На вопрос Какая самая маленькая частица во вселенной? Кварк, Нейтрино, Бозон Хиггса или Планковская черная дыра? заданный автором Европеоидный лучший ответ это Фундаментальные частицы все имеют нулевой размер (радиус равен нулю). По массе. Есть частицы с массой, равной нулю (фотон, глюон, гравитон). Из массивных наименьшая масса у нейтрино (меньше 0.28 эВ/с^2, точнее еще не измерили). Частота, время - не есть характеристики частиц. Можно говорить о времен жизни, но это разговор другой.

Ответ от Прострочить [гуру]
Моск зеробубуса.

Ответ от Mikhail Levin [гуру]
вообще-то понятия "размер" в микромире практически нет. Ну, для ядра еще можно говорить о каком-от аналоге размера, например, через вероятность попадания в него электронов из пучка, а для более мелких - нет.

Ответ от христосоваться [гуру]
"размер" элементарной частицы - характеристика частицы, отражающая распределение по пространству её массы или электрического заряда; обычно говорят о т. н. среднеквадратичном радиусе распределения электрического заряда (который одновременно характеризует и распределение массы)
Калибровочные бозоны и лептоны в пределах точности выполненных измерений не обнаруживают конечных "размеров". Это означает, что их "размеры" < 10^-16 см
В отличие от истинно элементарных частиц "размеры" адронов конечны. Их характерный среднеквадратичный радиус определяется радиусом конфайнмента (или удержания кварков) и по порядку величины равен 10^-13 см. При этом он, конечно, варьирует от адрона к адрону.

Ответ от Kirill Odding [гуру]
Кто-то из великих физиков говорил (часом не Нильс Бор?) "Если Вам удастся объяснить квантовую механику в наглядных терминах - идите и получайте Вашу Нобелевскую премию".

Ответ от SerШkod Поликанов Сергей [гуру]
Какая элементарная частица во вселенной самая маленькая?
Элементарные частицы создающие гравитационный эффект.
Ещё меньше?
Элементарные частицы приводящие в движение те что создают гравитационный эффект
но и они сами в этом участвуют.
Есть и ещё мельче элементарные частицы.
Их параметры даже не вписываются в вычисления ведь структуры и их физические параметры неизвестны.

Ответ от Миша никитин [активный]
КВАРК

Ответ от Матипати кипирофинович [активный]
ПЛАНКОВСКАЯ ЧЕРНАЯ ДЫРА

Ответ от Bro qwerty [новичек]
Кварки самые маленькие частицы в мире. Для вселенной нет понятия размер она безгранична. Если изобрести машину для уменьшения человека то можно будет уменьшаться бесконечно все меньше, меньше, меньше... Да Кварк самая мелкая "Частица" Но есть же нечто меньшее чем частица. Пространство. Не. Имеет. Размера.

Ответ от Антон Курочка [активный]
Протон Нейтрон 1*10^-15 1 фемтометр
Кварк-U Кварк-D Электрон 1*10^-18 1 аттометр
Кварк-S 4*10^-19 400 зептометров
Кварк-C 1*10^-19 100 зептометров
Кварк-B 3*10^-20 30 зептометров
Нейтрино высоких энергий 1,5*10^-20 15 зептометров
Преон 1*10^-21 1 зептометр
Кварк-T 1*10^-22 100 йоктометров
MeV Нейтрино 2*10^-23 20 йоктометров
Нейтрино 1*10^-24 1 йоктометр -(ооочень маленький размер!!!) -
Плонковская частица 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 йоктометра
Квантовая пена Квантовая струна 1*10^-35 0,000 000 000 01 йоктометр
Это таблица размеров частиц. И здесь можно увидеть что самая маленькая частица Планковская частица, но по скольку она слишком мола, Нейтрино является самой маленькой частицой. Но для вселеной меньше только Планковская длина

Ответ на непрекращающийся вопрос: какая самая маленькая частица во Вселенной эволюционировал вместе с человечеством.

Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг нас. Затем был обнаружен атом, и он считался неделимым, пока он не был расщеплен, чтобы выявить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже не оказались самыми маленькими частицами во Вселенной, так как ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.

Пока ученые не смогли увидеть никаких доказательств того, что внутри кварков что-то есть и достигнут самый фундаментальный слой материи или самая маленькая частица во Вселенной.

И даже если кварки и электроны неделимы ученые не знают, являются ли они наименьшими битами материи в существовании или если Вселенная содержит объекты, которые являются еще более мелкими.

Самые мельчайшие частицы Вселенной

Они бывают разных вкусов и размеров, некоторые имеют удивительную связь, другие по существу испаряют друг друга, многие из них имеют фантастические названия: кварки состоящие из барионов и мезонов, нейтроны и протоны, нуклоны, гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и т.д.

Бозон Хиггса, настолько важная для науки частица, что ее называют «частицей Бога». Считается, что она определяет массу всем другим. Элемент был впервые теоретизирован в 1964 году, когда ученые задавались вопросом, почему некоторые частицы более массивны, чем другие.

Бозон Хиггса связан с так называемым полем Хиггса который, как полагают, заполняют Вселенную. Два элемента (квант поля Хиггса и бозон Хиггса), ответственны за то, чтобы дать другим массу. Названа в честь шотландского ученого Питера Хиггса. С помощью 14 марта 2013 г. официально объявлено о подтверждении существования Бозона Хиггса.

Многие ученые утверждают, что механизм Хиггса разрешил недостающую часть головоломки, чтобы завершить существующую «стандартную модель» физики, которая описывает известные частицы.

Бозон Хиггса принципиально определил массу всему, что существует во Вселенной.

Кварки

Кварки (в переводе бредовые) строительные блоки протонов и нейтронов. Они никогда не одиноки, существуя только в группах. По-видимому, сила, которая связывает кварки вместе, увеличивается с расстоянием, поэтому чем дальше, тем труднее их будет разнять. Поэтому свободные кварки никогда не существуют в природе.

Кварки фундаментальные частицы являются бесструктурными, точечными размером примерно 10 −16 см .

Например, протоны и нейтроны состоят из трех кварков, причем протоны содержат два одинаковых кварка, в то время как нейтроны имеют два разных.

Суперсимметричность

Известно, что фундаментальные «кирпичики» материи фермионы это кварки и лептоны, а хранители силы бозоны это фотоны, глюоны. Теория суперсимметрии говорит о том, что фермионы и бозоны могут превращаться друг в друга.

Предсказываемая теория утверждает, что для каждой известной нам частицы есть родственная, которую мы еще не обнаружили. Например, для электрона это селекрон, кварка — скварк, фотона –фотино, хиггса - хиггсино.

Почему мы не наблюдаем этой суперсимметрии во Вселенной сейчас? Ученые считают, что они намного тяжелее, чем их обычные родственные частицы и чем тяжелее, тем короче их срок службы. По сути, они начинают разрушаться, как только возникают. Создание суперсимметрии требует весьма большого количества энергии, которая только существовала вскоре после большого взрыва и возможно может быть создана в больших ускорителях как большой адронный коллайдер.

Что касается того, почему симметрия возникла, физики предполагают, что симметрия, возможно, была нарушена в каком-то скрытом секторе Вселенной, который мы не можем видеть или касаться, но можем чувствовать только гравитационно.

Нейтрино

Нейтрино легкие субатомные частицы, которые свистят везде с близкой скоростью света. На самом деле, триллионы нейтрино текут через ваше тело в любой момент, хотя они редко взаимодействуют с нормальной материей.

Некоторые происходят от солнца, в то время как другие от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой Земли и астрономическими источниками, такими как взрывающиеся звезды на Млечном пути и другие далекие галактики.

Антивещество

Считается, что все нормальные частицы имеют антивещества с одинаковой массой, но противоположным зарядом. Когда материя и встречаются, они уничтожают друг друга. Например, частица антиматерии протона является антипротоном, в то время как партнер антиматерии электрона называется позитроном. Антивещество относится к самым дорогим веществам в мире которые смогли определить люди.

Гравитоны

В области квантовой механики все фундаментальные силы передаются частицами. Например, свет состоит из безмассовых частиц, называемых фотонами, которые несут электромагнитную силу. Точно также гравитон является теоретической частицей, которая несет в себе силу гравитации. Ученым еще предстоит обнаружить гравитоны, которые сложно найти, потому что они так слабо взаимодействуют с веществом.

Нити энергии

В экспериментах крошечные частицы, такие как кварки и электроны, действуют как одиночные точки материи без пространственного распределения. Но точечные объекты усложняют законы физики. Поскольку нельзя приблизиться бесконечно близко к точке, так как действующие силы, могут стать бесконечно большими.

Идея под названием теория суперструн может решить эту проблему. Теория утверждает, что все частицы, вместо того, чтобы быть точечными, на самом деле являются маленькими нитями энергии. Тоесть все объекты нашего мира состоят из вибрирующих нитей и мембран энергии. Ничто не может быть бесконечно близко к нити, потому что одна часть всегда будет немного ближе, чем другая. Эта «лазейка», похоже, решает некоторые из проблем бесконечности, делая идею привлекательной для физиков. Тем не менее, у ученых до сих пор нет экспериментальных доказательств того, что теория струн верна.

Другой способ решения точечной проблемы — сказать, что само пространство не является непрерывным и гладким, а на самом деле состоит из дискретных пикселей или зерен, иногда называемых пространственно-временной структурой. В этом случае две частицы не смогут бесконечно приближаться друг к другу, потому что они всегда должны быть разделены минимальным размером зерна пространства.

Точка черной дыры

Еще одним претендентом на звание самая маленькая частица во Вселенной является сингулярность (единственная точка) в центре черной дыры. Черные дыры образуются, когда вещество конденсируется в достаточно маленьком пространстве, которое захватывает гравитация, заставляя вещество втянуть вовнутрь, в конечном итоге конденсируясь в единую точку бесконечной плотности. По крайней мере по действующим законам физики.

Но большинство экспертов не считают черные дыры действительно бесконечно плотными. Они считают, что эта бесконечность является результатом внутреннего конфликта между двумя действующими теориями — общей теорией относительностью и квантовой механикой. Они предполагают, что когда теория квантовой гравитации может быть сформулирована, истинная природа черных дыр будет раскрыта.

Планковская длина

Нити энергии и даже самая маленькая частица во Вселенной может оказаться размером с «длину планка».

Длина планка составляет 1,6 х 10 -35 метров (число 16 перед которым 34 нуля и десятичная точка) - непонятно малый масштаб, который связан с различными аспектами физики.

Планковская длина – «естественная единица» измерения длины, которая была предложена немецким физиком Максом Планком.

Длина Планка слишком мала для любого инструмента, чтобы измерить, но помимо этого, считается, что она представляет собой теоретический предел кратчайшей измеримой длины. Согласно принципу неопределенности, ни один инструмент никогда не должен быть в состоянии измерить что-либо меньшее, потому что в этом диапазоне Вселенная вероятностная и неопределенная.

Эта шкала также считается разграничительной линией между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Планковская длина соответствует расстоянию, где гравитационное поле настолько сильно, что оно может начать делать черные дыры из энергии поля.

Очевидно сейчас, самая маленькая частица во Вселенной примерно размером с длину планка: 1,6·10 −35 метров

Выводы

Со школьной скамьи было известно, что самая маленькая частица во Вселенной электрон имеет отрицательный заряд и очень маленькую массу, равную 9,109 х 10 — 31 кг, а классический радиус электрона составляет 2,82 х 10 -15 м.

Однако физики уже оперируют с самыми маленькими частицами во Вселенной планковского размера который равняется примерно 1,6 х 10 −35 метров.

Самая мель­чай­шая ча­сти­ца са­ха­ра – мо­ле­ку­ла са­ха­ра. Их стро­е­ние та­ко­во, что сахар на вкус слад­кий. А стро­е­ние мо­ле­кул воды та­ко­во, что чи­стая вода слад­кой не ка­жет­ся.

4. Молекулы состоят из атомов

А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.

Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.

Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино

Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. Их античастицы - антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Молекулы - самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства.

Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения.

Бозон Хиггса – это частица, которая настолько важна для науки, что она получила прозвище «частица Бога». Именно она, как полагают ученые, дает массу всем остальным частицам. Эти частицы начинают разрушаться, как только они появляются на свет. Создание частицы требует огромного количества энергии, например такого, которое было произведено Большим Взрывом. Что касается большего размера и веса суперпартнеров, ученые полагают, что симметрия была нарушена в скрытом секторе вселенной, который не может быть видим или найден. Например, свет состоит из частиц с нулевой массой, называемых фотонами, они несут электромагнитную силу. Точно так же гравитоны являются теоретическими частицами, которые несут силу тяжести. Ученые до сих пор пытаются отыскать гравитоны, но сделать это очень сложно, так как данные частицы очень слабо взаимодействуют с материей.

Странно устроен этот мир: одни люби стремятся создать нечто монументальное и гигантское, чтобы прославиться на весь мир и войти в историю, а другие - создают минималистические копии обычных вещей и поражают ими мир не меньше. В этом обзоре собраны самые маленькие предметы, которые существуют на свете и при этом являются не менее функциональными, чем их полноразмерные аналоги.

1. Пистолет SwissMiniGun

SwissMiniGun не больше, чем обычный ключ, но он способен стрелять крошечными пулями, которые вылетают со ствола со скоростью свыше 430 км/ч. Это более, чем достаточно, чтобы убить человека с близкого расстояния.

2. Автомобиль Peel 50

При весе всего в 69 кг Peel 50 является самым маленьким автомобилем, когда-либо допущенным для использования на дорогах. Этот трехколесный «пепелац» мог развивать скорость 16 км/ч.

3. Школа Калоу

ЮНЕСКО признала иранскую школу Калоу самой маленькой в мире. В ней всего 3 ученика и бывший солдат Абдул-Мухаммед Шерани, который сейчас работает учителем.

4. Чайник весом 1,4 грамма

Он был создан мастером по керамике Ву Руишеном. Хотя весит этот чайник всего 1,4 грамма и помещается на кончике пальца, в нем можно заваривать чай.

5. Тюрьма Сарк

Тюрьма Сарк была построена на Нормандских островах в 1856 году. В ней было место всего для 2 заключенных, которые причем пребывали в очень стесненных условиях.

6. Tumbleweed

Этот дом получил название «Перакати-поле» (Tumbleweed). Он был построен Джеем Шафером из Сан-Франциско. Хотя дом меньше, чем шкафы у некоторых людей (его площадь всего 9 квадратных метров), в нем есть рабочее место, спальня и ванна с душем и туалетом.

7. Миллс Энд Парк

Миллс Энд Парк в городе Портленд - самый маленький парк в мире. Его диаметр составляет всего... 60 сантиметров. При этом в парке есть плавательный бассейн для бабочек, миниатюрное колесо обозрения и крошечные статуи.

8. Эдвард Ниньо Эрнандес

Рост Эдварда Ниньо Эрнандеса из Колумбии - всего 68 сантиметров. Книга рекордов Гиннесса признала его самым маленьким человеком в мире.

9. Полицейский участок в телефонной будке

По существу он ничуть не больше телефонной будки. Но это был действительно функционирующий полицейский участок в городе Карабелле, штат Флорида.

10. Скульптуры Уилларда Уигана

Британский скульптор Уиллард Уиган, который страдал от дислексии и плохой успеваемости в школе, нашел утешение в создании миниатюрных произведений искусства. Его скульптуры едва видно невооруженным глазом.

11. Бактерия Mycoplasma Genitalium

12. Свиной цирковирус

Хотя до сих пор идут дебаты о том, что можно считать «живым», а что нет, большинство биологов не классифицируют вирус как живой организм из-за того, что он не может воспроизводиться или не имеет метаболизма. Вирус, однако, может быть гораздо меньше, чем любой живой организм, включая бактерии. Самым маленьким является одноцепочечный ДНК вирус под названием свиной цирковирус. Его размер - всего лишь 17 нанометров.

13. Амеба

Размер самого маленького объекта, видимого невооруженным глазом, составляет примерно 1 миллиметр. Это означает, что при определенных условиях человек может увидеть амебу, инфузорию-туфельку и даже человеческую яйцеклетку.

14. Кварки, лептоны и антивещество...

В течение последнего века ученые добились больших успехов в понимании обширности пространства и микроскопических «строительных блоков», из которого оно состоит. Когда дело дошло до выяснения того, что является наименьшей наблюдаемой частицей во Вселенной, люди столкнулись с определенными трудностями. В какой-то момент они думали, что это атом. Затем ученые обнаружили протон, нейтрон и электрон.

Но на этом все не закончилось. Сегодня все знают, что когда сталкивать эти частицы друг с другом в таких местах, как Большой адронный коллайдер, их можно разбить на еще более мелке частицы, такие кварки, лептоны и даже антивещество. Проблема же заключается в том, что невозможно определить, что же самое маленькое, поскольку размер на квантовом уровне становится несущественным, равно как и не действуют все привычные правила физики (некоторые частицы не имеют массы, а другие даже имеют отрицательную массу).

15. Вибрирующие струны субатомных частиц

Учитывая то, что было сказано выше относительно того, что понятие размера не имеет значения на квантовом уровне, можно вспомнить теорию струн. Это немного спорная теория, предполагающая, что все субатомные частицы состоят из вибрирующих струн, которые взаимодействуют для создания таких вещей, как масса и энергия. Таким образом, поскольку эти струны технически не имеют физического размера, можно утверждать, что они в каком-то смысле «самые маленькие» объекты во Вселенной.

Доктор физико-математических наук М. КАГАНОВ.

По давней традиции журнал "Наука и жизнь" рассказывает о новейших достижениях современной науки, о последних открытиях в области физики, биологии и медицины. Но чтобы понимать, насколько они важны и интересны, необходимо хотя бы в общих чертах иметь представление об основах наук. Современная физика развивается стремительно, и люди старшего поколения, те, кто учился в школе и в институте лет 30-40 назад, со многими ее положениями незнакомы: их тогда попросту не существовало. А молодые наши читатели еще не успели про них узнать: научно-популярная литература практически перестала издаваться. Поэтому мы попросили давнего автора журнала М. И. Каганова рассказать об атомах и элементарных частицах и о законах, ими управляющих, о том, что же представляет собой материя. Моисей Исаакович Каганов - физик-теоретик, автор и соавтор нескольких сотен работ по квантовой теории твердого тела, теории металлов и магнетизму. Был ведущим сотрудником Института физических проблем им. П. Л. Капицы и профессором МГУ им. М. В. Ломоносова, членом редколлегий журналов "Природа" и "Квант". Автор многих научно-популярных статей и книг. Сейчас живет в Бостоне (США).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Греческий философ Демокрит первым произнес слово "атом". Согласно его учению, атомы неделимы, неуничтожимы и находятся в постоянном движении. Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела.

Таблица 1. Важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов.

Атом дейтерия.

Английский физик Эрнст Резерфорд по праву считается основоположником ядерной физики, учения о радиоактивности и теории строения атома.

На снимке: поверхность кристалла вольфрама, увеличенная в 10 миллионов раз; каждая яркая точка - его отдельный атом.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Работая над созданием теории излучения, Макс Планк в 1900 году пришел к выводу, что атомы нагретого вещества должны излучать свет порциями, квантами, имеющими размерность действия (Дж.с) и энергию, пропорциональную частоте излучения: Е = hn.

В 1923 году Луи де Бройль перенес идею Эйнштейна о двойственной природе света - корпускулярно-волновом дуализме - на вещество: движение частицы соответствует распространению бесконечной волны.

Опыты по дифракции убедительно подтвердили теорию де Бройля, которая утверждала, что движение любой частицы сопровождается волной, длина и скорость которой зависят от массы и энергии частицы.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Опытный бильярдист всегда знает, как покатятся шары после удара, и легко загоняет их в лузу. С атомными частицами гораздо сложнее. Траекторию летящего электрона указать невозможно: он не только частица, но и волна, бесконечная в пространстве.

Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звездами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, которое заполнено мирами и простирается на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, что мы в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма - большая заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка-Земля движется в случайном, казалось бы, ничем не выделенном участке необозримого (буквально!) пространства.

Но на Земле зародилась жизнь. Она развивалась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики.

Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. Не менее поразительно то, что все построено из частиц всего трех типов - электронов, протонов и нейтронов.

Чтобы, используя основные законы природы, вывести наблюдаемые и предсказать новые свойства разнообразных веществ и объектов, созданы сложные математические теории, разобраться в которых совсем не просто. Но контуры научной картины Мира можно постичь, не прибегая к строгой теории. Естественно, для этого необходимо желание. Но не только: даже на предварительное знакомство придется затратить определенный труд. Нужно постараться постичь новые факты, незнакомые явления, которые на первый взгляд не согласуются с имеющимся опытом.

Достижения науки часто приводят к мысли, что для нее "нет ничего святого": то, что вчера было истиной, сегодня отбрасывается. Со знаниями возникает понимание того, как трепетно наука относится к каждой крупице накопленного опыта, с какой осторожностью движется вперед, особенно в тех случаях, когда приходится отказываться от укоренившихся представлений.

Задача этого рассказа - познакомить с принципиальными чертами строения неорганических веществ. Несмотря на бесконечное разнообразие, их структура сравнительно проста. Особенно, если сравнивать их с любым, даже самым простым живым организмом. Но есть и общее: все живые организмы, как и неорганические вещества, построены из электронов, протонов и нейтронов.

Нельзя объять необъятное: для того чтобы, хотя бы в общих чертах, познакомить с устройством живых организмов, нужен специальный рассказ.

ВВЕДЕНИЕ

Разнообразие вещей, предметов - всего, чем мы пользуемся, что нас окружает, необозримо. Не только по своему предназначению и устройству, но и по используемым для их создания материалам - веществам, как принято говорить, когда нет необходимости подчеркивать их функцию.

Вещества, материалы выглядят сплошными, а осязание подтверждает то, что видят глаза. Казалось бы, нет исключений. Текучая вода и твердый металл, столь непохожие друг на друга, сходны в одном: и металл и вода сплошные. Правда, в воде можно растворить соль или сахар. Они находят себе в воде место. Да и в твердое тело, например в деревянную доску, можно вбить гвоздь. Приложив заметные усилия, можно добиться того, что место, которое было занято деревом, займет железный гвоздь.

Мы хорошо знаем: от сплошного тела можно отломить небольшой кусочек, можно измельчить практически любой материал. Иногда это трудно, порой происходит самопроизвольно, без нашего участия. Представим себя на пляже, на песке. Мы понимаем: песчинка - далеко не самая мелкая частица вещества, из которого состоит песок. Если постараться, можно песчинки уменьшить, например, пропустив через вальцы - через два цилиндра из очень твердого металла. Попав между вальцами, песчинка раздробится на более мелкие части. По сути, так из зерна на мельницах делают муку.

Теперь, когда атом прочно вошел в наше мироощущение, очень трудно представить себе, что люди не знали, ограничен процесс дробления или вещество можно размельчать до бесконечности.

Неизвестно, когда люди впервые задали себе этот вопрос. Впервые он был зафиксирован в сочинениях древнегреческих философов. Некоторые из них считали, что, сколько ни дроби вещество, оно допускает деление на еще более мелкие части - предела нет. Другие высказывали мысль, что существуют мельчайшие неделимые частицы, из которых и состоит все. Чтобы подчеркнуть, что частицы эти - предел дробления, они назвали их атомами (по-древнегречески слово "атом" означает неделимый).

Необходимо назвать тех, кто первым выдвинул идею существовования атомов. Это - Демокрит (родился около 460 или 470 года до новой эры, умер в глубокой старости) и Эпикур (341-270 годы до новой эры). Итак, атомному учению почти 2500 лет. Представление об атомах отнюдь не сразу восприняли все. Еще лет 150 назад уверенных в существовании атомов было мало даже среди ученых.

Дело в том, что атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и, например, с помощью микроскопа, увеличивающего в 1000 раз. Давайте задумаемся: каков размер самых маленьких частиц, которые можно увидеть? У разных людей разное зрение, но, наверное, все согласятся, что увидеть частицу размером менее 0,1 миллиметра нельзя. Поэтому, если воспользоваться микроскопом, можно, хотя и с трудом, разглядеть частицы размером около 0,0001 миллиметра, или 10 -7 метра. Сравнив размеры атомов и межатомных расстояний (10 -10 метра) с длиной, принятой нами как предел возможности увидеть, поймем, почему любое вещество кажется нам сплошным.

2500 лет - огромный срок. Что бы ни происходило в мире, всегда находились люди, которые пытались ответить себе на вопрос, как устроен окружающий их мир. В какие-то времена проблемы устройства мира волновали больше, в какие-то - меньше. Рождение науки в ее современном понимании произошло сравнительно недавно. Ученые научились ставить эксперименты - задавать природе вопросы и понимать ее ответы, создавать теории, описывающие результаты экспериментов. Теории потребовали строгих математических методов для получения достоверных выводов. Наука прошла длинный путь. На этом пути, который для физики начался около 400 лет назад с работ Галилео Галилея (1564-1642), добыто бесконечное количество сведений о строении вещества и свойствах тел разной природы, обнаружено и понято бесконечное количество разнообразных явлений.

Человечество научилось не только пассивно понимать природу, но и использовать ее в своих целях.

Мы не будем рассматривать историю развития атомных представлений на протяжении 2500 лет и историю физики в течение последних 400 лет. Наша задача - по возможности кратко и наглядно рассказать о том, из чего и как построено все - окружающие нас предметы, тела и мы сами.

Как было уже сказано, все вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Знаю об этом со школьных лет, но меня не перестает поражать, что все построено из частиц всего трех сортов! А ведь мир так разнообразен! К тому же и средства, которыми пользуется природа для осуществления строительства, тоже достаточно однообразны.

Последовательное описание того, как построены вещества разного типа, - сложная наука. Она использует серьезную математику. Надо подчеркнуть - какой-то другой, простой теории не существует. Но физические принципы, лежащие в основе понимания строения и свойств веществ, хотя они нетривиальны и трудно представимы, все же постичь можно. Своим рассказом мы попытаемся помочь всем, кого интересует устройство мира, в котором мы живем.

МЕТОД ОСКОЛКОВ, ИЛИ РАЗДЕЛЯЙ И ПОЗНАВАЙ

Казалось бы, наиболее естественный способ понять, как устроено некое сложное устройство (игрушка или механизм), - разобрать, разложить на составные части. Надо только быть очень осторожным, помня, что сложить будет значительно труднее. "Ломать - не строить" - говорит народная мудрость. И еще: из чего состоит устройство, мы, может быть, поймем, но, как работает, вряд ли. Стоит иногда отвинтить один винтик, и все - устройство перестало работать. Нужно не столько разобрать, сколько разобраться.

Так как речь идет не о фактическом разложении всех окружающих нас предметов, вещей, организмов, а о воображаемом, то есть о мысленном, а не о настоящем опыте, то можно не волноваться: собирать не придется. Кроме того, не будем скупиться на усилия. Не будем задумываться, трудно или легко разложить устройство на составные части. Секундочку. А откуда мы знем, что дошли до предела? Может быть, добавив усилий, сможем пойти дальше? Признаемся себе: мы не знаем, дошли ли до предела. Приходится воспользоваться общепринятым мнением, понимая, что это не слишком надежный аргумент. Но если помнить о том, что это лишь общепринятое мнение, а не истина в последней инстанции, то опасность невелика.

Сейчас общепринято, что деталями, из которых все построено, служат элементарные частицы. И при этом далеко не все. Посмотрев в соответствующий справочник, мы убедимся: элементарных частиц более трехсот. Обилие элементарных частиц заставило задуматься о возможности существования субэлементарных частиц - частиц, из которых состоят сами элементарные частицы. Так появилась идея кварков. Они обладают тем удивительным свойством, что, по-видимому, не существуют в свободном состоянии. Кварков достаточно много - шесть, и у каждого имеется своя античастица. Возможно, путешествие в глубь материи не окончено.

Для нашего рассказа обилие элементарных частиц и существование субэлементарных несущественно. В построении веществ непосредственное участие принимают электроны, протоны и нейтроны - все построено только из них.

Прежде чем обсуждать свойства реальных частиц, задумаемся, какими нам бы хотелось видеть детали, из которых все построено. Когда речь идет о том, что хотелось бы видеть, конечно, надо учитывать разнообразие взглядов. Отберем несколько черт, которые кажутся обязательными.

Во-первых, элементарные частицы должны иметь свойство объединяться в разнообразные структуры.

Во-вторых, хочется думать, что элементарные частицы неуничтожимы. Зная, какую длинную историю имеет мир, трудно представить себе, что частицы, из которых он состоит, смертны.

В-третьих, хотелось бы, чтобы самих деталей было не слишком много. Глядя на строительные блоки, мы видим, сколь разнообразные постройки могут быть созданы из одинаковых элементов.

Знакомясь с электронами, протонами и нейтронами, мы увидим, что их свойства не противоречат нашим пожеланиям, а желанию простоты, несомненно, соответствует то, что в строении всех веществ принимают участие всего три типа элементарных частиц.

ЭЛЕКТРОНЫ, ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ

Приведем важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов. Они собраны в таблицу 1.

Величина заряда дана в кулонах, масса - в килограммах (единицах СИ); слова "спин" и "статистика" будут пояснены ниже.

Обратим внимание на различие в массе частиц: протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов. Следовательно, масса любого тела почти целиком определяется массой протонов и нейтронов.

Нейтрон, как это следует из его названия, нейтрален - его заряд равен нулю. А протон и электрон имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Электрон заряжен отрицательно, а протон - положительно.

Среди характеристик частиц нет, казалось бы, важной характеристики - их размера. Описывая строение атомов и молекул, электроны, протоны и нейтроны можно считать материальными точками. О размерах протона и нейтрона придется вспомнить только при описании атомных ядер. Даже по сравнению с размерами атомов протоны и нейтроны чудовищно малы (порядка 10 -16 метра).

По сути дела, этот короткий раздел сводится к представлению электронов, протонов и нейтронов как строительного материала всех тел в природе. Можно было бы просто ограничиться таблицей 1, однако нам предстоит понять, каким образом из электронов, протонов и нейтронов осуществляется постройка, что заставляет частицы объединяться в более сложные конструкции и каковы эти конструкции.

АТОМ - НАИБОЛЕЕ ПРОСТАЯ ИЗ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Атомов много. Оказалось необходимым и возможным упорядочить их специальным образом. Упорядочение дает возможность подчеркнуть различие и сходство атомов. Разумное расположение атомов - заслуга Д. И. Менделеева (1834-1907), который сформулировал периодический закон, носящий его имя. Если временно отвлечься от существования периодов, то принцип расположения элементов крайне прост: они располагаются последовательно по весу атомов. Самый легкий - атом водорода. Последний природный (не созданный искусственно) атом - атом урана, который тяжелее его в 200 с лишним раз.

Понимание строения атомов объяснило наличие периодичности в свойствах элементов.

В самом начале XX века Э. Резерфорд (1871-1937) убедительно показал, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре - небольшой (даже по сравнению с атомом) области пространства: радиус ядра приблизительно в 100 тысяч раз меньше размера атома. Когда Резерфорд производил свои эксперименты, еще не был открыт нейтрон. С открытием нейтрона было понято, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а атом естественно представлять себе как ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре - ведь в целом атом нейтрален. Протоны и нейтроны, как строительный материал ядра, получили общее название - нуклоны (с латинского nucleus - ядро). Этим названием мы и будем пользоваться.

Количество нуклонов в ядре принято обозначать буквой А . Ясно, что А = N + Z , где N - число нейтронов в ядре, а Z - число протонов, равное числу электронов в атоме. Число А носит название атомной массы, а Z - атомного номера. Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они находятся в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место). Дело в том, что химические свойства изотопов почти тождественны. Если таблицу Менделеева рассмотреть внимательно, можно убедиться, что, строго говоря, расположение элементов соответствует не атомной массе, а атомному номеру. Если элементов около 100, то изотопов более 2000. Правда, многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны (от латинского radio - излучаю, activus - деятельный), они распадаются, испуская различные излучения.

Опыты Резерфорда не только привели к открытию атомных ядер, но и показали, что в атоме действуют те же электростатические силы, которые отталкивают друг от друга одноименно заряженные тела и притягивают друг к другу разноименно заряженные (например, шарики электроскопа).

Атом устойчив. Следовательно, электроны в атоме движутся вокруг ядра: центробежная сила компенсирует силу притяжения. Понимание этого привело к созданию планетарной модели атома, в которой ядро - Солнце, а электроны - планеты (с точки зрения классической физики, планетарная модель непоследовательна, но об этом ниже).

Есть целый ряд способов оценить размер атома. Разные оценки приводят к близким результатам: размеры атомов, конечно, различны, но приблизительно равны нескольким десятым нанометра (1 нм = 10 -9 м).

Рассмотрим для начала систему электронов атома.

В Солнечной системе планеты притягиваются к Солнцу силой гравитации. В атоме действует электростатическая сила. Ее часто называют кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), установившего, что сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тот факт, что два заряда Q 1 и Q 2 притягиваются или отталкивают ся с силой, равной F C = Q 1 Q 2 /r 2 , где r - расстояние между зарядами, носит название "Закон Кулона". Индекс "С" присвоен силе F по первой букве фамилии Кулона (по-французски Coulomb ). Среди самых различных утверждений мало найдется таких, которые столь же справедливо названы законом, как закон Кулона: ведь область его применимости практически не ограничена. Заряженные тела, каких бы они ни были размеров, а также атомные и даже субатомные заряженные частицы - все они притягиваются или отталкиваются в согласии с законом Кулона.

ОТСТУПЛЕНИЕ О ГРАВИТАЦИИ

С гравитацией человек знакомится в раннем детстве. Падая, он учится уважать силу притяжения к Земле. Знакомство с ускоренным движением обычно начинается с изучения свободного падения тел - движения тела под действием гравитации.

Между двумя телами массы М 1 и М 2 действует сила F N =-GМ 1 М 2 /r 2 . Здесь r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная, равная 6,67259.10 -11 м 3 кг -1 с -2 , индекс "N" дан в честь Ньютона (1643 - 1727). Это выражение называют законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщий характер. Сила F N определяет движение галактик, небесных тел и падение предметов на Землю. Закон всемирного тяготения справедлив при любом расстоянии между телами. Изменения в картину гравитации, которые внесла общая теория относительности Эйнштейна (1879-1955), мы упоминать не будем.

И кулоновская электростатическая сила, и ньютоновская сила всемирного тяготения одинаково (как 1/r 2) уменьшаются с увеличением расстояния между телами. Это позволяет сравнить действие обеих сил на любом расстоянии между телами. Если силу кулоновского отталкивания двух протонов сравнить по величине с силой их гравитационного притяжения, то окажется, что F N /F C = 10 -36 (Q 1 = Q 2 = e p ; M 1 = = M 2 = m p). Поэтому гравитация сколько-нибудь существенной роли в строении атома не играет: она слишком мала по сравнению с электростатической силой.

Обнаружить электрические заряды и измерить взаимодействие между ними не представляет труда. Если электрическая сила так велика, то почему она не важна, когда, скажем, падают, прыгают, бросают мяч? Потому что в большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженными) телами. В пространстве всегда очень много заряженных частиц (электронов, ионов разного знака). Под воздействием огромной (по атомным масштабам) притягивающей электрической силы, созданной заряженным телом, заряженные частицы устремляются к ее источнику, прилипают к телу и нейтрализуют его заряд.

ВОЛНА ИЛИ ЧАСТИЦА? И ВОЛНА И ЧАСТИЦА!

Об атомных и еще более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным образом потому, что их свойствам никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что частицы, из которых состоят такие маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но все оказалось гораздо сложнее.

Частица и волна... Казалось бы, даже сравнивать бессмысленно, настолько они различны.

Наверное, когда думаешь о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн - расстояния между двумя последовательными гребнями - могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значитель ное пространство.

Волна периодичнa во времени и в пространстве. Длина волны (λ ) - мера пространственной периодичности. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно ее обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз. Обозначим период волнового движения - время, за которое проходит одна волна, - буквой Т . Величина, обратная периоду, называется частотой ν = 1/Т . Самые простые волны (гармонические) имеют определенную частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн (см. "Наука и жизнь" № 11, 2001 г.). Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы ее себе представляем, и волна абсолютно не похожи.

Со времен Ньютона шел спор о природе света. Что есть свет - совокупность частиц (корпускул, от латинского corpusculum - тельце) или волн? Теории долго конкурировали. Волновая теория победила: корпускулярная теория не могла объяснить экспериментальные факты (интерференцию и дифракцию света). С прямолинейным распространением светового луча волновая теория легко справилась. Немаловажную роль сыграло то, что длина световых волн по житейским понятиям очень мала: диапазон длин волн видимого света от 380 до 760 нанометров. Более короткие электромагнитные волны - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а более длинные - инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые и все остальные радиоволны.

К концу XIX века победа волновой теории света над корпускулярной казалась окончательной и бесповоротной. Однако ХХ век внес серьезные коррективы. Казалось, что свет или волны, или частицы. Оказалось - и волны и частицы. Для частиц света, для его квантов, как принято говорить, было придумано специальное слово - "фотон". Слово "квант" происходит от латинского слова quantum - сколько, а "фотон" - от греческого слова photos - свет. Слова, обозначающие название частиц, в большинстве случаев имеют окончание он . Как ни удивительно, в одних экспериментах свет ведет себя как волны, а в других - как поток частиц. Постепенно удалось построить теорию, предсказывающую, как, в каком эксперименте будет вести себя свет. В настоящее время эта теория всеми принята, разное поведение света уже не вызывает удивления.

Первые шаги всегда особенно трудны. Приходилось идти против устоявшегося в науке мнения, высказывать утверждения, кажущиеся ересью. Настоящие ученые искренне верят в ту теорию, которую они используют для описания наблюдаемых явлений. Отказаться от принятой теории очень трудно. Первые шаги сделали Макс Планк (1858-1947) и Альберт Эйнштейн (1879-1955).

Согласно Планку - Эйнштейну, именно отдельными порциями, квантами, свет излучается и поглощается веществом. Энергия, которую несет фотон, пропорциональна его частоте: Е = h ν. Коэффициент пропорциональности h назвали постоянной Планка в честь немецкого физика, который ввел ее в теорию излучения в 1900 году. И уже в первой трети XX века стало понятно, что постоянная Планка - одна из важнейших мировых констант. Естествен но, она была тщательно измерена: h = 6,6260755.10 -34 Дж.с.

Квант света - это много или мало? Частота видимого света порядка 10 14 с -1 . Напомним: частота и длина волны света связаны соотношением ν = c /λ, где с = 299792458.10 10 м/с (точно) - скорость света в вакууме. Энергия кванта h ν, как нетрудно видеть, порядка 10 -18 Дж. За счет этой энергии можно поднять на высоту 1 сантиметр массу в 10 -13 грамма. По человеческим масштабам чудовищно мало. Но это масса 10 14 электронов. В микромире совсем другие масштабы! Конечно, человек не может ощутить массу в 10 -13 грамма, но глаз человека столь чувствителен, что может увидеть отдельные кванты света - в этом убедились, произведя ряд тонких экспериментов. В обычных условиях человек не различает "зернистости" света, воспринимая его как непрерывный поток.

Зная, что свет имеет одновременно и корпускулярную и волновую природу, легче представить себе, что и "настоящие" частицы обладают волновыми свойствами. Впервые такую еретическую мысль высказал Луи де Бройль (1892-1987). Он не пытался выяснить, какова природа волны, характеристики которой предсказал. Согласно его теории, частице массой m , летящей со скоростью v , соответствует волна с длиной волны l = hmv и частотой ν = Е /h , где Е = mv 2 /2 - энергия частицы.

Дальнейшее развитие атомной физики привело к пониманию природы волн, описывающих движение атомных и субатомных частиц. Возникла наука, получившая название "квантовая механика" (в первые годы ее чаще называли волновой механикой).

Квантовая механика применима к движению микроскопических частиц. При рассмотрении движения обычных тел (например, любых деталей механизмов) нет никакoго смысла учитывать квантовые поправки (поправки, обязанные волновым свойствам материи).

Одно из проявлений волнового движения частиц - отсутствие у них траектории. Для существования траектории необходимо, чтобы в каждый момент времени частица имела определенную координату и определенную скорость. Но именно это и запрещено квантовой механикой: чстица не может иметь одновременно и определенное значение координаты х , и определенное значение скорости v . Их неопределенности Dх и Dv связаны соотношением неопределенностей, открытым Вернером Гейзенбергом (1901-1974): Dх Dv ~ h/m , где m - масса частицы, а h - постоянная Планка. Постоянную Планка часто называют универсальным квантом "действия". Не уточняя термин действие , обратим внимание на эпитет универсальный . Он подчеркивает, что соотношение неопределенности справедливо всегда. Зная условия движения и массу частицы, можно оценить, когда нужно учитывать квантовые законы движения (другими словами, когда нельзя пренебречь волновыми свойствами частиц и их следствием - соотношениями неопределенности), а когда вполне можно пользоваться классическими законами движения. Подчеркнем: если можно, то и нужно, так как классическая механика существенно проще квантовой.

Обратим внимание на то, что постоянная Планка делится на массу (они входят в комбинации h/m ). Чем масса больше, тем роль квантовых законов меньше.

Чтобы почувствовать, когда пренебречь квантовыми свойствами заведомо можно, постараемся оценить величины неопределенностей Dх и Dv . Если Dх и Dv пренебрежимо малы по сравнению с их средними (классическими) значениями, формулы классической механики прекрасно описывают движение, если не малы, необходимо использовать квантовую механику. Нет смысла учитывать квантовую неопределенность и тогда, когда другие причины (в рамках классической механики) приводят к большей неопределенности, чем соотношение Гейзенберга.

Рассмотрим один пример. Помня, что мы хотим показать возможность пользоваться классической механикой, рассмотрим "частицу", масса которой 1 грамм, а размер 0,1 миллиметра. По человеческим масштабам это - крупинка, легкая, маленькая частица. Но она в 10 24 раз тяжелее протона и в миллион раз больше атома!

Пусть "наша" крупинка движется в сосуде, наполненном водородом. Если крупинка летит достаточно быстро, нам кажется, что она движется по прямой с определенной скоростью. Это впечатление ошибочно: из-за ударов молекул водорода по крупинке ее скорость при каждом ударе чуть изменяется. Оценим, на сколько именно.

Пусть температура водорода 300 К (температуру мы всегда измеряем по абсолютной шкале, по шкале Кельвина; 300 К = 27 o С). Умножив температуру в кельвинах на постоянную Больцмана k B , = 1,381.10 -16 Дж/К, мы выразим ее в энергетических единицах. Изменение скорости крупинки можно подсчитать, воспользовавшись законом сохранения количества движения. При каждом столкновении крупинки с молекулой водорода ее скорость изменяется приблизительно на 10 -18 см/с. Изменение происходит совершенно случайно и в случайном направлении. Поэтому величину 10 -18 см/с естественно считать мерой классической неопределенности скорости крупинки (Dv ) кл для данного случая. Итак, (Dv ) кл = 10 -18 см/с. Местоположение крупинки определить с точностью большей, чем 0,1 ее размера, по-видимому, очень трудно. Примем (Dх ) кл = 10 -3 см. Наконец, (Dх ) кл (Dv ) кл = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Казалось бы, очень маленькая величина. Во всяком случае, неопределенности скорости и координаты так малы, что можно рассматривать среднее движение крупинки. Но по сравнению с квантовой неопределенностью, продиктованной соотношением Гейзенберга (Dх Dv = 10 -27), классическая неоднородность огромна - в этом случае превышает ее в миллион раз.

Вывод: рассматривая движение крупинки, учитывать ее волновые свойства, то есть существование квантовой неопределенности координаты и скорости, не нужно. Вот когда речь идет о движении атомных и субатомных частиц, ситуация резко меняется.