Сегодня рассказ о том, как всё устроено на самых микроскопических уровнях нашего бытия, из чего состоит всё вокруг и почему всё происходит так, как происходит. Безусловно, здесь будет много упрощений для лучшего понимания общей картины.
ГЛАВА 1: Что такое элементарные частицы?
Квантовая физика – штука безумно интересная! Здесь все супернепонятное, неопределённое и непознанное. Здесь есть свои проблемы, парадоксы, неразрешимые вопросы и много всего ещё. Однако, несмотря на все это, физики сумели относительно неплохо понять и описать то, как все работает на самых микроскопических уровнях.
Для начала, давайте поясним что такое элементарные частицы. Элементарные частицы — это частицы, которые являются неделимыми (потому и элементарными) в стройном ряду всех элементов, из которых состоит барионная, или самая обычная, материя. Из барионной материи состоят галактики, звезды, планеты, камни, моря, дома, машины, в конце концов, мы с вами.
Вы спросите, а зачем уточнять про какую-то там барионную материю, разве есть ещё какая-то? Почему я её не вижу и не могу потрогать? Да, похоже, что есть и даже не одна, а не видите вы все эти материи, потому что они ну как бы … невидимые. Самый известный пример – это тёмная материя. Учёные даже не до конца уверены существует ли она, про неё почти ничего не известно и её взаимодействия нельзя описать никакими моделями. Однако же учёные считают, что Вселенная состоит из нашей с вами родной барионной материи только на 5%, а остальные 95% они отводят тёмной материи и ещё более загадочной тёмной энергии, которая материей вроде как и не является.
Теперь более просто: к примеру, мы состоим из молекул, которые состоят из атомов, которые состоят из протонов, нейтронов и электронов (электрон уже сам по себе элементарная частица, потому что он неделим), которые состоят из … узнаете дальше.
ГЛАВА 2: Стандартная модель
На картинке выше вы можете видеть так называемую Стандартную модель. Стандартная модель — это пока что самая успешная теория, которая описывает физику взаимодействия элементарных частиц.
Всего нам известно 12 элементарных частиц, которые взаимодействуют между собой с помощью 3-х фундаментальных сил (с помощью 4 бозонов) и связанных одной особенной частицей - бозоном Хиггса.
Модель состоит из 2-х групп элементов - фермионов (частиц материи) и бозонов (частиц взаимодействия). Основных фермионов 4 штуки — это нисходящий и восходящий кварки (из которых состоят протоны и нейтроны в разных пропорциях), электрон (он неделим) и нейтрино (странная, почти безмассовая частица, которая миллиардами и миллиардами штук проносится сейчас сквозь ваше тело).
А как же остальные 8? Прикол в том, что каждая из элементарных частиц имеет своих двойников в размере 2-х штук: у электрона — это мюон и тау; у нисходящего кварка — это странный и низкий кварки; у восходящего — это очаровательный и верхний кварки; у нейтрино также как у электрона - тау и мюон нейтрино соответственно. В чём отличия? Да практически ни в чём, только в их массе. Причем эти так называемые поколения частиц намного тяжелее обычных кварков и электрона с нейтрино, во всём остальном они совершенно одинаковы. Они не существуют в свободном виде, а учёные обнаруживают их в основном только на адронном коллайдере.
Вот мы и подошли к одной из самых главных загадок квантовой физики - зачем они вообще нужны эти поколения? Какой прикол в более тяжёлых дубликатах, если они нигде не используются, а сразу после появления распадаются на обычные кварки, электроны и т.д.? Ответа нет.
ГЛАВА 3: Фундаментальные взаимодействия
Теперь про взаимодействия - их переносят бозоны: фотоны, глюоны, Z и W бозоны. Они отвечают за перенос и активацию взаимодействий между элементарными частицами, по-простому можно сказать, что они позволяют материи что-то делать, а не просто летать туда-сюда в вакууме.
Вообще в природе можно выделить 4 фундаментальных взаимодействия - сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Так, стоп, я же раньше говорил, что частицы взаимодействуют только с 3-мя фундаментальными силами, а тут откуда-то появилось 4. Всё верно, в стандартной модели задействованы только 3 - исключается гравитация. Вот тут-то мы и узнаём где собака зарыта, а точнее главная загвоздка всей физики. Учёные до сих пор не могут понять, каким образом гравитация взаимодействует с элементарными частицами - в квантовой механике она практически не работает. Однако, у нас всё же есть отдельная теория, которая очень неплохо описывает гравитацию, правда на очень больших масштабах — это знаменитая эйнштейновская Общая теория относительности, но квантовая механика на неё плевать хотела.
Многие наверняка знают про вечный спор стандартной физики и квантовой механики, что-то у них там вечно никак не может получиться. Проблема заключается как раз в гравитации, которая ну никак не хочет вписываться в физику элементарных частиц. Почему же?
Ну, главное — это то, что гравитация является самой слабой из всех 4-х сил. Но как же так? Ведь гравитация удерживает огромные планеты на орбитах звезд, спутники на орбитах планет, нас с вами, в конце концов, на поверхности Земли. Однако, по сравнению с другими силами, она очень и очень слаба - вы сами можете это проверить: к примеру, если вы сейчас сидите, то … просто встаньте - поздравляю, вы преодолели великую силу гравитации. Дело тут, конечно, в размерах, чем объект больше и массивнее, тем сильнее на него действует гравитация. Если вы можете преодолеть гравитацию, то представьте, насколько она незначительна на супермикроскопических масштабах. На самом деле с гравитацией всё не так просто, есть мнение что это в общем-то даже и никакая не сила, а просто следствие искривления пространства-времени под воздействием огромных масс.
Теперь к основным взаимодействиям.
Первое взаимодействие - электромагнетизм. Благодаря этому взаимодействию происходит отталкивание и притяжение. Электронное облако, которым окружены протонно-нейтронные ядра атомов, имеет заряд и как правило отталкивает всё вокруг себя. Именно поэтому мы, например, не можем проходить сквозь стены - электроны нашего тела отталкивают электроны стены, ведь у них одинаковый заряд.
Дальше - сильное взаимодействие. Оно создаёт протоны и нейтроны, а точнее не позволяет свободно существовать в пространстве кваркам. Бозон глюон (от англ. glue - склеивать) склеивает их так, чтобы существовали протоны и нейтроны, а уже дальше атомы, молекулы, всякие там грибы, рыбы, коровы и, конечно, человек.
Слабое взаимодействие отвечает за ядерный распад. Благодаря этому взаимодействию, к примеру, горят звёзды и, в частности, наше Солнце, в ядре которого происходят термоядерные реакции распада, из-за чего выделяется огромное количество тепла.
Объединяет всё это дело бозон Хиггса, который экспериментально удалось обнаружить только в 2012 году. Тут всё очень сложно, скажу только одно - если бы не было этой объединяющей силы, все массовые элементарные частицы остались бы без этой самой массы и возможно всё было бы совсем по-другому, жизнь, какой мы её знаем, не могла бы существовать.
ФИНАЛ
Всё очень просто, неправда ли?) Напоследок скажу, что сегодня задача №1 практически для всех физиков мира заключается в том, чтобы создать так называемую Теорию Всего, которая могла бы объединить эйнштейновскую относительность и квантовую механику и создать так называемую Теорию квантовой гравитации. Эта теория была бы завершающим этапом в понимании устройства нашей с вами Вселенной, объединила бы все фундаментальные взаимодействия в одну общую концепцию иии .... я уверен, что произошло бы какое-нибудь чудо.
Сегодня на роль данной теории претендует небезызвестная многим Теория струн. Если вам будет интересно, то как-нибудь расскажу про неё подробнее, пишите в комментариях. Там много всего интересного: тысячи пространственных измерений, параллельные вселенные, искажения в ткани пространства-времени и тому подобное.