Hi-Tech

Мельчайшие частицы. Насколько они фундаментальны?

Существует ли мельчайший из возможных кирпичик или набор кирпичиков, из которых можно построить буквально все в нашей Вселенной и которые нельзя разделить на что-то еще меньшее? Из чего состоит Вселенная на самом базовом, фундаментальном уровне? Потому что в физике всегда есть место для неопределенности, особенно когда речь заходит о том, что мы найдем в будущем. На этот вопрос у науки есть много интересных ответов, впрочем, которые нельзя назвать финальными и окончательными.

Тысячи лет назад воображение и логика были лучшими инструментами, доступными человеку. Если бы вы хотели узнать, из чего состоит Вселенная, с чего бы вы начали? Предполагалось, что существует несколько фундаментальных ингредиентов, которые можно совмещать и объединять — разными способами, в разных условиях — чтобы создать все сущее. Мы знали о материи, но понятия не имели, из чего она состоит.

Мы могли показать, что она обладает массой. Мы могли экспериментально продемонстрировать, что материя, будь она твердая, жидкая или газообразная, занимает пространство. Но разбить материю и получить доступ к мельчайшим компонентам, которые покажут, насколько «фундаментальной» она может быть, это уже немного другое. Мы могли объединить ее в большие количества или разбить на более мелкие. Этого мы не могли.

Другие считали, что существует лишь один фундаментальный компонент реальности — монада — из которой все остальное получается и собирается. Некоторые считали, что материя может состоять из разных элементов, таких как огонь, земля, воздух и вода. Другие же, такие как пифагорейцы, полагали, что должна существовать геометрическая математическая структура, устанавливающая правила для реальности, а сборка этих структур привела к появлению известной нам Вселенной.

Хотя это была всего лишь идея, Демокрит считал, что вся материя состоит из неделимых частиц, которые он назвал атомами («ἄτομος» по-гречески означает «неделимый»). Идея того, что истинно фундаментальная частица действительно существует, впрочем, восходит к Демокриту Абдерскому, который жил 2400 лет назад. Хотя его идеи содержали много других странных деталей, понятие фундаментальных частиц закрепилось и осталось. Атомы, по его мнению, объединяются на фоне пустого пространства.

Затем разбейте его еще на меньшие части. Возьмите любой кусочек материи, который хотите, и попробуйте его разрезать. Макроскопические объекты становятся микроскопическими; сложные соединения становятся простыми молекулами; молекулы становятся атомами; атомы становятся электронами и атомными ядрами; атомные ядра становятся протонами и нейтронами, которые и сами делятся на кварки и глюоны. Каждый раз, когда вам это удается, разбивайте и разбивайте, пока сама идея разрезания не потеряет смысл: следующий слой будет толще вашего «ножа».

На самом меньшем из возможных уровней мы можем свести все, что знаем, к фундаментальным, неделимым, подобным частицам объектам: кваркам, лептонам и бозонам Стандартной модели.

Каждый квант во Вселенной — структура с ненулевой энергией — может быть описан как содержащий определенное количество энергии. Что касается физических величин, они определяются правилами квантовой физики. Поскольку все, что существует, можно описать как в виде частицы, так и в виде волны, вы можете установить ограничения и пределы на физические размеры для любых таких квантов.

Частицы Стандартной модели и того меньше. В то время как молекулы могут прекрасно описывать реальность на нанометровом уровне (10-9 метра), а атомы прекрасно описывают реальность в масштабах Ангстрема (10-10 метра), атомные ядра еще меньше, и отдельные протоны и нейтроны уходят в масштабы до фемтометра (10-15) метра. На энергиях, которые мы смогли опробовать, мы можем с уверенностью сказать, что все известные частицы являются точечными и структурно-свободными до 10-19 метров.

Частицы и античастицы, а также бозоны Стандартной модели являются фундаментальными с экспериментальной и теоретической точек зрения. Лучшие из наших экспериментальных знаний позволяют нам назвать эти частицы фундаментальными по своей природе. И чем выше энергии частиц, тем острее проявляется структура реальности.

Большой адронный коллайдер позволяет нам ограничить масштабы фундаментальных частиц таким образом, но коллайдеры будущего или чрезвычайно чувствительные эксперименты с космическими лучами могли бы продвинуть нас на много порядков дальше: до 10-21 или даже до 10-26 для самых экстремальных энергетически космических лучей.

Из них следует, что если мы сталкиваем частицу (или античастицу, или фотон) с некоторым количеством энергии с другой частицей в состоянии покоя, то пораженная частица будет вести себя в фундаментально точечной манере в пределах наших экспериментов, детекторов и достижимых энергий. При всем этом, эти идеи накладывают ограничения только на то, что мы знаем и можем утверждать. Эти эксперименты устанавливают эмпирический предел того, насколько большими могут быть мыслимые фундаментальные частицы, и коллективно называются экспериментами по глубокому неупругому рассеянию.

Вовсе нет. Значит ли это, что эти частицы действительно фундаментальны? Они могут быть:

  • и далее делимы, то есть их можно разбить на компоненты поменьше;
  • резонансом друг друга, когда более тяжелые «кузены» легких частиц представляют возбужденное состояние или составные версии легких;
  • вовсе не частицами, а скорее частицами на вид с более глубокой нижележащей структурой.

Эти идеи изобилуют сценариями вроде техниколора (и эти сценарии были ограничены после обнаружения бозона Хиггса, однако не исключены), но наиболее заметно представлены в теории струн.

Реальность на основе частиц — это теоретическая идея, которая поддерживается и согласуется с экспериментами, но наши эксперименты ограничены в энергии и той информации, которую могут рассказать нам о фундаментальной реальности. Нет никакого непреложного закона, требующего, чтобы все было сделано из частиц. Струны могут расщепляться, образуя два кванта там, где до этого был один, либо соединяться, создавая один квант из двух ранее существующих. В сценарии вроде теории струн все так называемые «фундаментальные частиц» могут быть не более чем струной, вибрирующей или вращающейся с определенной частотой, обладающей открытой (с двумя не связанными концами) природой или закрытой (когда два конца связаны).

На фундаментальном уровне нет никакого требования, чтобы компоненты нашей Вселенной были нуль-мерными точечными частицами.

Природа пространства-времени сама по себе неизвестна; оно может быть фундаментально квантовым или неквантовым по природе, может быть дискретным или непрерывным. Существует множество сценариев, в которых неразгаданные тайны нашей Вселенной, такие как темная материя и темная энергия, вообще не состоят из частиц, а скорее из жидкости или представлены свойством пространства.

Частицы, известные нам сейчас, которые мы считаем фундаментальными, могут иметь либо конечный, ненулевой размер в одном или более измерений, либо они могут быть истинно точечными, потенциально вплоть до длины Планка или даже меньше.

В том числе фундаментальность частиц. Самое важное, что нужно понимать, это то, что все, что мы знаем в науке, это условности. Все наши научные знания — это лишь самое лучшее приближение к реальности, которое нам удалось построить к настоящему времени. Нет ничего, что было бы незыблемо или неизменно. Теории, которые наилучшим образом описывают нашу Вселенную, могут объяснить все наблюдаемые явления, создавать новые, мощные, проверяемые предсказания и не имеют альтернатив.

Наука всегда стремится собирать больше данных, изучать новую территорию и сценарии и пересматривать себя, если возникнет конфликт. Но это не значит, что правильны в любом абсолютном смысле. Частицы, известные нам, выглядят фундаментальными сегодня, но это не гарантирует, что природа будет продолжать указывать на существование более фундаментальных частиц, если мы продолжит погружение в суть этих частиц.

Расскажите в нашем чате в Телеграме. Как думаете, существуют ли более фундаментальные частицы?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть