for kjernefysisk brensel.

Det er nødvendig å legge til denne listen en rekke ulykker med luft- og undervannsbærere av atomvåpen, hendelser ved kjernefysiske brenselssyklusbedrifter, nødsituasjoner ved atomkraftverk, nødsituasjoner under testing av atom- og termonukleære bomber. Tragediene i Tsjernobyl og Fukushima vil for alltid forbli i vårt minne. Tusenvis av mennesker døde bak disse katastrofene og nødsituasjonene. Og det får deg til å tenke veldig seriøst.

Bare tanken på å drive atomkraftverk, som øyeblikkelig kan gjøre hele verden til en kontinuerlig radioaktiv sone, er skremmende. Dessverre er denne frykten velbegrunnet. Først av alt, det faktum at skaperne av atomreaktorer i sitt arbeid de brukte ikke grunnleggende kunnskap, men en uttalelse om visse matematiske sammenhenger og partikkeladferd, på grunnlag av hvilke en farlig kjernefysisk design ble bygget... For forskere, til nå, representerer kjernefysiske reaksjoner en slags "svart boks" som fungerer, med forbehold om oppfyllelse av visse handlinger og krav.

Men hvis noe begynner å skje i denne "boksen" og dette "noe" ikke er beskrevet av instruksjonene og går utover omfanget av kunnskapen vi har fått, så kan vi, bortsett fra vårt eget heltemot og ikke-intellektuelle arbeid, ikke motsette oss noe til det utfoldende kjernefysiske elementet. Massene av mennesker blir tvunget til å bare ydmykt vente på den forestående faren, forberede seg på forferdelige og uforståelige konsekvenser, flytte til en trygg, etter deres mening, avstand. I de fleste tilfeller trekker atomspesialister bare på skuldrene, ber og forventer hjelp fra høyere makter.

Bevæpnet med toppmoderne teknologi, kan japanske kjernefysiske forskere fortsatt ikke tøyle det lenge utslåtte Fukushima atomkraftverket. De kan bare konstatere at 18. oktober 2013 overskred strålingsnivået i grunnvannet normen med mer enn 2500 ganger. På et døgn økte nivået av radioaktive stoffer i vannet nesten 12 000 ganger! Hvorfor?! Så langt kan japanske spesialister verken svare på dette spørsmålet eller stoppe disse prosessene.

Risikoen for å lage en atombombe var på en eller annen måte berettiget. Den spente militærpolitiske situasjonen på planeten krevde enestående forsvars- og angrepstiltak fra de krigførende landene. Ved å adlyde situasjonen tok atomforskere risikoer uten å fordype seg i vanskelighetene ved strukturen og funksjonen til elementærpartikler og atomkjerner.

Men i fredstid måtte byggingen av atomkraftverk og kollidere av alle typer begynne kun på betingelse, hva vitenskapen har fullstendig funnet ut strukturen til atomkjernen, og med elektronet, og med nøytronet, og med protonet, og med deres sammenkoblinger. Dessuten må atomreaksjonen ved et atomkraftverk være strengt kontrollert. Men du kan virkelig og effektivt bare administrere det du vet grundig. Spesielt når det kommer til den kraftigste energitypen i dag, som slett ikke er lett å utnytte. Dette skjer selvfølgelig ikke. Ikke bare under byggingen av et atomkraftverk.

For tiden, i Russland, Kina, USA og Europa, er det 6 forskjellige kollidere - kraftige akseleratorer av motstrømmer av partikler, som akselererer dem til en enorm hastighet, og gir høy kinetisk energi til partiklene for deretter å kollidere dem med hver annen. Hensikten med kollisjonen er å studere produktene fra kollisjon av partikler i håp om at noe nytt og fortsatt ukjent kan sees i prosessen med deres forfall.

Det er tydelig at forskerne er svært interessert i å se hva som vil komme ut av alt dette. Kollisjonsratene av partikler og nivået på tilegnelse av vitenskapelig utvikling øker, men kunnskapen om strukturen til det som kolliderer har holdt seg på samme nivå i mange, mange år. Det er fortsatt ingen underbyggede prognoser om resultatene av de planlagte studiene, og det kan det faktisk ikke være. Ikke tilfeldig. Vi forstår godt at det er mulig å forutsi vitenskapelig bare under forutsetning av nøyaktig og bevist kunnskap i det minste om detaljene i den forutsagte prosessen. Moderne vitenskap har ennå ikke slik kunnskap om elementærpartikler. I dette tilfellet kan det antas at hovedprinsippet for de eksisterende forskningsmetodene er posisjonen: "La oss prøve å gjøre - vi får se hva som skjer." Dessverre.

Derfor er det ganske naturlig at det i dag oftere og oftere diskuteres spørsmål knyttet til faren for å gjennomføre eksperimenter. Det handler ikke engang om muligheten for at mikroskopiske sorte hull dukker opp i løpet av eksperimenter, som utvider seg og kan svelge planeten vår. Jeg tror egentlig ikke på en slik mulighet, i hvert fall på det nåværende nivået og stadiet av min intellektuelle utvikling.

Men det er en mer alvorlig og mer reell fare. For eksempel, i Large Hadron Collider er det en kollisjon av flukser av protoner eller blyioner i forskjellige konfigurasjoner. Det ser ut til, hva slags trussel kan komme fra en mikroskopisk partikkel, og til og med under jorden, i en tunnel, lenket i en kraftig metall- og betongbeskyttelse? En partikkel med en masse på 1 672 621 777 (74) x 10 -27 kg og en solid multitonn mer enn 26 kilometer lang tunnel i tykkelsen av tung jord er klart uforlignelige kategorier.

Trusselen eksisterer imidlertid. Når du utfører eksperimenter, er det ganske sannsynlig at en ukontrollerbar frigjøring av en enorm mengde energi vil vises, som ikke bare vil vises som et resultat av brudd på intranukleære krefter, men også energien inne i protonene eller blyionene. En kjernefysisk eksplosjon av et moderne ballistisk missil, basert på frigjøring av den intranukleære energien til et atom, vil ikke virke mer forferdelig enn et nyttårs fyrverkeri sammenlignet med den kraftigste energien som kan frigjøres når elementærpartikler blir ødelagt. Vi kan helt uventet slippe en fabelaktig gin fra flasken. Men ikke det føyelige godhjertet og ypperste som bare adlyder og adlyder, men et ukontrollerbart, allmektig og hensynsløst monster som ikke kjenner nåde og barmhjertighet. Og det blir ikke fabelaktig, men ganske ekte.

Men det verste er at, som i en atombombe, kan en kjedereaksjon begynne i kollideren, som frigjør flere og flere deler av energi og ødelegger alle andre elementærpartikler. Samtidig spiller det ingen rolle i det hele tatt hva de vil bestå av - metallkonstruksjonene i tunnelen, betongvegger eller steiner. Energi vil frigjøres overalt, og rive fra hverandre alt som ikke bare er forbundet med vår sivilisasjon, men også med hele planeten. På et øyeblikk kan bare ynkelige uformelige stykker som sprer seg over de store og enorme vidder av universet bli igjen fra vår søte blå skjønnhet.

Dette er utvilsomt et forferdelig, men ganske reelt scenario, og mange europeere i dag forstår dette veldig godt og motsetter seg aktivt farlige uforutsigbare eksperimenter, og krever sikkerheten til planeten og sivilisasjonen. Disse talene blir for hver gang mer og mer organiserte og øker den interne bekymringen rundt dagens situasjon.

Jeg er ikke imot eksperimenter, for jeg forstår godt at veien til ny kunnskap alltid er tornefull og vanskelig. Det er nesten umulig å overvinne det uten eksperimentering. Jeg er imidlertid dypt overbevist om at ethvert eksperiment bare bør utføres når det er trygt for mennesker og verden rundt dem. I dag har vi ingen tillit til slik sikkerhet. Nei, for det er ingen kunnskap om de partiklene som vi allerede eksperimenterer med i dag.

Situasjonen viste seg å være mye mer alarmerende enn jeg tidligere hadde forestilt meg. Etter å ha vært alvorlig bekymret, kastet jeg meg hodestups inn i en verden av kunnskap om mikrokosmos. Jeg innrømmer at dette ikke ga meg mye glede, siden det i de utviklede teoriene om mikroverdenen var vanskelig å forstå et klart forhold mellom naturfenomener og konklusjonene som noen forskere var basert på, ved å bruke de teoretiske bestemmelsene fra kvantefysikk, kvantemekanikk og teorien om elementærpartikler som forskningsapparat.

Se for deg min forundring da jeg plutselig oppdaget at kunnskap om mikrokosmos er mer basert på antakelser som ikke har klare logiske begrunnelser. Etter å ha mettede matematiske modeller med visse konvensjoner i form av Plancks konstant med en konstant som overstiger tretti nuller etter desimaltegnet, beskriver forskjellige forbud og postulater, teoretikere likevel tilstrekkelig detaljert og nøyaktig en praktiske situasjoner som svarer på spørsmålet: "Hva skjer hvis ...?". Imidlertid forble hovedspørsmålet: "Hvorfor skjer dette?" Dessverre ubesvart.

Det virket for meg som om det å erkjenne det endeløse universet og dets så fjerne galakser, spredt over en fantastisk stor avstand, er mye vanskeligere enn å finne en vei for erkjennelse til det som faktisk "ligger under føttene våre." Basert på grunnlaget for min videregående og høyere utdanning, trodde jeg oppriktig at vår sivilisasjon ikke lenger har noen spørsmål om strukturen til atomet og dets kjerne, eller om elementærpartikler og deres struktur, eller om kreftene som holder et elektron i bane. og holde en stabil binding mellom protoner og nøytroner i kjernen til et atom.

Inntil det øyeblikket trengte jeg ikke å studere det grunnleggende om kvantefysikk, men jeg var sikker og naivt antok at denne nye fysikken er det som faktisk vil lede oss ut av mørket av misforståelser av mikroverdenen.

Men til min dype fortvilelse var jeg vrangforestilling. Moderne kvantefysikk, fysikken til atomkjernen og elementærpartikler, og hele fysikken til mikroverdenen, er etter min mening ikke bare i en begredelig tilstand. De sitter lenge fast i en intellektuell blindgate som ikke kan tillate dem å utvikle seg og forbedre seg, og beveger seg langs veien for erkjennelse av atomet og elementærpartiklene.

Forskere i mikroverdenen, strengt begrenset av den etablerte standhaftigheten i meningene til de store teoretikere på 1800- og 1900-tallet, har ikke våget å vende tilbake til sin opprinnelse og starte på nytt den vanskelige veien for forskning i dypet av vår omverden for mer enn hundre år. Mitt så kritiske syn på dagens situasjon rundt studiet av mikroverdenen er langt fra det eneste. Mange progressive forskere og teoretikere har mer enn en gang uttrykt sitt synspunkt på problemene som oppstår i løpet av forståelsen av grunnlaget for teorien om atomkjernen og elementærpartikler, kvantefysikk og kvantemekanikk.

En analyse av moderne teoretisk kvantefysikk lar oss gjøre en ganske sikker konklusjon om at essensen av teorien ligger i den matematiske representasjonen av visse gjennomsnittlige verdier av partikler og atomer, basert på indikatorer for noen mekanistisk statistikk. Det viktigste i teorien er ikke studiet av elementærpartikler, deres struktur, deres forbindelser og interaksjoner under manifestasjonen av visse naturfenomener, men forenklede sannsynlige matematiske modeller basert på avhengighetene oppnådd under eksperimenter.

Dessverre, her, så vel som i utviklingen av relativitetsteorien, ble de avledede matematiske avhengighetene, som overskygget naturen til fenomener, deres sammenkobling og årsakene til forekomsten, satt i første rekke.

Studiet av strukturen til elementærpartikler var begrenset til antakelsen om tilstedeværelsen av tre hypotetiske kvarker i protoner og nøytroner, hvis varianter, ettersom denne teoretiske antagelsen utviklet seg, endret seg fra to, deretter tre, fire, seks, tolv. Vitenskapen justerte seg ganske enkelt til resultatene av eksperimenter, tvunget til å finne opp nye elementer, hvis eksistens ennå ikke er bevist. Her kan vi høre om så langt ikke funnet preoner og gravitoner. Du kan være sikker på at antallet hypotetiske partikler vil fortsette å vokse etter hvert som vitenskapen om mikroverdenen går dypere og dypere inn i en blindveistilstand.

Mangelen på forståelse av de fysiske prosessene som skjer inne i elementærpartikler og atomkjerner, mekanismen for interaksjon mellom systemer og elementer i mikroverdenen brakte hypotetiske elementer - bærere av interaksjon - som gauge- og vektorbosoner, gluoner, virtuelle fotoner, inn på arenaen av moderne vitenskap. Det var de som ledet listen over enheter som var ansvarlige for prosessene for interaksjon mellom noen partikler med andre. Og det spiller ingen rolle at selv deres indirekte tegn ikke ble funnet. Det er viktig at de på en eller annen måte kan holdes ansvarlige for det faktum at atomkjernen ikke faller fra hverandre i sine komponenter, at månen ikke faller til jorden, at elektronene fortsatt roterer i deres bane, og planetens magnetisk felt beskytter oss fortsatt mot kosmiske påvirkninger ...

Alt dette gjorde meg trist, for jo mer jeg fordypet meg i teorien om mikroverdenen, jo mer vokste min forståelse av blindveisutviklingen av den viktigste komponenten i teorien om verdens struktur. Posisjonen til dagens vitenskap om mikroverdenen er ikke tilfeldig, men naturlig. Faktum er at grunnlaget for kvantefysikk ble lagt av nobelprisvinnerne Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli og Paul Dirac på slutten av det nittende og begynnelsen av det tjuende århundre. Fysikere på den tiden hadde bare resultatene av noen innledende eksperimenter rettet mot å studere atomer og elementærpartikler. Det må imidlertid innrømmes at disse studiene ble utført på det ufullkomne utstyret som tilsvarer den tiden, og den eksperimentelle databasen begynte så vidt å bli fylt.

Derfor er det ikke overraskende at klassisk fysikk ikke alltid kunne svare på de mange spørsmålene som dukket opp under studiet av mikroverdenen. Derfor, på begynnelsen av det tjuende århundre, begynte den vitenskapelige verden å snakke om fysikkens krise og behovet for revolusjonerende transformasjoner i systemet for studier av mikroverdenen. Denne posisjonen presset definitivt progressive teoretiske forskere til å søke etter nye måter og nye metoder for erkjennelse av mikroverdenen.

Problemet, vi må gi det sin grunn, lå fortsatt ikke i de utdaterte bestemmelsene i klassisk fysikk, men i et utilstrekkelig utviklet teknisk grunnlag, som på den tiden, som er ganske forståelig, ikke kunne gi de nødvendige forskningsresultatene og gi mat til dypere teoretiske utviklinger. Gapet måtte fylles. Og de fylte det ut. En ny teori - kvantefysikk, basert primært på sannsynlige matematiske konsepter. Det var ikke noe galt med det, bortsett fra at de samtidig glemte filosofien og brøt bort fra den virkelige verden.

De klassiske konseptene for et atom, elektron, proton, nøytron, etc. ble erstattet av deres sannsynlighetsmodeller, som tilsvarte et visst nivå av utvikling av vitenskap og til og med gjorde det mulig å løse svært komplekse anvendte tekniske problemer. Mangelen på det nødvendige tekniske grunnlaget og noen suksesser i den teoretiske og eksperimentelle presentasjonen av elementene og systemene i mikroverdenen har skapt forhold for en viss avkjøling av den vitenskapelige verden til en dyp studie av strukturen til elementære partikler, atomer og deres kjerner . Dessuten syntes krisen i mikrokosmos fysikk å ha blitt slukket, en revolusjon hadde funnet sted. Det vitenskapelige samfunnet skyndte seg entusiastisk til studiet av kvantefysikk, uten å bry seg om å forstå det grunnleggende om elementære og fundamentale partikler.

Denne tilstanden til den moderne vitenskapen om mikroverdenen kunne naturligvis ikke annet enn å begeistre meg, og jeg begynte umiddelbart å forberede meg på en ny ekspedisjon, for en ny reise. Til en reise inn i mikrokosmos. Vi har allerede gjort en lignende reise. Dette var den første turen til verden av galakser, stjerner og kvasarer, til verden av mørk materie og mørk energi, til verden der universet vårt er født og lever et fullverdig liv. I rapporten hans "Universets pust. Den første reisen»Vi prøvde å forstå universets struktur og prosessene som finner sted i det.

Da jeg innså at den andre reisen heller ikke ville være lett og ville kreve milliarder av billioner av ganger for å redusere omfanget av rom for å studere verden rundt meg, begynte jeg å forberede meg på penetrasjon ikke bare i strukturen til et atom eller molekyl, men også inn i dypet av et elektron og et proton, et nøytron og foton, og i volumer millioner av ganger mindre enn volumene til disse partiklene. Dette krevde spesiell opplæring, ny kunnskap og perfekt utstyr.

Den kommende reisen antok en start helt fra begynnelsen av skapelsen av vår verden, og det var nettopp denne begynnelsen som var det farligste og med det mest uforutsigbare utfallet. Men det var avhengig av vår ekspedisjon om vi ville finne en vei ut av den nåværende situasjonen i vitenskapen om mikroverdenen eller om vi ville fortsette å balansere på den vaklende taubroen til moderne atomkraft, og hvert sekund sette livet og eksistensen til sivilisasjonen på planeten i fare. .

Saken er at for å forstå de første resultatene av forskningen vår, var det nødvendig å komme til universets sorte hull og, forsømme følelsen av selvoppholdelsesdrift, kaste oss inn i det flammende helvete i den universelle tunnelen. Bare der, under forhold med ekstremt høye temperaturer og fantastisk trykk, forsiktig framover i de raskt roterende strømmene av materialpartikler, kunne vi se hvordan utslettelse av partikler og antipartikler skjer og hvordan den store og mektige stamfaren til alle ting, Ether, er gjenfødt, for å forstå alle prosessene som finner sted, inkludert dannelsen av partikler, atomer og molekyler.

Tro meg, det er ikke så mange våghalser på jorden som er i stand til å bestemme over dette. Dessuten er resultatet ikke garantert av noen, og ingen er klare til å ta ansvar for det vellykkede resultatet av denne turen. Under eksistensen av sivilisasjonen besøkte ingen engang galaksens sorte hull, men her - UNIVERS! Alt her er voksent, grandiost og kosmisk storstilt. Ingen spøk her. Her kan de på et øyeblikk forvandle menneskekroppen til en mikroskopisk glødende energiklump eller spre den over de endeløse kalde vidder av verdensrommet uten rett til å gjenopprette og gjenforenes. Dette er universet! Enormt og staselig, kaldt og varmt, grenseløst og mystisk ...

Derfor, med å invitere alle til å bli med på ekspedisjonen vår, må jeg advare deg om at hvis noen er i tvil, er det ikke for sent å nekte. Alle grunner godtas. Vi er fullstendig klar over farens omfang, men vi er klare til å ta den modige oppgjør for enhver pris! Vi forbereder oss på å dykke ned i dypet av universet.

Det er klart at for å beskytte oss selv og holde oss i live, stuper inn i en rødglødende, fylt med kraftige eksplosjoner og atomreaksjoner, er den universelle tunnelen langt fra enkel, og utstyret vårt må samsvare med forholdene vi må jobbe under. Derfor er det viktig å forberede det beste utstyret og nøye tenke over utstyret for alle deltakerne i denne farlige ekspedisjonen.

Først av alt, på den andre turen vil vi ta det som tillot oss å overvinne en veldig vanskelig vei gjennom universets vidstrakter, da vi jobbet med rapporten om ekspedisjonen vår. "Universets pust. Den første reisen”. Selvfølgelig er det det verdens lover... Uten bruken av dem kunne vår første reise neppe ha endt vellykket. Det var lovene som gjorde det mulig å finne den rette veien blant haugen av uforståelige fenomener og tvilsomme konklusjoner fra forskere om deres forklaring.

Hvis du husker, loven om balanse mellom motsetninger,å forhåndsbestemme at enhver manifestasjon av virkeligheten i verden, ethvert system har sin motsatte essens og er eller søker å være i likevekt med den, tillot oss å forstå og akseptere nærværet i verden rundt oss, i tillegg til vanlig energi, også mørk energi , og også i tillegg til vanlig materie - mørk materie. Loven om motsetningers balanse gjorde det mulig å anta at verden ikke bare består av eter, men eter består også av to av dens typer - positive og negative.

Loven om universell sammenkobling, som antyder en stabil, repeterende forbindelse mellom alle objekter, prosesser og systemer i universet, uavhengig av deres skala, og hierarkilov, ved å sortere nivåene til ethvert system i universet fra laveste til høyeste, gjorde det mulig å bygge en logisk "stige av vesener" fra eter, partikler, atomer, stoffer, stjerner og galakser til universet. Og så å finne måter å transformere et utrolig stort antall galakser, stjerner, planeter og andre materielle objekter på, først til partikler, og deretter til strømmer av glødende eter.

Vi har funnet bekreftelse på disse synspunktene i praksis. utviklingsloven, som bestemmer den evolusjonære bevegelsen i alle sfærer av verden rundt oss. Gjennom analysen av virkemåten til disse lovene kom vi til en beskrivelse av formen og forståelsen av universets struktur, vi kjente til utviklingen av galakser, så mekanismene for dannelsen av partikler og atomer, stjerner og planeter. Det ble helt klart for oss hvordan det store dannes fra det lille, og det lille dannes av det store.

Bare forståelse loven om kontinuitet i bevegelse, å tolke den objektive nødvendigheten av prosessen med konstant bevegelse i rommet for alle objekter og systemer uten unntak, tillot oss å komme til realiseringen av rotasjonen av universets kjerne og galakser rundt den universelle tunnelen.

Lovene for verdens struktur var et slags kart over reisen vår, som hjalp oss til å bevege oss langs ruten og overvinne de vanskeligste delene av den og hindringer på veien til å forstå verden. Derfor vil lovene for verdens struktur og i denne reisen inn i dypet av universet være den viktigste egenskapen til utstyret vårt.

Den andre viktige betingelsen for å lykkes med penetrering i dypet av universet vil utvilsomt være eksperimentelle resultater forskere at de brukte over hundre år, og hele lager av kunnskap og informasjon om fenomener mikroverden akkumulert av moderne vitenskap. Under den første turen ble vi overbevist om at mange naturfenomener kan tolkes på ulike måter og trekke helt motsatte konklusjoner.

Feil konklusjoner, støttet av tungvinte matematiske formler, fører som regel vitenskapen til en blindvei og gir ikke den nødvendige utviklingen. De legger grunnlaget for ytterligere feiltenkning, som igjen danner de teoretiske antakelsene til de feilaktige teoriene som utvikles. Det handler ikke om formler. Formler kan være helt riktige. Men forskernes beslutninger om hvordan og langs hvilken vei de skal bevege seg er kanskje ikke helt korrekte.

Situasjonen kan sammenlignes med ønsket om å komme seg fra Paris til flyplassen oppkalt etter Charles de Gaulle på to veier. Den første er den korteste, som du ikke kan bruke mer enn en halv time på, bare ved å bruke en bil, og den andre er akkurat det motsatte, rundt om i verden med bil, skip, spesialutstyr, båter, hundesleder over hele Frankrike, Atlanterhavet, Sør-Amerika, Antarktis, Stillehavet, Arktis og til slutt gjennom det nordøstlige Frankrike direkte til flyplassen. Begge veiene vil føre oss fra ett punkt til samme sted. Men hvor lenge og med hvilken innsats? Ja, og det er veldig problematisk å være nøyaktig og nå målet på en lang og strabasiøs reise. Derfor er ikke bare bevegelsesprosessen viktig, men også valget av riktig vei.

På vår reise, akkurat som på den første ekspedisjonen, vil vi prøve å se noe annerledes på konklusjonene om mikroverdenen som allerede er laget og akseptert av hele den vitenskapelige verden. Først av alt, i forhold til kunnskapen oppnådd som et resultat av å studere elementærpartikler, kjernereaksjoner og eksisterende interaksjoner. Det er fullt mulig at som et resultat av vår nedsenking i dypet av universet, vil elektronet ikke vises foran oss som en ustrukturert partikkel, men som et slags mer komplekst objekt i mikroverdenen, og atomkjernen vil avsløre dens mangfoldige struktur, lever sitt uvanlige og aktive liv.

La oss ikke glemme å ta med oss ​​logikken. Det tillot oss å finne veien gjennom de vanskeligste stedene på vår tidligere reise. Logikk var et slags kompass, som indikerer retningen til den riktige banen på en reise gjennom universets vidstrakter. Det er klart at selv nå kan vi ikke klare oss uten det.

Men logikk alene vil ikke være nok. Vi kan ikke klare oss uten intuisjon på denne ekspedisjonen. Intuisjon vil tillate oss å finne det vi ikke engang kan gjette om ennå, og hvor ingen har lett etter noe før oss. Det er intuisjonen som er vår fantastiske assistent, hvis stemme vi vil lytte nøye til. Intuisjon vil få oss til å bevege oss, til tross for regn og kulde, snø og frost, uten fast håp og klar informasjon, men det er den som vil tillate oss å nå målet vårt til tross for alle reglene og instruksjonene som hele menneskeheten har blitt vant til fra skolen.

Til slutt kan vi ikke gå noe sted uten vår uhemmede fantasi. Fantasi- dette er det nødvendige kognitive verktøyet som vil tillate oss å se uten de mest moderne mikroskopene hva som er mye mindre enn de minste partiklene som allerede er oppdaget eller bare antatt av forskere. Fantasi vil demonstrere for oss alle prosessene som foregår i et sort hull og i en universell tunnel, gi mekanismer for fremveksten av gravitasjonskrefter under dannelsen av partikler og atomer, lede oss gjennom galleriene til atomkjernen og gjøre det mulig å foreta en spennende flytur på et lett roterende elektron rundt et solid, men klønete selskap av protoner og nøytroner i atomkjernen.

Dessverre, på denne reisen inn i dypet av universet, vil vi ikke være i stand til å ta noe annet - det er veldig lite plass og vi må begrense oss selv i det mest nødvendige. Men det kan ikke stoppe oss! Målet er klart for oss! Dypet av universet venter på oss!

De dukker opp i forskjellige former og størrelser, noen kommer i destruktive duetter, det vil si at de ender opp med å ødelegge hverandre, og noen har utrolige navn som "nøytralino". Her er en liste over de minste partiklene som forbløffer selv fysikere.

Guds partikkel

Higgs-bosonet er en partikkel som er så viktig for vitenskapen at den har fått kallenavnet «Gud-partikkelen». Det er hun som, som forskerne tror, ​​gir masse til alle andre partikler. Det ble først snakket om i 1964, da fysikere lurte på hvorfor noen av partiklene har mer masse enn andre. Higgs-bosonet er assosiert med Higgs-feltet, et slags gitter som fyller universet. Feltet og bosonet antas å være ansvarlig for å gi andre partikler deres masse. Mange forskere tror at det er Higgs-mekanismen som inneholder de manglende brikkene i puslespillet for fullt ut å forstå standardmodellen som beskriver alle kjente partikler, men sammenhengen mellom dem er ennå ikke bevist.

Quarks

Quarks er herlig navngitte blokker av protoner og nøytroner som aldri er alene og alltid bare eksisterer i grupper. Tilsynelatende øker kraften som binder kvarkene sammen med avstanden, det vil si at jo mer noen prøver å flytte en av kvarkene bort fra gruppen, jo mer vil den bli tiltrukket tilbake. Dermed eksisterer ikke frie kvarker i naturen. Det er seks typer kvarker totalt, og for eksempel er protoner og nøytroner sammensatt av flere kvarker. Det er tre av dem i protonet - to av samme type, og en av den andre, og i nøytronet - bare to, begge av forskjellige typer.

Super partnere

Disse partiklene tilhører teorien om supersymmetri, som sier at for hver partikkel som er kjent for mennesket, er det en annen lignende partikkel som ennå ikke er oppdaget. For eksempel er supermønsteret til et elektron et selektron, en superpartner til en kvark er en squark, og en superpartner til et foton er en foton. Hvorfor er ikke disse superpartiklene observert i universet nå? Forskere tror at de er mye tyngre enn sine kolleger, og at mer vekt vil forkorte levetiden deres. Disse partiklene begynner å brytes ned så snart de er født. Å lage en partikkel krever en enorm mengde energi, slik som den som ble generert av Big Bang. Kanskje vil forskere finne en måte å reprodusere superpartikler, for eksempel ved Large Hadron Collider. Når det gjelder den større størrelsen og vekten til superpartnerne, mener forskerne at symmetri har blitt brutt i en skjult del av universet som ikke kan sees eller finnes.

Nøytrino

Dette er lette subatomære partikler som beveger seg med hastigheter nær lysets hastighet. Faktisk beveger seg billioner av nøytrinoer gjennom kroppen din til enhver tid, men de samhandler nesten aldri med vanlig materie. Noen nøytrinoer kommer fra solen, andre fra kosmiske stråler som samhandler med atmosfæren.

Antimaterie

Alle vanlige partikler har en partner i antimaterie, identiske partikler med motsatt ladning. Når materie og antimaterie møter hverandre, opphever de hverandre. For et proton er en slik partikkel et antiproton, men for et elektron - et positron.

Gravitoner

I kvantemekanikk utøves alle grunnleggende krefter av partikler. For eksempel består lys av nullmassepartikler kalt fotoner som bærer elektromagnetisk kraft. På samme måte er gravitoner teoretiske partikler som bærer tyngdekraften. Forskere prøver fortsatt å finne gravitoner, men dette er veldig vanskelig å gjøre, siden disse partiklene samhandler veldig svakt med materie. Forskere forlater imidlertid ikke forsøk, da de håper at de fortsatt vil være i stand til å fange gravitoner for å studere dem mer detaljert - dette kan bli et reelt gjennombrudd innen kvantemekanikk, siden mange slike partikler allerede er studert, men graviton forblir utelukkende teoretisk. Som du kan se, kan fysikk være mye mer interessant og spennende enn du kanskje forestiller deg. Hele verden er fylt med forskjellige partikler, som hver er et stort felt for forskning og studier, samt en enorm kunnskapsbase om alt som omgir en person. Og man trenger bare å tenke på hvor mange partikler som allerede er oppdaget - og hvor mange mennesker som ennå ikke har oppdaget.

Utrolige fakta

Folk har en tendens til å ta hensyn til store gjenstander som fanger oppmerksomheten vår med en gang.

Tvert imot kan små ting gå ubemerket hen, selv om dette ikke gjør dem mindre viktige.

Noen av dem kan vi se med det blotte øye, andre bare ved hjelp av et mikroskop, og det er de som bare kan forestilles teoretisk.

Her er en samling av verdens minste ting, fra bittesmå leker, miniatyrdyr og mennesker til en hypotetisk subatomær partikkel.

Den minste pistolen i verden

Den minste revolveren i verden SwissMiniGun tilsynelatende ikke større enn en dørnøkkel. Utseendet bedrar imidlertid, og en pistol som bare er 5,5 cm lang og veier i underkant av 20 gram kan skyte med en hastighet på 122 meter i sekundet. Dette er nok til å drepe på nært hold.

Den minste kroppsbyggeren i verden

Guinness verdensrekorder Aditya "Romeo" Dev(Aditya “Romeo” Dev) fra India var den minste kroppsbyggeren i verden. Med en høyde på bare 84 cm og en vekt på 9 kg kunne han løfte manualer som veide 1,5 kg og brukte mye tid på å forbedre kroppen. Dessverre døde han i september 2012 på grunn av en sprukket hjerneaneurisme.

Den minste øglen i verden

Haraguansk sfære ( Sphaerodactylus ariasae) er det minste reptilet i verden. Den er bare 16-18 mm lang og veier 0,2 gram. Han bor i Jaragua nasjonalpark i Den dominikanske republikk.

Den minste bilen i verden

Peel 50 veier 59 kg og er den minste produksjonsbilen i verden. På begynnelsen av 1960-tallet ble det produsert rundt 50 av disse bilene, og nå gjenstår bare noen få modeller. Bilen har to hjul foran og ett bak, og den når en hastighet på 16 km i timen.

Den minste hesten i verden

Den minste hesten i verden kalt Einstein ble født i 2010 i Barnstead, New Hampshire, Storbritannia. Ved fødselen veide hun mindre enn en nyfødt baby (2,7 kg). Høyden hennes var 35 cm Einstein lider ikke av dvergvekst, men tilhører hesterasen Pinto.

Det minste landet i verden

Vatikanet er det minste landet i verden. Dette er en liten stat med et areal på bare 0,44 kvm. km og en befolkning på 836 personer som ikke er fastboende. Det lille landet er omgitt av St. Peters katedral – det åndelige sentrum for romersk-katolikker. Selve Vatikanet er omgitt av Roma, Italia.

Den minste skolen i verden

Kalou-skolen i Iran har blitt anerkjent av UNESCO som den minste skolen i verden. I landsbyen der skolen ligger, er det bare 7 familier, hvor det er fire barn: to gutter og to jenter, som går på skolen.

Den minste vannkokeren i verden

Den minste tekanne i verden ble skapt av en kjent keramikkmester Wu Ruishen(Wu Ruishen) og den veier bare 1,4 gram.

Den minste mobiltelefonen i verden

Modu-telefonen regnes som den minste mobiltelefonen i verden ifølge Guinness rekordbok. Med en tykkelse på 76 millimeter veier den kun 39 gram. Dimensjonene er 72 mm x 37 mm x 7,8 mm. Til tross for den lille størrelsen kan du ringe, sende SMS-meldinger, spille MP3-filer og ta bilder.

Det minste fengselet i verden

Sark fengsel på Kanaløyene ble bygget i 1856 og har en celle for 2 innsatte.

Den minste apen i verden

Dverg silkeabber, som lever i de tropiske regnskogene i Sør-Amerika, regnes som de minste apene i verden. Vekten til en voksen ape er 110-140 gram, og lengden når 15 cm.Selv om de har ganske skarpe tenner og klør, er de relativt lydige og populære som eksotiske kjæledyr.

Den minste posten i verden

Den minste posttjenesten WSPS (World's Smallest Postal Service) i San Francisco, USA konverterer brevene dine til miniatyrform, så mottakeren må lese dem med et forstørrelsesglass.

Den minste frosken i verden

Froskeart Paedophryne amauensis med en lengde på 7,7 millimeter lever den bare i Papua Ny-Guinea, og er den minste frosken og det minste virveldyret i verden.

Det minste huset i verden

Verdens minste hus til et amerikansk selskap Tumbleweed arkitekten Jay Shafer er mindre enn noens toalett. Selv om dette huset bare er 9 kvm. meter ser bittesmå ut, den inneholder alt du trenger: en arbeidsplass, et soverom, et bad med dusj og toalett.

Den minste hunden i verden

Når det gjelder høyde, regnes den minste hunden i verden ifølge Guinness rekordbok som en hund. Bø Bø- Chihuahua med en høyde på 10,16 cm og en vekt på 900 gram. Hun bor i Kentucky, USA.

I tillegg hevder tittelen den minste hunden i verden Macy- en terrier fra Polen med en høyde på bare 7 cm og en lengde på 12 cm.

Den minste parken i verden

Mill Ends Park i Portland, Oregon, USA, er det den minste parken i verden med en diameter på bare 60 cm. På en liten sirkel som ligger i krysset mellom veier, er det et sommerfuglbasseng, et lite pariserhjul og miniatyrstatuer.

Den minste fisken i verden

Fiskearter Paedocypris progenetica fra karpefamilien, som finnes i torvmyrer, blir den bare 7,9 millimeter lang.

Den minste mannen i verden

72 år gammel nepaleser Chandra Bahadur Dangi(Chandra Bahadur Dangi) med en høyde på 54,6 cm ble anerkjent som den korteste mannen og mannen i verden.

Den minste kvinnen i verden

Den korteste kvinnen i verden er Yoti Amge(Jyoti Amge) fra India. På sin 18-årsdag ble en jente med en høyde på 62,8 cm den minste kvinnen i verden.

Minste politistasjon

Denne lille telefonkiosken i Carabella, Florida, USA regnes for å være den minste fungerende politistasjonen.

Den minste babyen i verden

I 2004 Rumaisa Rahman(Rumaisa Rahman) ble den minste nyfødte babyen. Hun ble født i uke 25 og veide bare 244 gram, og høyden var 24 cm Tvillingsøsteren Hiba veide nesten dobbelt så mye - 566 gram med en høyde på 30 cm Moren deres led av alvorlig svangerskapsforgiftning, som kan føre til å føde mindre barn.

De minste skulpturene i verden

Britisk billedhugger Ullard Wigan(Willard Wigan), som led av dysleksi, gjorde det ikke bra på skolen, og fant trøst i å lage miniatyrkunstverk som var usynlige for det blotte øye. Skulpturene hans er plassert i nåløyet og når en størrelse på 0,05 mm. Hans nylige verk, som kalles intet mindre enn "verdens åttende underverk", overskrider ikke størrelsen på en menneskelig blodcelle.

Den minste teddybjørnen i verden

Bamse Mini-fluff laget av en tysk billedhugger Bettina Kaminski(Bettina Kaminski) har blitt den minste håndsydde bamsen med bevegelige bein som kun måler 5 mm.

Minste bakterier

Minste virus

Selv om forskere fortsatt krangler om hva som anses som "levende" og hva som ikke er det, klassifiserer de fleste biologer ikke virus som en levende organisme, siden de ikke kan reprodusere seg og ikke er i stand til å utveksles utenfor cellen. Imidlertid kan et virus være mindre enn noen levende organisme, inkludert en bakterie. Det minste enkelttrådete DNA-viruset er svinecirkovirus ( Porcint circovirus). Skallet er bare 17 nanometer i diameter.

Minste gjenstander synlige for det blotte øye

Den minste gjenstanden som er synlig for det blotte øye er 1 millimeter. Dette betyr at du under de nødvendige forholdene vil kunne se den vanlige amøbe, ciliate sko og til og med et menneskelig egg.

Den minste partikkelen i universet

I løpet av det siste århundret har vitenskapen tatt et stort skritt mot å forstå universets vidstrakter og dets mikroskopiske byggematerialer. Men når det kommer til den minste observerbare partikkelen i universet, oppstår det noen vanskeligheter.

På et tidspunkt ble atomet ansett som den minste partikkelen. Så oppdaget forskere protonet, nøytronet og elektronet. Nå vet vi at ved å kollidere partikler sammen (som f.eks. ved Large Hadron Collider) kan de brytes til enda flere partikler, som f.eks. kvarker, leptoner og til og med antimaterie... Problemet er bare å bestemme hva som er mindre.

Men på kvantenivå blir størrelse irrelevant fordi fysikkens lover vi er vant til ikke gjelder. Så noen partikler har ingen masse, noen har negativ masse. Løsningen på dette spørsmålet er som å dele på null, det vil si umulig.

Det minste hypotetiske objektet i universet

Med tanke på det som er sagt ovenfor at størrelsesbegrepet er uanvendelig på kvantenivå, kan man vende seg til den velkjente strengteorien i fysikk.

Selv om dette er en ganske kontroversiell teori, antyder den at subatomære partikler er sammensatt av vibrerende strenger som samhandler for å skape ting som masse og energi. Og selv om slike strenger ikke har noen fysiske parametere, fører den menneskelige tendensen til å rettferdiggjøre alt oss til den konklusjon at dette er de minste objektene i universet.