Микромир – невидимый нами мир предельно малых масштабов, который образуют мельчайшие частицы материи: молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы. Об особенностях микромира учащиеся узнают на виртуальных уроках физики онлайн-школы.
Размеры микрообъектов менее 10-10 м, время жизни – от бесконечности до 10-24 сек. Например, масса электрона равна 9,1х10-28 г, время жизни мю-мезона равна 2,20х10-6 сек. Измерить количественные характеристики таких объектов можно только с помощью очень сложной аппаратуры и сложных экспериментальных устройств.
Каждый микрообъект обладает, с одной стороны, характеристиками частиц – энергией, импульсом, а с другой стороны, волновыми характеристиками – частотой и длиной волны. В этом заключается противоречивая сущность микрообъекта: в одних внешних условиях он ведёт себя как волна, в других – как частица.
В макромире объекты обладают индивидуальностью, в микромире, напротив, все частицы одного вида (например, все нейтроны) тождественны, то есть неразличимы. Для микрочастиц неприемлемо понятие траектории. Мы можем вычислить лишь вероятность нахождения микрообъекта в окрестности какой-либо точки пространства.
В познании микромира физики шли от молекул к атомам, от атома – к атомному ядру и, наконец, к элементарным частицам. Атомом называют мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. В центре атома находится положительно заряженное ядро, состоящее из нуклонов – протонов и нейтронов. Вокруг ядра непрерывно движутся электроны, образуя электронную оболочку.
Элементарными называют частицы, у которых на данном уровне развития науки не установлена внутренняя структура и которые имеют размер менее 10-15м. До 1932 г. были известны лишь три элементарные частицы – электрон, протон, нейтрон. Затем их количество стало стремительно возрастать. Частицы, способные к сильным взаимодействиям, были названы адронами (греч. hadros – тяжелый). Слабовзаимодействующие частицы получили название лептонов (греч. leptos – легкий»). К ним относятся нейтрино и электроны.
В 60-е годы прошлого века было открыто более 350 адронов. Возникло подозрение, что далеко не все они являются элементарными частицами. В 1964 г. Мюррэем Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предположили, что адроны состоят из структурных элементов, названных кварками. Впоследствии эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Так, протоны и нейтроны состоят из комбинации трех видов кварков. Мезоны построены из кварка и антикварка (антикварк – это частица, ряд свойств которой, например, заряд, имеет противоположный кварку знак). Необычным свойством кварков являются их дробные электрические заряды. Размеры кварка схожи с размером электрона. Кварки не обнаружены в свободном состоянии, однако, опыты на ускорителях частиц дают косвенное доказательство их существования в связанном состоянии, то есть протон нельзя разделить на три отдельных кварка, хотя те присутствуют внутри протона.
Таким образом, с точки зрения современной физики элементарными составляющими вещества являются кварки – основа атомных ядер и лептоны. Научные результаты, полученные в последние годы, показывают, что существующих знаний о фундаментальных частицах и их взаимодействиях пока недостаточно для объяснения устройства мироздания.
