سبک ترین و پرجرم ترین ذرات بنیادی. کوچکترین ذره ای که در جهان وجود دارد چیست؟

در مورد ذرات کوچکتر از اتم چه می دانیم؟ و کوچکترین ذره در کیهان چیست؟

جهان پیرامون ما...کدام یک از ما زیبایی مسحورکننده او را تحسین نکرده است؟ آسمان شب بی انتها آن، پر از میلیاردها ستاره مرموز چشمک زن و گرمای نور ملایم خورشید آن است. مزارع و جنگل های زمرد، رودخانه های طوفانی و پهنه های وسیع دریا. قله های درخشان کوه های باشکوه و مراتع سرسبز آلپ. شبنم صبح و تریل بلبل در سحر. گل رز معطر و زمزمه آرام یک جویبار. غروب سوزان و خش خش ملایم یک بیشه توس...

آیا می توان به چیزی زیباتر از دنیای اطرافمان فکر کرد؟! قدرتمندتر و تاثیرگذارتر؟ و در عین حال شکننده تر و لطیف تر؟ همه اینها دنیایی است که در آن نفس می کشیم، عشق می ورزیم، شادی می کنیم، شادی می کنیم، رنج می بریم و غمگینیم... همه اینها دنیای ماست. جهانی که در آن زندگی می کنیم، آن را احساس می کنیم، آن را می بینیم و حداقل به نحوی آن را درک می کنیم.

با این حال، بسیار متنوع تر و پیچیده تر از آن چیزی است که در نگاه اول به نظر می رسد. می دانیم که علفزارهای سرسبز بدون شورش خارق العاده یک رقص گرد بی پایان از تیغه های سبز انعطاف پذیر علف، درختان سرسبز در لباس زمرد - بدون تعداد زیادی برگ روی شاخه هایشان و سواحل طلایی - بدون دانه های درخشان ظاهر نمی شدند. شن و ماسه که زیر پای برهنه در پرتوهای تابستان خرد می شود. آفتاب ملایم. بزرگ همیشه از کوچک تشکیل شده است. کوچک - از حتی کوچکتر. و احتمالا هیچ محدودیتی برای این دنباله وجود ندارد.

بنابراین، تیغه های چمن و دانه های شن به نوبه خود از مولکول هایی تشکیل شده اند که از اتم ها تشکیل می شوند. همانطور که می دانیم اتم ها حاوی ذرات بنیادی هستند - الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها. اما آنها نیز مرجع نهایی محسوب نمی شوند. علم مدرن ادعا می کند که برای مثال پروتون ها و نوترون ها از دسته های انرژی فرضی - کوارک ها تشکیل شده اند. این فرض وجود دارد که یک ذره حتی کوچکتر وجود دارد - یک پریون، هنوز نامرئی، ناشناخته، اما فرض شده است.

دنیای مولکول ها، اتم ها، الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها، فوتون ها و غیره. معمولا نامیده می شود جهان کوچک. او اساس است جهان کلان- جهان انسان و مقادیر متناسب با آن در سیاره ما و مگا جهان- دنیای ستارگان، کهکشان ها، جهان و فضا. همه این دنیاها به هم پیوسته اند و یکی بدون دیگری وجود ندارند.

ما قبلاً در گزارش اولین اکسپدیشن خود با مگا جهان آشنا شدیم «نفس کائنات. سفر اول"و ما در حال حاضر ایده ای از کهکشان های دور و جهان داریم. در آن سفر خطرناک، دنیای ماده تاریک و انرژی تاریک را کشف کردیم، اعماق سیاهچاله‌ها را غرق کردیم، به قله‌های اختروش‌های درخشان رسیدیم و به طور معجزه آسایی از بیگ بنگ و نه کمتر از بیگ کرانچ فرار کردیم. جهان هستی با تمام زیبایی و عظمتش در برابر ما ظاهر شد. در طول سفرمان، متوجه شدیم که ستارگان و کهکشان ها به خودی خود ظاهر نشده اند، بلکه در طی میلیاردها سال، از ذرات و اتم ها شکل گرفته اند.

این ذرات و اتم ها هستند که کل جهان اطراف ما را تشکیل می دهند. این آنها هستند که در ترکیب های بی شمار و متنوع خود می توانند در برابر ما ظاهر شوند، یا به شکل یک گل رز زیبا هلندی یا به شکل تپه ای خشن از صخره های تبتی. هر چیزی که می بینیم از این نمایندگان مرموز اسرارآمیز تشکیل شده است دنیای خردچرا مرموز و چرا مرموز؟ زیرا بشریت، متأسفانه، هنوز در مورد این جهان و نمایندگان آن بسیار بسیار کم می داند.

علم مدرن در مورد جهان خرد را نمی توان بدون ذکر الکترون، پروتون یا نوترون تصور کرد. در هر ماده مرجع در مورد فیزیک یا شیمی، جرم آنها را تا رقم نهم اعشار، بار الکتریکی، طول عمر و غیره دقیق خواهیم یافت. به عنوان مثال، طبق این کتاب های مرجع، یک الکترون دارای جرم 9.10938291 (40) x 10 -31 کیلوگرم، بار الکتریکی منهای 1.602176565 (35) x 10 -19 C، طول عمر بی نهایت یا حداقل 4.6 x 10 است. 26 سال (ویکی پدیا).

دقت تعیین پارامترهای الکترون چشمگیر است و افتخار به دستاوردهای علمی تمدن قلب ما را پر می کند! درست است، در همان زمان، برخی از شک‌ها به وجود می‌آیند، که هر چقدر هم که تلاش کنید، نمی‌توانید کاملاً از شر آنها خلاص شوید. به عقیده من تعیین جرم یک الکترون برابر با یک میلیارد - میلیارد - میلیاردم یک کیلوگرم و حتی وزن کردن آن تا رقم نهم اعشار، اصلاً کار ساده ای نیست، درست مانند اندازه گیری طول عمر یک الکترون با 4,600,000,000,000,000,000,000,000. 000 سال

علاوه بر این، هیچ کس هرگز این الکترون را ندیده است. مدرن‌ترین میکروسکوپ‌ها به شما امکان می‌دهند فقط ابر الکترونی را در اطراف هسته اتم ببینید، همانطور که دانشمندان معتقدند، الکترون با سرعت بسیار زیادی در درون آن حرکت می‌کند (شکل 1). ما هنوز دقیقاً اندازه الکترون، شکل و سرعت چرخش آن را نمی دانیم. در واقع، ما در مورد الکترون و همچنین در مورد پروتون و نوترون اطلاعات بسیار کمی داریم. ما فقط می توانیم حدس بزنیم و حدس بزنیم. متأسفانه امروز این تنها کاری است که می توانیم انجام دهیم.

برنج. 1. عکسی از ابرهای الکترونی که توسط فیزیکدانان موسسه فیزیک و فناوری خارکف در سپتامبر 2009 گرفته شده است.

اما یک الکترون یا یک پروتون کوچکترین ذرات بنیادی هستند که اتم هر ماده ای را می سازند. و اگر ابزارهای فنی ما برای مطالعه جهان خرد هنوز به ما اجازه دیدن ذرات و اتم ها را نمی دهد، شاید با چیز دیگری شروع کنیم. O بزرگتر و شناخته شده تر؟ مثلا از یک مولکول! از اتم تشکیل شده است. یک مولکول یک شی بزرگتر و قابل درک تر است که احتمالاً عمیق تر مورد مطالعه قرار می گیرد.

متاسفانه باید دوباره ناامیدت کنم. مولکول ها فقط بر روی کاغذ به شکل فرمول های انتزاعی و نقاشی های ساختار فرضی خود برای ما قابل درک هستند. ما همچنین هنوز نمی توانیم تصویر واضحی از یک مولکول با پیوندهای برجسته بین اتم ها به دست آوریم.

در آگوست 2009، با استفاده از فناوری میکروسکوپ نیروی اتمی، محققان اروپایی برای اولین بار موفق به تصویربرداری از ساختار یک مولکول نسبتاً بزرگ پنتاسن شدند (C 22 H 14). مدرن ترین فناوری تشخیص تنها پنج حلقه را که ساختار این هیدروکربن را تعیین می کنند و همچنین لکه هایی از اتم های کربن و هیدروژن را ممکن ساخت (شکل 2). و این تنها کاری است که فعلا می توانیم انجام دهیم...

برنج. 2. نمایش ساختاری مولکول پنتاسن (بالا)

و عکس او (در زیر)

از یک سو، عکس‌های به‌دست‌آمده به ما اجازه می‌دهند ادعا کنیم که مسیر انتخاب شده توسط دانشمندان شیمی‌دان، برای توصیف ترکیب و ساختار مولکول‌ها، دیگر مورد تردید نیست، اما از سوی دیگر، ما فقط می‌توانیم در مورد آن حدس بزنیم.

بالاخره اتصال اتم ها در یک مولکول و ذرات بنیادی در یک اتم چگونه اتفاق می افتد؟ چرا این پیوندهای اتمی و مولکولی پایدار هستند؟ چگونه شکل گرفته اند، چه نیروهایی از آنها حمایت می کنند؟ یک الکترون، پروتون یا نوترون چگونه به نظر می رسد؟ ساختار آنها چیست؟ هسته اتم چیست؟ چگونه یک پروتون و یک نوترون در یک فضا وجود دارند و چرا یک الکترون را از آن پس می‌زنند؟

سوالات زیادی از این دست وجود دارد. هم جواب می دهد. درست است، بسیاری از پاسخ ها فقط بر اساس فرضیاتی هستند که باعث ایجاد سؤالات جدید می شوند.

اولین تلاش من برای نفوذ به اسرار دنیای خرد با ارائه بسیار سطحی دانش مدرن در مورد ساختار اجسام خرد، اصول عملکرد آنها، سیستم های اتصالات و روابط آنها مواجه شد. معلوم شد که بشریت هنوز به وضوح درک نمی کند که هسته یک اتم و ذرات تشکیل دهنده آن - الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها - چگونه ساخته شده اند. ما فقط یک ایده کلی داریم که واقعاً در طول شکافت هسته اتم چه اتفاقی می افتد، چه اتفاقاتی می تواند در طول دوره طولانی این فرآیند رخ دهد.

مطالعه واکنش‌های هسته‌ای به مشاهده فرآیندها و ایجاد روابط علت و معلولی خاص که به‌صورت تجربی به دست می‌آمدند، محدود می‌شد. محققان یاد گرفته اند که فقط تعیین کنند رفتار - اخلاقذرات خاص تحت تأثیر این یا آن همین! بدون درک ساختار آنها، بدون آشکار ساختن مکانیسم های تعامل! فقط رفتار! بر اساس این رفتار، وابستگی برخی پارامترها مشخص شد و برای اهمیت بیشتر، این داده های تجربی در فرمول های ریاضی چند سطحی قرار گرفتند. این تمام تئوری است!

متأسفانه این کافی بود تا شجاعانه ساخت نیروگاه های هسته ای، شتاب دهنده های مختلف، برخورد دهنده ها و ساخت بمب های هسته ای آغاز شود. بشریت با دریافت دانش اولیه در مورد فرآیندهای هسته ای، بلافاصله وارد یک مسابقه بی سابقه برای در اختیار داشتن انرژی قدرتمند تحت کنترل خود شد.

تعداد کشورهای مجهز به پتانسیل هسته ای با جهش و مرز افزایش یافت. موشک‌های هسته‌ای در تعداد زیاد با نگاهی تهدیدآمیز به سمت همسایگان غیردوستانه خود نگاه کردند. نیروگاه های هسته ای شروع به ظهور کردند و به طور مداوم انرژی الکتریکی ارزان تولید می کردند. مبالغ هنگفتی برای توسعه هسته ای طرح های جدیدتر و بیشتر هزینه شد. علم، در تلاش برای بررسی درون هسته اتم، به شدت شتاب دهنده های ذرات فوق مدرن ساخته است.

با این حال، ماده به ساختار اتم و هسته آن نرسید. اشتیاق به جستجوی بیشتر و بیشتر ذرات جدید و تعقیب جایزه نوبل، مطالعه عمیق ساختار هسته اتم و ذرات موجود در آن را در پس زمینه قرار داده است.

اما دانش سطحی در مورد فرآیندهای هسته ای بلافاصله در طول کار راکتورهای هسته ای خود را منفی نشان داد و باعث بروز واکنش های زنجیره ای هسته ای خود به خود در تعدادی از موقعیت ها شد.

این فهرست تاریخ ها و مکان های واکنش های هسته ای خود به خود را نشان می دهد:

1945/08/21. ایالات متحده آمریکا، آزمایشگاه ملی لس آلاموس.

1946/05/21. ایالات متحده آمریکا، آزمایشگاه ملی لس آلاموس.

1953/03/15. اتحاد جماهیر شوروی، چلیابینسک-65، PA "Mayak".

1953/04/21. اتحاد جماهیر شوروی، چلیابینسک-65، PA "Mayak".

1958/06/16. ایالات متحده آمریکا، اوک ریج، کارخانه رادیوشیمیایی Y-12.

1958/10/15. یوگسلاوی، موسسه B. Kidrich.

1958/12/30. ایالات متحده آمریکا، آزمایشگاه ملی لس آلاموس.

01/03/1963. اتحاد جماهیر شوروی، Tomsk-7، کارخانه شیمیایی سیبری.

1964/07/23. ایالات متحده آمریکا، نجاری، کارخانه رادیوشیمیایی.

1965/12/30. بلژیک، مول.

03/05/1968. اتحاد جماهیر شوروی، چلیابینسک-70، VNIITF.

1968/10/12. اتحاد جماهیر شوروی، چلیابینسک-65، PA "Mayak".

1971/05/26. اتحاد جماهیر شوروی، مسکو، موسسه انرژی اتمی.

13/12/1978. اتحاد جماهیر شوروی، Tomsk-7، کارخانه شیمیایی سیبری.

1983/09/23. آرژانتین، راکتور RA-2.

1997/05/15. روسیه، نووسیبیرسک، کارخانه کنسانتره شیمیایی.

1376/06/17. روسیه، ساروف، VNIIEF.

1999/09/30. ژاپن، توکایمورا، نیروگاه سوخت هسته ای.

به این فهرست، لازم است سوانح متعدد با حامل های هوایی و زیرآبی سلاح های هسته ای، حوادث در شرکت های چرخه سوخت هسته ای، موارد اضطراری در نیروگاه های هسته ای، موارد اضطراری در حین آزمایش بمب های هسته ای و گرما هسته ای اضافه شود. تراژدی های چرنوبیل و فوکوشیما برای همیشه در حافظه ما باقی خواهند ماند. هزاران نفر در این بلایا و حوادث اضطراری جان باختند. و این باعث می شود که خیلی جدی فکر کنید.

فقط فکر نیروگاه های هسته ای که می توانند فوراً کل جهان را به یک منطقه رادیواکتیو پیوسته تبدیل کنند، وحشتناک است. متأسفانه، این ترس ها به خوبی پایه گذاری شده اند. اول از همه، این واقعیت است که سازندگان راکتورهای هسته ای در کار خود از دانش بنیادی استفاده نکرد، بلکه بیانیه ای از وابستگی های ریاضی خاص و رفتار ذرات، که بر اساس آن یک ساختار هسته ای خطرناک ساخته شد، استفاده کرد.. برای دانشمندان، واکنش‌های هسته‌ای هنوز نوعی «جعبه سیاه» هستند که کار می‌کنند، به شرطی که اقدامات و الزامات خاصی برآورده شوند.

اما اگر در این «جعبه» اتفاقی بیفتد و این «چیزی» در دستورالعمل ها توضیح داده نشود و از محدوده دانش کسب شده خارج شود، ما جدا از قهرمانی و کار غیر فکری خودمان، نمی توانیم با چیزی مخالفت کنیم. به فاجعه هسته ای در حال آشکار شدن توده های مردم مجبور هستند به سادگی در انتظار خطر قریب الوقوع باشند، برای عواقب وحشتناک و غیرقابل درک آماده شوند و به نظر آنها به یک فاصله ایمن حرکت کنند. متخصصان هسته ای در بیشتر موارد فقط شانه های خود را بالا می اندازند، دعا می کنند و منتظر کمک قدرت های بالاتر هستند.

دانشمندان هسته‌ای ژاپنی که به مدرن‌ترین فناوری‌ها مجهز هستند، هنوز نمی‌توانند نیروگاه هسته‌ای فوکوشیما را که مدت‌ها انرژی از کار افتاده است، مهار کنند. آنها فقط می توانند بیان کنند که در 18 اکتبر 2013، سطح تشعشع در آب های زیرزمینی بیش از 2500 برابر از حد معمول فراتر رفت. یک روز بعد، سطح مواد رادیواکتیو در آب تقریبا 12000 برابر شد! چرا؟! کارشناسان ژاپنی هنوز نمی توانند به این سوال پاسخ دهند یا این فرآیندها را متوقف کنند.

خطر ایجاد بمب اتمی هنوز به نحوی موجه بود. وضعیت متشنج نظامی-سیاسی در کره زمین مستلزم اقدامات بی سابقه دفاعی و حمله از سوی کشورهای متخاصم بود. محققان هسته‌ای با تسلیم شدن به این وضعیت، خطراتی را بدون پرداختن به پیچیدگی‌های ساختار و عملکرد ذرات بنیادی و هسته‌های اتمی انجام دادند.

با این حال، در زمان صلح، ساخت نیروگاه های هسته ای و برخورد دهنده ها از همه نوع باید آغاز می شد فقط به شرط، چی علم ساختار هسته اتم، الکترون، نوترون، پروتون و روابط آنها را کاملاً درک کرده است.علاوه بر این، در نیروگاه های هسته ای واکنش هسته ای باید به شدت کنترل شود. اما شما واقعاً و به طور مؤثر فقط می توانید آنچه را که به طور کامل می دانید مدیریت کنید. به خصوص اگر به قدرتمندترین نوع انرژی امروزی مربوط باشد که مهار آن اصلاً آسان نیست. البته این اتفاق نمی افتد. نه تنها در زمان ساخت نیروگاه های هسته ای.

در حال حاضر، در روسیه، چین، ایالات متحده آمریکا و اروپا 6 برخورد دهنده مختلف وجود دارد - شتاب دهنده های قدرتمند جریان متقابل ذرات، که آنها را به سرعت های بسیار زیادی شتاب می دهد و انرژی جنبشی بالایی به ذرات می دهد تا سپس آنها را با یکدیگر برخورد کنند. هدف از این برخورد بررسی محصولات برخورد ذرات است به این امید که در فرآیند فروپاشی آنها بتوان چیز جدیدی و تا کنون ناشناخته را مشاهده کرد.

واضح است که محققان بسیار علاقه مند هستند که ببینند از این همه نتیجه چه خواهد شد. سرعت برخورد ذرات و سطح تخصیص تحقیقات علمی در حال رشد است، اما دانش در مورد ساختار آنچه که برخورد می کند برای سال های بسیار زیادی در همان سطح باقی مانده است. هنوز هیچ پیش‌بینی موجهی در مورد نتایج مطالعات برنامه‌ریزی‌شده وجود ندارد و نمی‌تواند وجود داشته باشد. نه تصادفی ما به خوبی درک می‌کنیم که پیش‌بینی علمی تنها در صورتی امکان‌پذیر است که حداقل از جزئیات فرآیند پیش‌بینی‌شده دانش دقیق و تأیید شده داشته باشیم. علم مدرن هنوز چنین دانشی در مورد ذرات بنیادی ندارد. در این مورد، می‌توان فرض کرد که اصل اصلی روش‌های تحقیق موجود این گزاره است: «بیایید آن را امتحان کنیم و ببینیم چه می‌شود». متاسفانه

بنابراین، کاملاً طبیعی است که امروزه مسائل مربوط به خطرات آزمایش ها بیشتر و بیشتر مورد بحث قرار می گیرد. حتی بحث احتمال بوجود آمدن سیاهچاله های میکروسکوپی در طول آزمایش ها نیست که در حال رشد می تواند سیاره ما را ببلعد. من واقعاً به چنین امکانی، حداقل در سطح و مرحله رشد فکری امروزم اعتقاد ندارم.

اما یک خطر عمیق تر و واقعی تر وجود دارد. به عنوان مثال، در برخورد دهنده بزرگ هادرون، جریان های پروتون یا یون های سرب در پیکربندی های مختلف با هم برخورد می کنند. به نظر می رسد، یک ذره میکروسکوپی، و حتی زیر زمین، در تونلی که در محفظه فلزی و بتنی قدرتمند محصور شده است، چه تهدیدی می تواند داشته باشد؟ یک ذره با وزن 1,672,621,777 (74) در 10-27 کیلوگرم و یک تونل جامد، چند تنی و بیش از 26 کیلومتر در ضخامت خاک سنگین، به وضوح مقوله های غیرقابل مقایسه هستند.

با این حال، تهدید وجود دارد. هنگام انجام آزمایشات، احتمال دارد که آزادسازی غیرقابل کنترل مقدار زیادی انرژی رخ دهد، که نه تنها در نتیجه پارگی نیروهای داخل هسته ای، بلکه همچنین انرژی واقع در داخل پروتون ها یا یون های سرب ظاهر می شود. انفجار هسته ای یک موشک بالستیک مدرن، بر اساس آزاد شدن انرژی درون هسته ای یک اتم، در مقایسه با انرژی قدرتمندی که می تواند در هنگام نابودی ذرات بنیادی آزاد شود، بدتر از یک کراکر سال نو به نظر نمی رسد. به طور کاملا غیر منتظره، ما می توانیم جن پری را از بطری خارج کنیم. اما نه آن منعطف، خوش اخلاق و جسور که فقط گوش می دهد و اطاعت می کند، بلکه یک هیولای غیرقابل کنترل، قدرتمند و بی رحم است که هیچ رحم و رحمتی نمی شناسد. و افسانه نخواهد بود، اما کاملا واقعی خواهد بود.

اما بدترین چیز این است که، درست مانند یک بمب هسته ای، یک واکنش زنجیره ای می تواند در یک برخورد دهنده شروع شود و بخش های بیشتری از انرژی آزاد شود و تمام ذرات بنیادی دیگر از بین برود. در عین حال ، اصلاً مهم نیست که آنها از چه چیزی تشکیل می شوند - سازه های تونلی فلزی ، دیوارهای بتنی یا سنگ. انرژی در همه جا آزاد می شود و هر چیزی را که نه تنها با تمدن ما، بلکه با کل سیاره مرتبط است، از هم خواهد پاشید. در یک لحظه، تنها تکه‌های رقت‌انگیز و بی‌شکل ممکن است از زیبایی شیرین آبی ما باقی بمانند، که در پهنه‌های بزرگ و وسیع کیهان پراکنده می‌شوند.

البته این یک سناریوی وحشتناک، اما بسیار واقعی است و بسیاری از اروپاییان امروز این را به خوبی درک می کنند و فعالانه با آزمایش های خطرناک غیرقابل پیش بینی مخالفت می کنند و خواستار اطمینان از ایمنی سیاره و تمدن هستند. هر بار این سخنرانی ها بیشتر و بیشتر سازماندهی می شود و نگرانی داخلی نسبت به وضعیت موجود را افزایش می دهد.

من مخالف آزمایش نیستم، زیرا به خوبی درک می کنم که راه رسیدن به دانش جدید همیشه خاردار و دشوار است. غلبه بر آن بدون آزمایش تقریباً غیرممکن است. با این حال، من عمیقاً متقاعد شده‌ام که هر آزمایشی باید تنها در صورتی انجام شود که برای مردم و محیط زیست بی‌خطر باشد. امروز ما به چنین امنیتی اعتماد نداریم. نه، زیرا هیچ دانشی در مورد آن ذرات که ما در حال حاضر با آنها آزمایش می کنیم وجود ندارد.

وضعیت بسیار نگران‌کننده‌تر از آن چیزی بود که قبلاً تصور می‌کردم. من که به شدت نگران بودم، با سرسختی وارد دنیای دانش در مورد جهان صغیر شدم. اعتراف می‌کنم، این برای من لذت چندانی نداشت، زیرا در نظریه‌های توسعه‌یافته دنیای خرد، درک رابطه روشن بین پدیده‌های طبیعی و نتایجی که برخی از دانشمندان بر اساس آن‌ها مبتنی بودند، با استفاده از اصول نظری فیزیک کوانتومی، مکانیک کوانتومی دشوار بود. و نظریه ذرات بنیادی به عنوان یک دستگاه تحقیق.

وقتی ناگهان متوجه شدم که دانش در مورد جهان خرد بیشتر بر فرضیاتی استوار است که توجیهات منطقی روشنی ندارند، شگفتی من را تصور کنید. نظریه پردازان با داشتن مدل های ریاضی اشباع شده با قراردادهای معین به شکل ثابت پلانک با ثابت بیش از سی صفر پس از نقطه اعشار، ممنوعیت ها و فرضیه های مختلف را با جزئیات کافی و دقیق شرح داده اند. آآیا موقعیت های عملی وجود دارد که به این سوال پاسخ دهد: "اگر... چه اتفاقی خواهد افتاد؟" با این حال، سؤال اصلی: "چرا این اتفاق می افتد؟"، متأسفانه بی پاسخ ماند.

به نظرم می رسید که درک جهان بی کران و کهکشان های بسیار دور آن، که در فواصل فوق العاده وسیع پراکنده شده اند، بسیار دشوارتر از یافتن راهی برای دانش به سوی چیزی است که در واقع «زیر پای ما نهفته است». بر اساس پایه تحصیلات متوسطه و عالی خود، من صادقانه معتقد بودم که تمدن ما دیگر در مورد ساختار اتم و هسته آن، یا در مورد ذرات بنیادی و ساختار آنها، یا در مورد نیروهای نگهدارنده الکترون در مدار و حفظ اتصال پایدار پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم.

تا آن لحظه، مجبور نبودم اصول فیزیک کوانتومی را مطالعه کنم، اما مطمئن بودم و ساده لوحانه تصور می‌کردم که این فیزیک جدید چیزی است که واقعاً ما را از تاریکی درک نادرست جهان خرد بیرون خواهد برد.

اما، با ناراحتی عمیق من، اشتباه کردم. فیزیک کوانتومی مدرن، فیزیک هسته اتم و ذرات بنیادی و کل فیزیک ریزجهان، به نظر من، فقط در وضعیت اسفناکی نیستند. آنها برای مدت طولانی در بن بست فکری گیر کرده اند که نمی تواند به آنها اجازه رشد و پیشرفت دهد و در مسیر دانش اتم و ذرات بنیادی حرکت کنند.

محققان دنیای خرد که به شدت توسط آرای تزلزل ناپذیر تثبیت شده نظریه پردازان بزرگ قرن 19 و 20 محدود شده اند، بیش از صد سال است که جرأت نکرده اند به ریشه های خود بازگردند و دوباره راه دشوار تحقیق در اعماق ما را آغاز کنند. دنیای اطراف دیدگاه انتقادی من به وضعیت کنونی پیرامون مطالعه جهان خرد، تنها دیدگاه نیست. بسیاری از محققین و نظریه پردازان مترقی بیش از یک بار نظرات خود را در مورد مسائلی که در مسیر درک مبانی نظریه هسته اتم و ذرات بنیادی، فیزیک کوانتومی و مکانیک کوانتومی به وجود می آیند بیان کرده اند.

تجزیه و تحلیل فیزیک کوانتومی نظری مدرن به ما امکان می دهد یک نتیجه قطعی بگیریم که جوهر نظریه در نمایش ریاضی مقادیر متوسط ​​معینی از ذرات و اتم ها بر اساس شاخص های آمار مکانیکی خاص نهفته است. نکته اصلی در این تئوری، مطالعه ذرات بنیادی، ساختار آنها، ارتباطات و تعاملات آنها در طول تجلی پدیده های طبیعی خاص نیست، بلکه مدل های ریاضی احتمالی ساده شده بر اساس وابستگی های به دست آمده در طول آزمایش است.

متأسفانه، در اینجا و همچنین در طول توسعه نظریه نسبیت، وابستگی های ریاضی مشتق شده در وهله اول قرار گرفتند که ماهیت پدیده ها، ارتباط آنها و دلایل وقوع آنها را تحت الشعاع قرار داد.

مطالعه ساختار ذرات بنیادی به فرض وجود سه کوارک فرضی در پروتون‌ها و نوترون‌ها محدود می‌شد که انواع آنها با توسعه این فرض نظری از دو، سپس سه، چهار، شش، دوازده تغییر یافت. علم به سادگی با نتایج آزمایشات سازگار شد و مجبور به اختراع عناصر جدیدی شد که وجود آنها هنوز ثابت نشده است. در اینجا می توانیم در مورد پریون ها و گراویتون هایی بشنویم که هنوز پیدا نشده اند. شما می توانید مطمئن باشید که تعداد ذرات فرضی همچنان به رشد خود ادامه خواهد داد، زیرا علم ریزجهان عمیق تر و عمیق تر به بن بست می رود.

عدم درک فرآیندهای فیزیکی رخ داده در درون ذرات بنیادی و هسته‌های اتمی، مکانیسم تعامل سیستم‌ها و عناصر ریزجهان، عناصر فرضی - حامل‌های تعامل - مانند بوزون‌های گیج و بردار، گلوئون‌ها را وارد عرصه علم مدرن کرد. ، فوتون های مجازی آنها کسانی هستند که در صدر فهرست نهادهای مسئول فرآیندهای تعامل برخی از ذرات با ذرات دیگر قرار دارند. و مهم نیست که حتی علائم غیر مستقیم آنها شناسایی نشده باشد. مهم است که حداقل بتوان آنها را به نوعی مسئول این واقعیت دانست که هسته یک اتم در اجزای آن تجزیه نمی شود، ماه روی زمین نمی افتد، الکترون ها هنوز در مدار خود می چرخند، و اینکه میدان مغناطیسی سیاره همچنان از ما در برابر تأثیرات کیهانی محافظت می کند.

همه اینها مرا اندوهگین کرد، زیرا هر چه بیشتر در تئوری های جهان خرد می کاوشم، درک من از توسعه بن بست مهم ترین مؤلفه نظریه ساختار جهان بیشتر می شود. جایگاه علم امروزی در مورد عالم صغیر تصادفی نیست، بلکه طبیعی است. واقعیت این است که پایه های فیزیک کوانتومی توسط برندگان جایزه نوبل، ماکس پلانک، آلبرت انیشتین، نیلز بور، اروین شرودینگر، ولفگانگ پائولی و پل دیراک در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم گذاشته شد. فیزیکدانان در آن زمان تنها نتایج برخی آزمایشات اولیه را با هدف مطالعه اتم ها و ذرات بنیادی داشتند. با این حال، باید اعتراف کرد که این مطالعات بر روی تجهیزات ناقص مربوط به آن زمان انجام شد و پایگاه داده تجربی تازه در حال پر شدن بود.

بنابراین، جای تعجب نیست که فیزیک کلاسیک همیشه نمی تواند به سؤالات متعددی که در طول مطالعه جهان خرد مطرح می شد پاسخ دهد. از این رو، در آغاز قرن بیستم، جهان علم شروع به صحبت از بحران فیزیک و نیاز به تغییرات انقلابی در سیستم تحقیقات دنیای خرد کرد. این وضعیت قطعاً دانشمندان نظری مترقی را به جستجوی راه‌های جدید و روش‌های جدید برای درک جهان خرد سوق داد.

ما باید ادای احترام کنیم، مشکل در مفاد منسوخ شده فیزیک کلاسیک نبود، بلکه در یک پایگاه فنی به اندازه کافی توسعه نیافته بود، که در آن زمان، کاملاً قابل درک، نمی توانست نتایج تحقیقات لازم را ارائه دهد و غذا برای پیشرفت های نظری عمیق تر فراهم کند. جای خالی باید پر شود. و پر شد. یک نظریه جدید - فیزیک کوانتومی، اساساً بر اساس مفاهیم احتمالی ریاضی. هیچ اشکالی نداشت، جز اینکه در عین حال فلسفه را فراموش کردند و از دنیای واقعی جدا شدند.

ایده های کلاسیک در مورد اتم، الکترون، پروتون، نوترون و غیره. مدل‌های احتمالی آنها جایگزین شدند، که با سطح معینی از پیشرفت علمی مطابقت داشت و حتی حل مسائل مهندسی کاربردی بسیار پیچیده را ممکن می‌کرد. فقدان پایه فنی لازم و موفقیت‌هایی در بازنمایی نظری و تجربی عناصر و سیستم‌های جهان خرد، شرایطی را برای سرد شدن معین دنیای علم به سمت مطالعه عمیق ساختار ذرات بنیادی، اتم‌ها و هسته‌های آنها ایجاد کرد. . علاوه بر این، به نظر می رسید که بحران در فیزیک جهان خرد خاموش شده است، یک انقلاب رخ داده است. جامعه علمی مشتاقانه برای مطالعه فیزیک کوانتومی هجوم بردند، بدون اینکه زحمتی برای درک اصول اولیه ذرات بنیادی و بنیادی داشته باشند.

طبیعتاً، این وضعیت علم مدرن در مورد دنیای خرد نمی‌توانست کمکی به من نداشته باشد، و من بلافاصله شروع به آماده شدن برای یک سفر جدید، برای یک سفر جدید کردم. به سفر به دنیای خرد. ما قبلاً یک سفر مشابه داشته ایم. این اولین سفر به دنیای کهکشان ها، ستارگان و کوازارها، به دنیای ماده تاریک و انرژی تاریک، به دنیایی بود که جهان ما در آن متولد شده و زندگی کاملی دارد. در گزارش خود «نفس کائنات. اولین سفرما سعی کردیم ساختار کیهان و فرآیندهایی را که در آن رخ می دهد، درک کنیم.

با درک اینکه سفر دوم نیز آسان نخواهد بود و به میلیاردها تریلیون بار نیاز دارد تا مقیاس فضایی را که در آن باید جهان اطراف خود را مطالعه کنم، نیاز دارد، شروع به آماده شدن برای نفوذ نه تنها به ساختار یک اتم کردم. یا مولکول، بلکه در اعماق الکترون و پروتون، نوترون و فوتون، و در حجم میلیون ها بار کوچکتر از حجم این ذرات. این امر مستلزم آموزش خاص، دانش جدید و تجهیزات پیشرفته بود.

سفر پیش رو شامل شروع از همان ابتدای خلقت جهان ما بود و این آغاز خطرناک ترین و با غیرقابل پیش بینی ترین نتیجه بود. اما این بستگی به اکتشاف ما داشت که آیا راهی برای خروج از وضعیت کنونی در علم عالم صغیر پیدا کنیم یا بر روی پل طناب لرزان انرژی هسته‌ای مدرن در تعادل باقی بمانیم و هر ثانیه حیات و موجودیت تمدن را بر روی زمین بگذاریم. سیاره در خطر مرگبار

موضوع این است که برای دانستن نتایج اولیه تحقیقات خود، لازم بود به سیاهچاله کیهان برسیم و با غفلت از حس حفظ خود، به جهنم سوزان تونل جهانی بشتابیم. فقط در آنجا، در شرایط دماهای فوق العاده بالا و فشار فوق العاده، با دقت در جریان های چرخش سریع ذرات مادی، می توانیم ببینیم که چگونه نابودی ذرات و پادذرات رخ می دهد و چگونه جد بزرگ و قدرتمند همه چیز - اتر - دوباره متولد می شود. تمام فرآیندهای در حال وقوع، از جمله تشکیل ذرات، اتم ها و مولکول ها را درک کند.

باور کنید، جسارت‌های زیادی روی زمین وجود ندارند که بتوانند این کار را انجام دهند. علاوه بر این، نتیجه توسط کسی تضمین نمی شود و هیچ کس حاضر نیست مسئولیت نتیجه موفقیت آمیز این سفر را بپذیرد. در طول وجود تمدن، هیچ کس حتی از سیاهچاله کهکشان بازدید نکرده است، اما اینجا - کائنات!همه چیز اینجا بزرگ شده، باشکوه و مقیاس کیهانی است. اینجا شوخی نیست در اینجا، در یک لحظه، آنها می توانند بدن انسان را به یک لخته انرژی گرم میکروسکوپی تبدیل کنند یا بدون حق بازسازی و اتحاد مجدد، آن را در گستره های سرد بی پایان فضا پراکنده کنند. این جهان هستی است! عظیم و باشکوه، سرد و گرم، بی پایان و مرموز...

بنابراین، با دعوت از همه برای پیوستن به اکسپدیشن ما، باید هشدار دهم که اگر کسی شک دارد، برای امتناع دیر نیست. هر دلیلی پذیرفته میشود ما از بزرگی خطر کاملا آگاه هستیم، اما آماده ایم که شجاعانه به هر قیمتی با آن مقابله کنیم! ما برای شیرجه زدن به اعماق کیهان آماده می شویم.

واضح است که محافظت از خود و زنده ماندن در حین فرو رفتن در یک تونل جهانی داغ پر از انفجارهای قدرتمند و واکنش های هسته ای کار آسانی نیست و تجهیزات ما باید مطابق با شرایطی باشد که باید در آن کار کنیم. بنابراین، تهیه بهترین تجهیزات و بررسی دقیق تجهیزات برای همه شرکت کنندگان در این سفر خطرناک ضروری است.

اول از همه، در سفر دوم خود، زمانی که در حال کار بر روی گزارش اکسپدیشن خود بودیم، آنچه را که به ما امکان داد بر روی یک مسیر بسیار دشوار در سراسر جهان غلبه کنیم، خواهیم داشت. «نفس کائنات. سفر اول."البته که هست قوانین جهان. بدون استفاده از آنها، اولین سفر ما به سختی می توانست با موفقیت به پایان برسد. این قوانین بود که امکان یافتن مسیر درست را در میان انباشت پدیده های نامفهوم و نتیجه گیری های مشکوک محققان برای توضیح آنها فراهم کرد.

اگر یادت باشه، قانون تعادل اضداد،از پیش تعیین اینکه در جهان هر تجلی از واقعیت، هر سیستمی جوهره مخالف خود را دارد و با آن در تعادل است یا می کوشد، به ما امکان می دهد که علاوه بر انرژی معمولی، حضور تاریکی را نیز در دنیای اطراف خود درک و بپذیریم. انرژی، و همچنین، علاوه بر ماده معمولی، ماده تاریک. قانون تعادل اضداد این امکان را فراهم می کند که فرض کنیم جهان نه تنها از اتر تشکیل شده است، بلکه اتر نیز از دو نوع آن تشکیل شده است - مثبت و منفی.

قانون اتصال متقابل جهانیکه دلالت بر یک ارتباط پایدار و مکرر بین تمام اشیاء، فرآیندها و سیستم‌ها در کیهان دارد، صرف نظر از مقیاس آنها، و قانون سلسله مراتببا مرتب کردن سطوح هر سیستمی در جهان از پایین ترین به بالاترین، ساختن یک "نردبان موجودات" منطقی از اتر، ذرات، اتم ها، مواد، ستارگان و کهکشان ها به کیهان امکان پذیر شد. و سپس، راه‌هایی برای تبدیل تعداد فوق‌العاده عظیمی از کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات و دیگر اجرام مادی، ابتدا به ذرات، و سپس به جریان‌های اتر داغ پیدا کنید.

ما تأیید این دیدگاه ها را در عمل یافتیم. قانون توسعه، که حرکت تکاملی را در تمام حوزه های جهان اطراف ما تعیین می کند. از طریق تجزیه و تحلیل عملکرد این قوانین، به توصیفی از شکل و درک ساختار جهان رسیدیم، تکامل کهکشان ها را آموختیم و مکانیسم های تشکیل ذرات و اتم ها، ستارگان و سیارات را دیدیم. برای ما کاملاً روشن شد که چگونه بزرگ از کوچک و کوچک از بزرگ تشکیل می شود.

فقط درک قانون تداوم حرکت، که ضرورت عینی روند حرکت ثابت در فضا را برای همه اجرام و منظومه ها بدون استثنا تفسیر می کند، به ما امکان داد تا چرخش هسته کیهان و کهکشان ها را در اطراف تونل جهانی درک کنیم.

قوانین ساختار جهان به نوعی نقشه سفر ما بود که به ما کمک می کرد در مسیر حرکت کنیم و بر سخت ترین بخش ها و موانع آن در مسیر شناخت جهان غلبه کنیم. بنابراین، قوانین ساختار جهان مهمترین ویژگی تجهیزات ما در این سفر به اعماق کیهان خواهد بود.

دومین شرط مهم برای موفقیت در نفوذ به اعماق کیهان البته این خواهد بود. نتایج تجربیدانشمندانی که آنها بیش از صد سال انجام دادند و همه ذخیره دانش و اطلاعات در مورد پدیده ها دنیای خردانباشته شده توسط علم مدرن در اولین سفرمان متقاعد شدیم که بسیاری از پدیده های طبیعی را می توان به روش های مختلف تفسیر کرد و نتایج کاملاً متضادی گرفت.

نتیجه گیری های نادرست که توسط فرمول های ریاضی دست و پا گیر پشتیبانی می شود، به عنوان یک قاعده، علم را به بن بست می کشاند و توسعه لازم را فراهم نمی کند. آنها پایه و اساس تفکر اشتباه بیشتر را می گذارند، که به نوبه خود، موقعیت های نظری نظریه های اشتباه در حال توسعه را شکل می دهد. این در مورد فرمول نیست. فرمول ها می توانند کاملاً صحیح باشند. اما تصمیمات محققان در مورد چگونگی و مسیر پیشرفت ممکن است کاملاً صحیح نباشد.

این وضعیت را می توان با میل به رسیدن از پاریس به فرودگاهی که به نام شارل دوگل در امتداد دو جاده است مقایسه کرد. اولی کوتاه ترین است که می تواند بیش از نیم ساعت طول بکشد، فقط با استفاده از یک ماشین، و دومی دقیقاً برعکس، در سراسر جهان با ماشین، کشتی، تجهیزات ویژه، قایق، سورتمه سگ در سراسر فرانسه، اقیانوس اطلس، آمریکای جنوبی، قطب جنوب، اقیانوس آرام، قطب شمال و در نهایت از طریق شمال شرق فرانسه مستقیما به فرودگاه. هر دو راه ما را از یک نقطه به یک مکان هدایت می کنند. اما در چه زمانی و با چه تلاشی؟ بله، و حفظ دقت و رسیدن به مقصد در طول یک سفر طولانی و دشوار بسیار مشکل ساز است. بنابراین، نه تنها روند حرکت، بلکه انتخاب مسیر صحیح نیز مهم است.

در سفرمان، درست مانند سفر اول، سعی خواهیم کرد نگاهی متفاوت به نتایجی که در مورد جهان خرد قبلاً توسط کل دنیای علمی انجام شده و پذیرفته شده است، داشته باشیم. اول از همه، در رابطه با دانش به دست آمده از مطالعه ذرات بنیادی، واکنش های هسته ای و فعل و انفعالات موجود. کاملاً ممکن است که در نتیجه غوطه ور شدن ما در اعماق کیهان، الکترون نه به عنوان یک ذره بدون ساختار، بلکه به عنوان یک جسم پیچیده تر از جهان خرد در برابر ما ظاهر شود و هسته اتم تنوع آن را آشکار کند. ساختار، زندگی غیر معمول و فعال خود را دارد.

فراموش نکنیم که منطق را با خودمان ببریم. او به ما اجازه داد تا در سخت ترین مکان های آخرین سفرمان راه خود را پیدا کنیم. منطق هانوعی قطب نما بود که جهت مسیر درست را هنگام سفر در وسعت کیهان نشان می داد. واضح است که حتی اکنون نیز نمی توانیم بدون آن کار کنیم.

با این حال، منطق به تنهایی به وضوح کافی نخواهد بود. در این سفر ما نمی توانیم بدون شهود انجام دهیم. بینشبه ما امکان می دهد چیزی را پیدا کنیم که هنوز حتی نمی توانیم در مورد آن حدس بزنیم و هیچ کس قبل از ما به دنبال چیزی نبوده است. این شهود است که دستیار فوق‌العاده ماست که به صدای او با دقت گوش خواهیم داد. شهود ما را مجبور می کند بدون توجه به باران و سرما، برف و یخبندان، بدون امید استوار و اطلاعات روشن حرکت کنیم، اما دقیقاً همین است که به ما امکان می دهد برخلاف تمام قوانین و دستورالعمل هایی که همه بشریت به آن توجه کرده است، به هدف خود برسیم. از مدرسه عادت کرده

بالاخره بدون تخیل لجام گسیخته به جایی نمی رسیم. خیال پردازی- این ابزار دانشی است که ما نیاز داریم، که به ما امکان می دهد، بدون مدرن ترین میکروسکوپ ها، آنچه را که بسیار کوچکتر از کوچکترین ذرات کشف شده یا فقط توسط محققان فرض شده است، ببینیم. تخیل تمام فرآیندهایی را که در یک سیاهچاله و در تونل جهانی اتفاق می‌افتد به ما نشان می‌دهد، مکانیسم‌هایی را برای ظهور نیروهای گرانشی در طول تشکیل ذرات و اتم‌ها فراهم می‌کند، ما را از طریق گالری‌های هسته اتم راهنمایی می‌کند و به ما می‌دهد. فرصتی برای انجام یک پرواز جذاب بر روی یک الکترون در حال چرخش سبک به دور یک گروه جامد، اما ناشیانه از پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم.

متأسفانه، ما نمی‌توانیم در این سفر به اعماق کیهان چیز دیگری ببریم - فضای بسیار کمی وجود دارد و ما باید خود را حتی به ضروری‌ترین چیزها محدود کنیم. اما این نمی تواند ما را متوقف کند! هدف برای ما روشن است! اعماق کیهان در انتظار ماست!

دکترای علوم فیزیک و ریاضی M. KAGANOV.

مجله «علم و زندگی» طبق یک سنت دیرینه درباره آخرین دستاوردهای علم مدرن، آخرین اکتشافات در زمینه فیزیک، زیست شناسی و پزشکی صحبت می کند. اما برای اینکه بفهمیم چقدر مهم و جالب هستند، لازم است حداقل یک درک کلی از مبانی علم داشته باشیم. فیزیک مدرن به سرعت در حال توسعه است و افراد نسل قدیمی، کسانی که 30-40 سال پیش در مدرسه و کالج تحصیل می کردند، با بسیاری از مفاد آن ناآشنا هستند: آنها به سادگی در آن زمان وجود نداشتند. و خوانندگان جوان ما هنوز وقت نکرده اند در مورد آنها بیاموزند: ادبیات علمی عامه پسند عملاً منتشر نشده است. بنابراین، ما از نویسنده قدیمی مجله M.I. Kaganov خواستیم تا در مورد اتم ها و ذرات بنیادی و قوانین حاکم بر آنها صحبت کند، در مورد اینکه ماده چیست. موسی ایزاکوویچ کاگانف، فیزیکدان نظری، نویسنده و نویسنده چند صد اثر در مورد نظریه کوانتومی جامدات، نظریه فلزات و مغناطیس است. او یکی از کارکنان برجسته مؤسسه مشکلات جسمی به نام بود. P. L. Kapitsa و استاد دانشگاه دولتی مسکو. M. V. Lomonosov، عضو هیئت تحریریه مجلات "Nature" و "Quantum". نویسنده بسیاری از مقالات و کتاب های علمی رایج. اکنون در بوستون (ایالات متحده آمریکا) زندگی می کند.

علم و زندگی // تصاویر

فیلسوف یونانی دموکریتوس اولین کسی بود که کلمه "اتم" را به کار برد. بر اساس آموزه های او، اتم ها تقسیم ناپذیر، تخریب ناپذیر و در حرکت دائمی هستند. آنها بی نهایت متنوع هستند، دارای فرورفتگی ها و تحدب هایی هستند که با آنها در هم تنیده می شوند و تمام اجسام مادی را تشکیل می دهند.

جدول 1. مهمترین ویژگی های الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها.

اتم دوتریوم

فیزیکدان انگلیسی ارنست رادرفورد به حق بنیانگذار فیزیک هسته ای، دکترین رادیواکتیویته و نظریه ساختار اتمی در نظر گرفته می شود.

در عکس: سطح یک کریستال تنگستن، 10 میلیون بار بزرگنمایی شده است. هر نقطه روشن اتم مجزای آن است.

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

ماکس پلانک در سال 1900 با کار بر روی ایجاد نظریه تابش، به این نتیجه رسید که اتم های ماده گرم شده باید نور را در بخش هایی، کوانتومی، دارای بعد عمل (J.s) و انرژی متناسب با فرکانس تابش ساطع کنند: E = hn. .

در سال 1923، لویی دو بروگل ایده اینشتین را در مورد ماهیت دوگانه نور - دوگانگی موج - ذره - به ماده منتقل کرد: حرکت یک ذره با انتشار یک موج بی نهایت مطابقت دارد.

آزمایشات پراش به طور قانع کننده ای نظریه دو بروگلی را تایید کرد که بیان می کرد حرکت هر ذره با موجی همراه است که طول و سرعت آن به جرم و انرژی ذره بستگی دارد.

علم و زندگی // تصاویر

یک بازیکن باتجربه بیلیارد همیشه می داند که توپ ها پس از ضربه زدن چگونه غلت می خورند و به راحتی آنها را به جیب می برند. با ذرات اتمی بسیار دشوارتر است. تعیین مسیر حرکت یک الکترون در حال پرواز غیرممکن است: این الکترون نه تنها یک ذره، بلکه یک موج است که در فضا بی نهایت است.

در شب که هیچ ابری در آسمان نیست، ماه دیده نمی شود و هیچ نوری در راه نیست، آسمان پر از ستاره های درخشان می شود. لازم نیست به دنبال صورت های فلکی آشنا بگردید یا برای یافتن سیارات نزدیک به زمین تلاش کنید. فقط تماشا کن! سعی کنید فضای عظیمی را تصور کنید که پر از دنیاست و میلیاردها میلیارد سال نوری امتداد دارد. فقط به دلیل دوری است که دنیاها نقاطی به نظر می رسند و بسیاری از آنها آنقدر دور هستند که به صورت جداگانه قابل تشخیص نیستند و در سحابی ها ادغام می شوند. به نظر می رسد که ما در مرکز جهان هستیم. اکنون می دانیم که این درست نیست. رد ژئوسنتریزم یک شایستگی بزرگ علم است. تلاش زیادی لازم بود تا متوجه شویم که زمین کوچک در یک منطقه تصادفی و به ظاهر نامشخص از فضای وسیع (به معنای واقعی کلمه!) حرکت می کند.

اما حیات در زمین آغاز شد. به قدری موفقیت آمیز توسعه یافت که توانست فردی را تولید کند که بتواند دنیای اطراف خود را درک کند، قوانین حاکم بر طبیعت را جستجو و بیابد. دستاوردهای بشر در درک قوانین طبیعت آنقدر چشمگیر است که ناخواسته از تعلق داشتن به این خرده هوش که در حاشیه یک کهکشان معمولی گم شده است احساس غرور می کنید.

با توجه به تنوع هر چیزی که ما را احاطه کرده است، وجود قوانین کلی شگفت انگیز است. کمتر شگفت انگیز نیست همه چیز فقط از سه نوع ذره ساخته شده است - الکترون، پروتون و نوترون.

به منظور استنتاج قابل مشاهده ها و پیش بینی خواص جدید مواد و اجسام مختلف، با استفاده از قوانین اساسی طبیعت، نظریه های ریاضی پیچیده ای ایجاد شده است که درک آنها اصلاً آسان نیست. اما خطوط تصویر علمی جهان را می توان بدون توسل به نظریه سختگیرانه درک کرد. طبیعتا این نیاز به میل دارد. اما نه تنها این: حتی آشنایی اولیه نیاز به کار دارد. ما باید سعی کنیم حقایق جدید را درک کنیم، پدیده های ناآشنا که در نگاه اول با تجربه موجود موافق نیستند.

دستاوردهای علم اغلب منجر به این ایده می شود که "هیچ چیز برای آن مقدس نیست": آنچه دیروز درست بود امروز کنار گذاشته می شود. با دانش درک می شود که علم با چه احترامی با هر دانه تجربه انباشته شده رفتار می کند، با چه احتیاط به جلو حرکت می کند، به ویژه در مواردی که لازم است ایده های ریشه دار را کنار بگذاریم.

هدف از این داستان معرفی ویژگی های اساسی ساختار مواد معدنی است. با وجود تنوع بی پایان، ساختار آنها نسبتا ساده است. به خصوص اگر آنها را با هر یک، حتی ساده ترین موجود زنده مقایسه کنید. اما یک چیز مشترک نیز وجود دارد: همه موجودات زنده، مانند مواد معدنی، از الکترون، پروتون و نوترون ساخته شده اند.

درک بی نهایت غیرممکن است: برای معرفی، حداقل به صورت کلی، ساختار موجودات زنده، به داستان خاصی نیاز است.

معرفی

تنوع چیزها، اشیاء - هر چیزی که ما استفاده می کنیم، که ما را احاطه کرده است، بسیار زیاد است. نه تنها با هدف و طراحی آنها، بلکه با مواد مورد استفاده برای ایجاد آنها - موادی که می گویند، زمانی که نیازی به تأکید بر عملکرد آنها نیست.

مواد و مواد جامد به نظر می رسند و حس لامسه آنچه را که چشم می بیند تایید می کند. به نظر می رسد که هیچ استثنایی وجود ندارد. آب جاری و فلز جامد، که بسیار متفاوت از یکدیگر هستند، در یک چیز شبیه هم هستند: هم فلز و هم آب جامد هستند. درست است، می توانید نمک یا شکر را در آب حل کنید. آنها برای خود جایی در آب پیدا می کنند. بله، و می توانید یک میخ را به یک بدنه جامد، به عنوان مثال، به یک تخته چوبی بکوبید. با تلاش قابل توجه می توانید به این نتیجه برسید که مکانی که توسط درخت اشغال شده است توسط یک میخ آهنی اشغال شود.

ما خوب می دانیم: می توانید یک قطعه کوچک را از یک بدنه جامد جدا کنید، می توانید تقریباً هر ماده ای را آسیاب کنید. گاهی اوقات دشوار است، گاهی اوقات خود به خود و بدون مشارکت ما اتفاق می افتد. بیایید خودمان را در ساحل، روی شن ها تصور کنیم. ما درک می کنیم: یک دانه شن از کوچکترین ذره ماده ای که ماسه از آن تشکیل شده است فاصله دارد. اگر سعی کنید، می توانید دانه های شن را کاهش دهید، مثلاً با عبور دادن آنها از طریق غلتک ها - از طریق دو سیلندر ساخته شده از فلز بسیار سخت. هنگامی که بین غلتک ها قرار می گیرند، دانه های ماسه به قطعات کوچکتر خرد می شوند. اساساً آرد از غلات در آسیاب ها به این صورت است.

اکنون که اتم به طور محکم وارد ادراک ما از جهان شده است، تصور اینکه مردم ندانند که آیا فرآیند خرد کردن محدود است یا این ماده را می توان به طور نامحدود خرد کرد بسیار دشوار است.

معلوم نیست اولین بار چه زمانی مردم این سوال را از خود پرسیدند. اولین بار در نوشته های فیلسوفان یونان باستان ثبت شد. برخی از آنها معتقد بودند که هر چقدر هم که یک ماده کوچک باشد، می توان آن را به قطعات کوچکتر تقسیم کرد - هیچ محدودیتی وجود ندارد. دیگران این عقیده را بیان کردند که ذرات ریز تقسیم ناپذیری وجود دارند که همه چیز از آنها تشکیل شده است. برای تأکید بر اینکه این ذرات حد تکه تکه شدن هستند، آنها را اتم نامیدند (در یونان باستان کلمه «اتم» به معنی تقسیم ناپذیر است).

لازم است از کسانی که برای اولین بار ایده وجود اتم را مطرح کردند نام ببریم. اینها دموکریتوس (متولد حدود 460 یا 470 قبل از میلاد، درگذشت در سن بسیار بالا) و اپیکور (341-270 قبل از میلاد) هستند. بنابراین، علم اتمی تقریباً 2500 سال قدمت دارد. مفهوم اتم بلافاصله توسط همه پذیرفته نشد. حتی در حدود 150 سال پیش، افراد کمی وجود داشتند که به وجود اتم ها اطمینان داشته باشند، حتی در میان دانشمندان.

واقعیت این است که اتم ها بسیار کوچک هستند. آنها را نمی توان نه تنها با چشم غیر مسلح، بلکه به عنوان مثال، با میکروسکوپی که 1000 برابر بزرگ می کند، مشاهده کرد. بیایید در مورد آن فکر کنیم: اندازه کوچکترین ذراتی که می توان دید چقدر است؟ بینایی افراد مختلف متفاوت است، اما احتمالاً همه موافقند که دیدن ذره ای کوچکتر از 0.1 میلی متر غیرممکن است. بنابراین، اگر از میکروسکوپ استفاده می‌کنید، می‌توانید، اگرچه به سختی، ذراتی به اندازه 0.0001 میلی‌متر یا 10-7 متر را ببینید. با مقایسه اندازه اتم ها و فواصل بین اتمی (10-10 متر) با طولی که به عنوان حد توانایی دیدن پذیرفته ایم، متوجه می شویم که چرا هر ماده ای برای ما جامد به نظر می رسد.

2500 سال زمان بزرگی است. مهم نیست در دنیا چه اتفاقی می افتد، همیشه افرادی بودند که سعی می کردند به این سوال پاسخ دهند که دنیای اطراف آنها چگونه کار می کند. در برخی مواقع، مشکلات ساختار جهان بیشتر نگران کننده بود، در برخی دیگر - کمتر. تولد علم به معنای امروزی آن نسبتاً اخیراً رخ داده است. دانشمندان یاد گرفته‌اند که آزمایش‌هایی را انجام دهند - سؤالات طبیعت بپرسند و پاسخ‌های آن را بفهمند، نظریه‌هایی ایجاد کنند که نتایج آزمایش‌ها را توصیف کند. نظریه ها برای رسیدن به نتایج قابل اعتماد به روش های ریاضی دقیق نیاز داشتند. علم راه درازی را پیموده است. در این مسیر که برای فیزیک حدود 400 سال پیش با کار گالیله گالیله (1564-1642) آغاز شد، اطلاعات بی نهایتی در مورد ساختار ماده و خواص اجسام با طبیعت های مختلف به دست آمده است، تعداد بی نهایتی پدیده های مختلفی کشف و درک شده است.

بشریت نه تنها آموخته است که طبیعت را غیر فعالانه درک کند، بلکه از آن برای اهداف خود نیز استفاده کند.

ما تاریخ توسعه مفاهیم اتمی را در 2500 سال و تاریخ فیزیک 400 سال گذشته را در نظر نخواهیم گرفت. وظیفه ما این است که به طور مختصر و واضح در مورد آنچه و چگونه همه چیز ساخته شده است بگوییم - اشیاء اطراف ما، بدن ها و خودمان.

همانطور که قبلا ذکر شد، تمام مواد از الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. من از دوران مدرسه در مورد این موضوع می دانستم، اما هرگز تعجب من را متوقف نمی کند که همه چیز فقط از سه نوع ذرات ساخته شده است! اما جهان بسیار متنوع است! علاوه بر این، وسایلی که طبیعت برای انجام ساخت و ساز استفاده می کند نیز کاملاً یکنواخت است.

توصیف مداوم چگونگی ساخت انواع مختلف مواد یک علم پیچیده است. او از ریاضیات جدی استفاده می کند. باید تاکید کرد که هیچ نظریه ساده دیگری وجود ندارد. اما اصول فیزیکی زیربنای درک ساختار و ویژگی‌های مواد، اگرچه بی‌اهمیت هستند و تصور آنها دشوار است، اما هنوز می‌توان آنها را درک کرد. با داستان خود ما سعی خواهیم کرد به همه کسانی که به ساختار دنیایی که در آن زندگی می کنیم علاقه مند هستند کمک کنیم.

روش قطعات، یا تقسیم و درک

به نظر می رسد طبیعی ترین راه برای درک نحوه عملکرد یک دستگاه پیچیده خاص (اسباب بازی یا مکانیزم) جدا کردن آن و تجزیه آن به اجزای سازنده آن است. فقط باید بسیار مراقب باشید، به یاد داشته باشید که تا کردن بسیار دشوارتر خواهد بود. حکمت عامیانه می گوید: «شکستن ساختن نیست». و یک چیز دیگر: ممکن است بفهمیم دستگاه از چه چیزی تشکیل شده است، اما بعید است که بفهمیم چگونه کار می کند. گاهی اوقات باید یک پیچ را باز کنید، و تمام - دستگاه کار نمی کند. لازم نیست آنقدر از هم جدا شود که بفهمد.

از آنجایی که ما در مورد تجزیه واقعی همه اشیاء، اشیاء، موجودات اطراف خود صحبت نمی کنیم، بلکه در مورد تخیلی، یعنی در مورد ذهنی، و نه در مورد تجربه واقعی صحبت می کنیم، پس لازم نیست نگران باشید: شما اینطور نیست. باید جمع آوری کنند. علاوه بر این، بیایید در تلاش خود کوتاهی نکنیم. بیایید به این فکر نکنیم که تجزیه دستگاه به اجزای آن دشوار است یا آسان. یه لحظه. از کجا بفهمیم به حد مجاز رسیده ایم؟ شاید با تلاش بیشتر بتوانیم جلوتر برویم؟ بیایید به خود اعتراف کنیم: نمی دانیم به حد مجاز رسیده ایم یا نه. ما باید از نظر عمومی پذیرفته شده استفاده کنیم و متوجه شویم که این استدلال چندان قابل اعتمادی نیست. اما اگر به یاد داشته باشید که این فقط یک نظر عمومی پذیرفته شده است و حقیقت نهایی نیست، پس خطر کوچک است.

اکنون به طور کلی پذیرفته شده است که قطعاتی که همه چیز از آنها ساخته شده است، ذرات بنیادی هستند. و این همه اش نیست. با نگاهی به کتاب مرجع مربوطه، متقاعد خواهیم شد: بیش از سیصد ذره بنیادی وجود دارد. فراوانی ذرات بنیادی ما را بر آن داشت تا درباره امکان وجود ذرات زیربنایی فکر کنیم - ذراتی که خود ذرات بنیادی را تشکیل می دهند. اینگونه بود که ایده کوارک ها شکل گرفت. آنها دارای خاصیت شگفت انگیزی هستند که ظاهراً در حالت آزاد وجود ندارند. کوارک های بسیار زیادی وجود دارد - شش، و هر کدام پادذره خاص خود را دارند. شاید سفر به اعماق ماده تمام نشده باشد.

برای داستان ما، فراوانی ذرات بنیادی و وجود ذرات زیربنایی اهمیتی ندارد. الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها به طور مستقیم در ساخت مواد نقش دارند - همه چیز فقط از آنها ساخته شده است.

قبل از بحث درباره خواص ذرات واقعی، بیایید به این فکر کنیم که دوست داریم قطعاتی را ببینیم که همه چیز از آنها ساخته شده است. وقتی صحبت از آنچه می خواهیم ببینیم به میان می آید، البته باید تنوع دیدگاه ها را در نظر بگیریم. بیایید چند ویژگی را انتخاب کنیم که اجباری به نظر می رسند.

اولاً، ذرات بنیادی باید توانایی ترکیب شدن در ساختارهای مختلف را داشته باشند.

ثانیاً، من می خواهم فکر کنم که ذرات بنیادی تخریب ناپذیر هستند. با دانستن تاریخچه طولانی جهان، تصور اینکه ذرات آن فانی هستند دشوار است.

ثالثاً من دوست دارم جزئیات زیادی وجود نداشته باشد. با نگاهی به بلوک های ساختمانی، می بینیم که چگونه بسیاری از ساختارهای مختلف را می توان از عناصر مشابه ایجاد کرد.

با آشنایی با الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها، خواهیم دید که خواص آنها با خواسته‌های ما منافات ندارد و میل به سادگی بدون شک با این واقعیت مطابقت دارد که فقط سه نوع ذره بنیادی در ساختار همه مواد شرکت می‌کنند.

الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها

اجازه دهید مهم ترین ویژگی های الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها را ارائه کنیم. آنها در جدول 1 جمع آوری شده اند.

مقدار بار بر حسب کولن و جرم بر حسب کیلوگرم (واحد SI) داده می شود. در ادامه کلمات اسپین و آمار توضیح داده خواهد شد.

بیایید به تفاوت جرم ذرات توجه کنیم: پروتون ها و نوترون ها تقریباً 2000 بار سنگین تر از الکترون ها هستند. در نتیجه، جرم هر جسم تقریباً به طور کامل توسط جرم پروتون ها و نوترون ها تعیین می شود.

نوترون، همانطور که از نامش پیداست، خنثی است - بار آن صفر است. و یک پروتون و یک الکترون بارهایی به بزرگی یکسان دارند، اما علامت مخالف دارند. یک الکترون دارای بار منفی و یک پروتون دارای بار مثبت است.

در میان ویژگی های ذرات، هیچ مشخصه به ظاهر مهمی وجود ندارد - اندازه آنها. توصیف ساختار اتم ها و مولکول ها، الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها را می توان نقاط مادی در نظر گرفت. اندازه پروتون و نوترون فقط هنگام توصیف هسته اتم باید به خاطر بسپارید. حتی در مقایسه با اندازه اتم ها، پروتون ها و نوترون ها بسیار کوچک هستند (در حدود 10-16 متر).

اساساً، این بخش کوتاه به معرفی الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها به‌عنوان بلوک‌های سازنده همه اجسام در طبیعت خلاصه می‌شود. ما به سادگی می‌توانیم خودمان را به جدول 1 محدود کنیم، اما باید بفهمیم که الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها چگونه هستند ساخت و ساز انجام می شود، چه چیزی باعث می شود ذرات به ساختارهای پیچیده تر ترکیب شوند و این ساختارها چیست.

اتم ساده ترین سازه های پیچیده است

اتم های زیادی وجود دارد. معلوم شد که چیدمان آنها به شیوه ای خاص ضروری و امکان پذیر است. مرتب سازی این امکان را فراهم می کند که بر تفاوت ها و شباهت های اتم ها تأکید شود. آرایش معقول اتم ها شایستگی D.I. Mendeleev (1834-1907) است که قانون تناوبی را که نام خود را دارد، تدوین کرد. اگر به طور موقت وجود دوره ها را نادیده بگیریم، اصل چینش عناصر بسیار ساده است: آنها به ترتیب بر اساس وزن اتم ها مرتب می شوند. سبک ترین اتم هیدروژن است. آخرین اتم طبیعی (به طور مصنوعی ایجاد نشده) اتم اورانیوم است که بیش از 200 برابر سنگین تر است.

درک ساختار اتم ها وجود تناوب در خواص عناصر را توضیح داد.

در همان آغاز قرن بیستم، ای رادرفورد (1871-1937) به طور قانع کننده ای نشان داد که تقریباً کل جرم یک اتم در هسته آن متمرکز است - یک ناحیه کوچک (حتی در مقایسه با یک اتم) از فضا: شعاع اتم هسته تقریباً 100 هزار بار کوچکتر از اندازه اتم است. وقتی رادرفورد آزمایش های خود را انجام داد، نوترون هنوز کشف نشده بود. با کشف نوترون مشخص شد که هسته ها از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند و طبیعی است که اتم را هسته ای محصور در الکترون ها بدانیم که تعداد آنها برابر با تعداد پروتون های هسته است - پس از آن. همه، اتم به عنوان یک کل خنثی است. پروتون ها و نوترون ها به عنوان مواد سازنده هسته، نام مشترکی دریافت کردند - نوکلئون (از لاتین هسته -هسته). این نامی است که ما استفاده خواهیم کرد.

تعداد نوکلئون های یک هسته معمولا با حرف نشان داده می شود آ. واضح است که A = N + Z، جایی که نتعداد نوترون های هسته است و ز- تعداد پروتون ها برابر با تعداد الکترون های یک اتم است. عدد آجرم اتمی نامیده می شود و ز-عدد اتمی. اتم هایی با اعداد اتمی یکسان ایزوتوپ نامیده می شوند: در جدول تناوبی آنها در یک سلول قرار دارند (به یونانی) isos -برابر ، توپوس -محل). واقعیت این است که خواص شیمیایی ایزوتوپ ها تقریباً یکسان است. اگر جدول تناوبی را به دقت بررسی کنید، می توانید متقاعد شوید که به طور دقیق، آرایش عناصر با جرم اتمی مطابقت ندارد، بلکه با عدد اتمی مطابقت دارد. اگر حدود 100 عنصر وجود داشته باشد، پس بیش از 2000 ایزوتوپ وجود دارد. درست است، بسیاری از آنها ناپایدار هستند، یعنی رادیواکتیو (از لاتین رادیو- من تشعشع می کنم، فعال- فعال)، آنها پوسیده می شوند و تشعشعات مختلفی را ساطع می کنند.

آزمایشات رادرفورد نه تنها منجر به کشف هسته های اتمی شد، بلکه نشان داد که همان نیروهای الکترواستاتیکی در اتم عمل می کنند که اجسام دارای بار مشابه را از یکدیگر دفع می کنند و اجسام با بار متفاوت را به یکدیگر جذب می کنند (مثلاً توپ های الکتروسکوپ).

اتم پایدار است. در نتیجه، الکترون‌های یک اتم در اطراف هسته حرکت می‌کنند: نیروی گریز از مرکز نیروی جاذبه را جبران می‌کند. درک این موضوع منجر به ایجاد یک مدل سیاره‌ای از اتم شد که در آن هسته خورشید و الکترون‌ها سیارات هستند (از دیدگاه فیزیک کلاسیک، مدل سیاره‌ای ناسازگار است، اما بیشتر در مورد آنچه در زیر آمده است).

روش های مختلفی برای تخمین اندازه اتم وجود دارد. برآوردهای مختلف منجر به نتایج مشابهی می شود: البته اندازه اتم ها متفاوت است، اما تقریباً برابر با چند دهم نانومتر (1 نانومتر = 10-9 متر) است.

اجازه دهید ابتدا سیستم الکترون های یک اتم را در نظر بگیریم.

در منظومه شمسی، سیارات توسط گرانش به خورشید جذب می شوند. یک نیروی الکترواستاتیک در اتم عمل می کند. اغلب به افتخار چارلز آگوستین کولمب (1736-1806) کولمب نامیده می شود، که ثابت کرد نیروی برهمکنش بین دو بار با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. این واقعیت که دو اتهام س 1 و س 2 جذب یا دفع با نیرویی برابر افسی = س 1 س 2 /r 2 ، جایی که r- فاصله بین بارها "قانون کولن" نامیده می شود. فهرست مطالب " با"به زور اختصاص داده شده است افبا حرف اول نام خانوادگی کولن (به فرانسوی کولمب). در میان متنوع‌ترین گزاره‌ها، تعداد کمی وجود دارند که به درستی قانون کولن نامیده می‌شوند: هر چه باشد، دامنه کاربرد آن عملاً نامحدود است. اجسام باردار، هر اندازه که باشند، و همچنین ذرات باردار اتمی و حتی زیر اتمی - همه آنها مطابق با قانون کولن جذب یا دفع می کنند.

کشفی در مورد گرانش

انسان در اوایل کودکی با جاذبه آشنا می شود. با سقوط، او یاد می گیرد که به نیروی گرانش به سمت زمین احترام بگذارد. آشنایی با حرکت شتابدار معمولاً با مطالعه سقوط آزاد اجسام - حرکت یک جسم تحت تأثیر گرانش - آغاز می شود.

بین دو جسم جرم م 1 و م 2 اعمال نیرو اف N=- جنرال موتورز 1 م 2 /r 2 . اینجا r- فاصله بین اجسام، G-ثابت گرانشی برابر با 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , شاخص "N" به افتخار نیوتن (1643 - 1727) داده شده است. این عبارت قانون جاذبه جهانی نامیده می شود و بر ماهیت جهانی آن تأکید می کند. زور افن حرکت کهکشان ها، اجرام آسمانی و سقوط اجرام به زمین را تعیین می کند. قانون گرانش جهانی در هر فاصله ای بین اجسام معتبر است. ما به تغییرات تصویر گرانش که نظریه نسبیت عام انیشتین (1955-1879) ارائه کرده است اشاره نمی کنیم.

هر دو نیروی الکترواستاتیک کولن و نیروی نیوتنی گرانش جهانی یکسان هستند (به عنوان 1/ r 2) با افزایش فاصله بین اجسام کاهش می یابد. این به شما امکان می دهد عملکرد هر دو نیرو را در هر فاصله بین بدن ها مقایسه کنید. اگر نیروی دافعه کولن دو پروتون از نظر قدر با نیروی جاذبه گرانشی آنها مقایسه شود، معلوم می شود که اف N/ اف C= 10 -36 (س 1 =س 2 = هپ ؛ م 1 = =م 2 =مترپ). بنابراین، گرانش هیچ نقش مهمی در ساختار اتم ندارد: در مقایسه با نیروی الکترواستاتیک بسیار کوچک است.

تشخیص بارهای الکتریکی و اندازه گیری فعل و انفعالات بین آنها کار دشواری نیست. اگر نیروی الکتریکی بسیار زیاد است، پس چرا وقتی مثلاً افتادن، پریدن، پرتاب توپ مهم نیست؟ زیرا در بیشتر موارد با بدنه های خنثی (بدون شارژ) سروکار داریم. همیشه تعداد زیادی ذرات باردار (الکترون ها، یون های علائم مختلف) در فضا وجود دارد. ذرات باردار تحت تأثیر یک نیروی الکتریکی جذاب عظیم (در مقیاس اتمی) که توسط یک جسم باردار ایجاد می شود، به سمت منبع خود می روند، به بدن می چسبند و بار آن را خنثی می کنند.

موج یا ذره؟ هم موج و هم ذره!

صحبت در مورد ذرات اتمی و حتی کوچکتر زیراتمی بسیار دشوار است، عمدتاً به این دلیل که خواص آنها در زندگی روزمره ما مشابهی ندارند. ممکن است فکر کنیم که فکر کردن به ذرات تشکیل دهنده چنین اتم های کوچکی به عنوان نقاط مادی راحت خواهد بود. اما معلوم شد که همه چیز بسیار پیچیده تر است.

یک ذره و یک موج... به نظر می رسد که حتی مقایسه کردن بی معنی است، آنها بسیار متفاوت هستند.

احتمالاً وقتی به یک موج فکر می کنید، اول از همه یک سطح دریای موج دار را تصور می کنید. امواج از دریای آزاد به ساحل می آیند؛ طول موج - فاصله بین دو تاج متوالی - می تواند متفاوت باشد. مشاهده امواجی با طول چند متر آسان است. در طول امواج، جرم آب به وضوح ارتعاش می کند. این موج منطقه قابل توجهی را در بر می گیرد.

موج از نظر زمان و مکان تناوبی است. طول موج ( λ ) معیار تناوب فضایی است. تناوب حرکت موج در زمان در فرکانس رسیدن قله های موج به ساحل قابل مشاهده است و مثلاً با نوسان شناور به سمت بالا و پایین می توان آن را تشخیص داد. بیایید دوره حرکت موج - زمانی که در طی آن یک موج می گذرد - با حرف نشان دهیم تی. متقابل دوره را بسامد ν می نامند = 1/ تی. ساده ترین امواج (هارمونیک) فرکانس مشخصی دارند که در طول زمان تغییر نمی کنند. هر حرکت موج پیچیده را می توان به عنوان مجموعه ای از امواج ساده نشان داد (به «علم و زندگی» شماره 11، 2001 مراجعه کنید). به بیان دقیق، یک موج ساده فضای بی نهایتی را اشغال می کند و برای مدت بی نهایت طولانی وجود دارد. یک ذره، همانطور که ما آن را تصور می کنیم، و یک موج کاملاً متفاوت هستند.

از زمان نیوتن، بحث در مورد ماهیت نور وجود داشته است. آنچه نور است مجموعه ای از ذرات است (corpuscles از لاتین جسم- بدن کوچک) یا امواج؟ نظریه ها برای مدت طولانی با هم رقابت کردند. نظریه موج پیروز شد: نظریه جسمی نمی تواند حقایق تجربی (تداخل و پراش نور) را توضیح دهد. تئوری موج به راحتی با انتشار مستطیلی پرتو نور مقابله کرد. نقش مهمی با این واقعیت داشت که طول امواج نور با توجه به مفاهیم روزمره بسیار کوچک است: محدوده طول موج نور مرئی از 380 تا 760 نانومتر است. امواج الکترومغناطیسی کوتاه تر، اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکس و گاما و بلندتر امواج مادون قرمز، میلی متر، سانتی متر و سایر امواج رادیویی هستند.

در پایان قرن نوزدهم، پیروزی نظریه موجی نور بر نظریه جسمی نهایی و غیرقابل برگشت به نظر می رسید. با این حال، قرن بیستم اصلاحات جدی انجام داد. مثل نور یا امواج یا ذرات به نظر می رسید. معلوم شد - هم امواج و هم ذرات. همانطور که می گویند برای ذرات نور، برای کوانتوم های آن، کلمه خاصی ابداع شد - "فوتون". کلمه کوانتوم از کلمه لاتین گرفته شده است کوانتومی- چند و "فوتون" - از کلمه یونانی عکس ها -سبک. کلماتی که نام ذرات را نشان می دهند در بیشتر موارد دارای پایان هستند او. با کمال تعجب، در برخی آزمایشات نور مانند امواج رفتار می کند، در حالی که در برخی دیگر مانند جریانی از ذرات رفتار می کند. به تدریج، امکان ساخت نظریه ای وجود داشت که پیش بینی کند نور در کدام آزمایش چگونه رفتار می کند. امروزه این نظریه توسط همه پذیرفته شده است؛ رفتار متفاوت نور دیگر جای تعجب ندارد.

اولین قدم ها همیشه سخت هستند. من باید بر خلاف عقیده ثابت شده در علم می رفتم و اظهاراتی می کردم که به نظر بدعت می آمد. دانشمندان واقعی واقعاً به نظریه ای که برای توصیف پدیده هایی که مشاهده می کنند استفاده می کنند اعتقاد دارند. رها کردن یک نظریه پذیرفته شده بسیار دشوار است. اولین قدم ها توسط ماکس پلانک (1858-1947) و آلبرت انیشتین (1879-1955) برداشته شد.

طبق گفته پلانک - انیشتین، نور در بخش های جداگانه، کوانتومی، ساطع شده و توسط ماده جذب می شود. انرژی حمل شده توسط فوتون متناسب با فرکانس آن است: E = ساعتν. عامل تناسب ساعتثابت پلانک به افتخار فیزیکدان آلمانی که آن را در سال 1900 وارد نظریه تابش کرد، نامیده می شود. و قبلاً در یک سوم اول قرن بیستم مشخص شد که ثابت پلانک یکی از مهم ترین ثابت های جهان است. طبیعتاً با دقت اندازه گیری شد: ساعت= 6.6260755.10 -34 J.s.

آیا کوانتوم نور زیاد است یا کم؟ فرکانس نور مرئی حدود 10 14 ثانیه -1 است. به یاد بیاورید: فرکانس و طول موج نور با رابطه ν = مرتبط هستند ج/λ، جایی که با= 299792458.10 10 متر بر ثانیه (دقیقا) - سرعت نور در خلاء. انرژی کوانتومی ساعتν، همانطور که به راحتی قابل مشاهده است، حدود 10-18 ژول است. با توجه به این انرژی، جرم 10-13 گرم را می توان به ارتفاع 1 سانتی متر رساند. در مقیاس انسانی، بسیار کوچک است. اما این جرم 10 14 الکترون است. در عالم صغیر مقیاس کاملاً متفاوت است! البته، یک فرد نمی تواند جرم 10-13 گرم را احساس کند، اما چشم انسان آنقدر حساس است که می تواند کوانتوم های نور را ببیند - این با یک سری آزمایش های ظریف تأیید شد. در شرایط عادی، فرد "دانه" نور را تشخیص نمی دهد و آن را به عنوان یک جریان مداوم درک می کند.

با دانستن اینکه نور هم ماهیت جسمی و هم ماهیت موجی دارد، تصور اینکه ذرات «واقعی» نیز دارای خواص موجی هستند آسانتر است. این تفکر بدعت آمیز اولین بار توسط لویی دو بروگلی (1892-1987) بیان شد. او سعی نکرد بفهمد ماهیت موج چیست که ویژگی های آن را پیش بینی کرد. طبق نظریه او، ذره ای با جرم متر، پرواز با سرعت v، مربوط به موجی با طول موج l = است hmvو فرکانس ν = E/ساعت، جایی که E = mv 2/2 - انرژی ذرات.

توسعه بیشتر فیزیک اتمی منجر به درک ماهیت امواجی شد که حرکت ذرات اتمی و زیر اتمی را توصیف می کنند. علمی به نام "مکانیک کوانتومی" پدید آمد (در سالهای اولیه بیشتر به آن مکانیک موج می گفتند).

مکانیک کوانتومی برای حرکت ذرات میکروسکوپی کاربرد دارد. هنگام در نظر گرفتن حرکت اجسام معمولی (به عنوان مثال، هر قسمت از مکانیسم)، در نظر گرفتن اصلاحات کوانتومی (اصلاحات ناشی از خواص موجی ماده) هیچ فایده ای ندارد.

یکی از مظاهر حرکت موجی ذرات، نداشتن مسیر حرکت آنهاست. برای اینکه یک مسیر وجود داشته باشد، لازم است که در هر لحظه از زمان، ذره دارای مختصات و سرعت معینی باشد. اما این دقیقاً چیزی است که توسط مکانیک کوانتومی منع شده است: یک ذره نمی تواند همزمان مقدار مختصات خاصی داشته باشد. ایکسو یک مقدار سرعت معین v. عدم قطعیت های آنها Dxو Dvمربوط به رابطه عدم قطعیت کشف شده توسط ورنر هایزنبرگ (1901-1974): D ایکس D v ~ h/m، جایی که مترجرم ذره است و h-ثابت پلانک ثابت پلانک اغلب کوانتوم جهانی "عمل" نامیده می شود. بدون اینکه اصطلاحی مشخص شود عمل، به لقب توجه کنید جهانی. او تاکید می کند که رابطه عدم قطعیت همیشه معتبر است. با دانستن شرایط حرکت و جرم ذره، می توان تخمین زد که چه زمانی لازم است قوانین کوانتومی حرکت را در نظر گرفت (به عبارت دیگر، زمانی که نمی توان از خواص موجی ذرات و پیامد آنها - روابط عدم قطعیت) غافل شد. و زمانی که استفاده از قوانین کلاسیک حرکت کاملاً ممکن باشد. اجازه دهید تأکید کنیم: اگر ممکن است، پس لازم است، زیرا مکانیک کلاسیک به طور قابل توجهی ساده تر از مکانیک کوانتومی است.

لطفاً توجه داشته باشید که ثابت پلانک بر جرم تقسیم می شود (آنها در ترکیبات گنجانده شده اند ساعت در متر). هر چه جرم بیشتر باشد، نقش قوانین کوانتومی کمتر است.

برای اینکه احساس کنیم چه زمانی می‌توان از ویژگی‌های کوانتومی غفلت کرد، سعی می‌کنیم مقادیر عدم قطعیت‌های D را تخمین بزنیم. ایکسو D v. اگر D ایکسو D vدر مقایسه با مقادیر متوسط ​​(کلاسیک) آنها ناچیز هستند، فرمول های مکانیک کلاسیک کاملا حرکت را توصیف می کنند، اگر کوچک نیستند، لازم است از مکانیک کوانتومی استفاده شود. منطقی نیست که عدم قطعیت کوانتومی را در نظر بگیریم، حتی زمانی که دلایل دیگر (در چارچوب مکانیک کلاسیک) منجر به عدم قطعیت بیشتر از رابطه هایزنبرگ شود.

بیایید به یک مثال نگاه کنیم. با توجه به اینکه می خواهیم امکان استفاده از مکانیک کلاسیک را نشان دهیم، ذره ای را در نظر بگیرید که جرم آن 1 گرم و اندازه آن 0.1 میلی متر است. در مقیاس انسانی، این یک دانه، یک ذره سبک و کوچک است. اما 10 24 برابر سنگین تر از یک پروتون و یک میلیون بار بزرگتر از یک اتم است!

بگذارید دانه "ما" در ظرفی پر از هیدروژن حرکت کند. اگر یک دانه به اندازه کافی سریع پرواز کند، به نظر ما می رسد که در یک خط مستقیم با سرعت معینی حرکت می کند. این تصور اشتباه است: به دلیل تأثیرات مولکول های هیدروژن بر دانه، سرعت آن با هر ضربه کمی تغییر می کند. بیایید تخمین بزنیم دقیقا چقدر است.

اجازه دهید دمای هیدروژن 300 K باشد (ما همیشه دما را در مقیاس مطلق، در مقیاس کلوین، 300 K = 27 o C اندازه می‌گیریم). ضرب دما بر حسب کلوین در ثابت بولتزمن ک B = 1.381.10 -16 J/K، آن را در واحدهای انرژی بیان می کنیم. تغییر سرعت یک دانه را می توان با استفاده از قانون بقای تکانه محاسبه کرد. با هر برخورد یک دانه با یک مولکول هیدروژن، سرعت آن تقریباً 18-10 سانتی متر در ثانیه تغییر می کند. تغییر کاملاً تصادفی و در جهت تصادفی اتفاق می افتد. بنابراین، طبیعی است که مقدار 10-18 سانتی متر بر ثانیه را به عنوان معیار عدم قطعیت کلاسیک سرعت دانه در نظر بگیریم (D v) cl برای این مورد. بنابراین، (D v) کلاس = 10 -18 سانتی متر بر ثانیه. ظاهراً تعیین محل دانه ای با دقتی بیشتر از 0.1 اندازه آن بسیار دشوار است. بپذیریم (D ایکس) cl = 10 -3 سانتی متر در نهایت، (D ایکس) کلاس (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . به نظر می رسد ارزش بسیار کمی است. در هر صورت عدم قطعیت در سرعت و موقعیت آنقدر کم است که می توان میانگین حرکت دانه را در نظر گرفت. اما در مقایسه با عدم قطعیت کوانتومی دیکته شده توسط رابطه هایزنبرگ (D ایکس D v= 10 -27)، ناهمگونی کلاسیک بسیار زیاد است - در این مورد یک میلیون بار از آن فراتر می رود.

نتیجه گیری: در بررسی حرکت یک دانه، نیازی به در نظر گرفتن ویژگی های موج آن، یعنی وجود عدم قطعیت کوانتومی مختصات و سرعت نیست. وقتی صحبت از حرکت ذرات اتمی و زیراتمی می شود، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر می کند.

پاسخ به این سوال ادامه دارد: کوچکترین ذره در جهان که با بشریت تکامل یافته چیست؟

زمانی مردم فکر می کردند که دانه های شن بلوک های سازنده آنچه در اطراف خود می بینیم است. سپس اتم کشف شد و تصور می‌شد که تقسیم‌ناپذیر است تا اینکه شکافته شد تا پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌های درون آن آشکار شوند. از آنجایی که دانشمندان کشف کردند که پروتون ها و نوترون ها هر کدام از سه کوارک تشکیل شده اند، معلوم شد که آنها کوچکترین ذرات جهان نیستند.

تاکنون دانشمندان نتوانسته‌اند شواهدی مبنی بر وجود چیزی در درون کوارک‌ها و رسیدن به بنیادی‌ترین لایه ماده یا کوچک‌ترین ذره در کیهان ببینند.

و حتی اگر کوارک‌ها و الکترون‌ها تقسیم‌ناپذیر باشند، دانشمندان نمی‌دانند که آیا آنها کوچک‌ترین تکه‌های ماده موجود هستند یا اینکه کیهان دارای اجسامی است که حتی کوچک‌تر هستند.

کوچکترین ذرات کیهان

آنها در طعم‌ها و اندازه‌های مختلف می‌آیند، برخی دارای اتصالات شگفت‌انگیزی هستند، برخی دیگر اساساً یکدیگر را تبخیر می‌کنند، بسیاری از آنها نام‌های خارق‌العاده‌ای دارند: کوارک‌های متشکل از باریون‌ها و مزون‌ها، نوترون‌ها و پروتون‌ها، نوکلئون‌ها، هایپرون‌ها، مزون‌ها، باریون‌ها، نوکلئون‌ها، فوتون‌ها، و غیره .d.

بوزون هیگز ذره ای است که آنقدر برای علم مهم است که به آن «ذره خدا» می گویند. اعتقاد بر این است که جرم بقیه را تعیین می کند. این عنصر برای اولین بار در سال 1964 نظریه‌پردازی شد، زمانی که دانشمندان تعجب کردند که چرا برخی از ذرات جرم‌تر از سایرین هستند.

بوزون هیگز با میدان به اصطلاح هیگز مرتبط است که اعتقاد بر این است که کیهان را پر می کند. دو عنصر (کوانتوم میدان هیگز و بوزون هیگز) مسئول جرم دادن به بقیه هستند. به نام دانشمند اسکاتلندی پیتر هیگز نامگذاری شده است. با کمک 14 مارس 2013، تایید وجود بوزون هیگز رسما اعلام شد.

بسیاری از دانشمندان استدلال می کنند که مکانیسم هیگز قطعه گم شده پازل را برای تکمیل "مدل استاندارد" موجود فیزیک، که ذرات شناخته شده را توصیف می کند، حل کرده است.

بوزون هیگز اساساً جرم هر چیزی را که در کیهان وجود دارد تعیین کرد.

کوارک ها

کوارک ها (به معنی کوارک ها) اجزای سازنده پروتون ها و نوترون ها هستند. آنها هرگز تنها نیستند، فقط در گروه وجود دارند. ظاهراً نیرویی که کوارک‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند با فاصله افزایش می‌یابد، بنابراین هر چه جلوتر بروید، جدا کردن آنها دشوارتر می‌شود. بنابراین، کوارک های آزاد هرگز در طبیعت وجود ندارند.

کوارک ها ذرات بنیادی هستندبدون ساختار، نوک تیز هستند اندازه تقریباً 10-16 سانتی متر.

به عنوان مثال، پروتون ها و نوترون ها از سه کوارک تشکیل شده اند که پروتون ها حاوی دو کوارک یکسان هستند، در حالی که نوترون ها دو کوارک متفاوت دارند.

ابر تقارن

مشخص است که "بلوک های سازنده" اساسی ماده، فرمیون ها، کوارک ها و لپتون ها هستند و نگهبانان نیرو، بوزون ها، فوتون ها و گلوئون ها هستند. نظریه ابرتقارن می گوید که فرمیون ها و بوزون ها می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

نظریه پیش‌بینی‌شده بیان می‌کند که برای هر ذره‌ای که می‌شناسیم، ذره‌ای مرتبط وجود دارد که هنوز آن را کشف نکرده‌ایم. به عنوان مثال، برای یک الکترون آن یک سلکترون، یک کوارک یک اسکوارک، یک فوتون یک فوتینو، و یک هیگز یک هیگزینو است.

چرا ما اکنون این ابرتقارن را در کیهان مشاهده نمی کنیم؟ دانشمندان بر این باورند که آنها بسیار سنگین تر از پسرعموهای معمولی خود هستند و هر چه وزن آنها بیشتر باشد، طول عمر آنها کوتاه تر است. در واقع، آنها به محض ظهور شروع به فروپاشی می کنند. ایجاد ابر تقارن به مقدار بسیار زیادی انرژی نیاز دارد که فقط اندکی پس از انفجار بزرگ وجود داشت و احتمالاً می‌توانست در شتاب‌دهنده‌های بزرگی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون ایجاد شود.

در مورد اینکه چرا این تقارن به وجود آمده است، فیزیکدانان این نظریه را مطرح می کنند که ممکن است تقارن در قسمتی از کیهان شکسته شده باشد که ما نمی توانیم آن را ببینیم یا لمس کنیم، اما فقط می توانیم به صورت گرانشی آن را احساس کنیم.

نوترینو

نوترینوها ذرات زیراتمی سبکی هستند که در همه جا با سرعت نزدیک به نور سوت می زنند. در واقع، تریلیون‌ها نوترینو در هر لحظه در بدن شما جریان دارند، اگرچه به ندرت با ماده عادی برهم‌کنش دارند.

برخی از آنها از خورشید سرچشمه می گیرند، در حالی که برخی دیگر از پرتوهای کیهانی در تعامل با جو زمین و منابع نجومی مانند ستارگان در حال انفجار در راه شیری و دیگر کهکشان های دور سرچشمه می گیرند.

ضد ماده

تصور می شود همه ذرات عادی دارای پاد ماده با جرم یکسان اما بار مخالف هستند. وقتی ماده به هم می رسد، یکدیگر را نابود می کنند. به عنوان مثال، ذره پادماده یک پروتون یک پاد پروتون است، در حالی که شریک پادماده یک الکترون پوزیترون نامیده می شود. ضد ماده یکی از گران ترین مواد در جهان است که مردم توانسته اند آن را شناسایی کنند.

گراویتون ها

در زمینه مکانیک کوانتومی، تمام نیروهای اساسی توسط ذرات منتقل می شوند. به عنوان مثال، نور از ذرات بدون جرم به نام فوتون تشکیل شده است که نیروی الکترومغناطیسی را حمل می کنند. به همین ترتیب، گراویتون یک ذره نظری است که نیروی گرانش را حمل می کند. دانشمندان هنوز نتوانسته اند گراویتون ها را شناسایی کنند، زیرا یافتن آن ها به دلیل برهمکنش بسیار ضعیف با ماده دشوار است.

رشته های انرژی

در آزمایش‌ها، ذرات ریز مانند کوارک‌ها و الکترون‌ها به‌عنوان نقاط منفرد ماده بدون توزیع مکانی عمل می‌کنند. اما اشیاء نقطه ای قوانین فیزیک را پیچیده می کنند. از آنجایی که نزدیک شدن بی نهایت به یک نقطه غیرممکن است، زیرا نیروهای عامل می توانند بی نهایت بزرگ شوند.

ایده ای به نام نظریه ابر ریسمان می تواند این مشکل را حل کند. این تئوری بیان می کند که همه ذرات به جای اینکه نقطه مانند باشند، در واقع رشته های کوچک انرژی هستند. یعنی تمام اجسام در جهان ما از رشته های ارتعاشی و غشاهای انرژی تشکیل شده اند. هیچ چیز نمی تواند بی نهایت به نخ نزدیک باشد، زیرا یک قسمت همیشه کمی نزدیکتر از دیگری خواهد بود. به نظر می رسد که این شکاف برخی از مسائل را با بی نهایت حل می کند و این ایده را برای فیزیکدانان جذاب می کند. با این حال، دانشمندان هنوز هیچ مدرک تجربی دال بر درست بودن نظریه ریسمان ندارند.

راه دیگر حل مسئله نقطه این است که بگوییم فضا به خودی خود پیوسته و هموار نیست، بلکه در واقع از پیکسل ها یا دانه های مجزا تشکیل شده است که گاهی به آن ساختار فضا-زمان می گویند. در این حالت، این دو ذره نمی توانند به طور نامحدود به یکدیگر نزدیک شوند، زیرا همیشه باید با حداقل دانه بندی فضا از هم جدا شوند.

نقطه سیاه چاله

یکی دیگر از مدعیان عنوان کوچکترین ذره در جهان، تکینگی (یک نقطه) در مرکز یک سیاهچاله است. سیاهچاله ها زمانی تشکیل می شوند که ماده در فضایی به اندازه کافی کوچک متراکم می شود که گرانش آن را می گیرد و باعث می شود ماده به سمت داخل کشیده شود و در نهایت به یک نقطه منفرد با چگالی بی نهایت متراکم شود. حداقل طبق قوانین فعلی فیزیک.

اما اکثر کارشناسان فکر نمی کنند سیاهچاله ها واقعاً بی نهایت متراکم هستند. آنها بر این باورند که این بی نهایت نتیجه یک تضاد درونی بین دو نظریه فعلی است - نسبیت عام و مکانیک کوانتومی. آنها پیشنهاد می کنند که وقتی بتوان نظریه گرانش کوانتومی را فرموله کرد، ماهیت واقعی سیاهچاله ها آشکار خواهد شد.

طول پلانک

رشته های انرژی و حتی کوچکترین ذره در کیهان می توانند به اندازه "طول پلانک" باشند.

طول میله 1.6 × 10 -35 متر است (عدد 16 قبل از 34 صفر و یک نقطه اعشار است) - یک مقیاس غیرقابل درک کوچک که با جنبه های مختلف فیزیک مرتبط است.

طول پلانک یک "واحد طبیعی" طول است که توسط فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک پیشنهاد شده است.

طول پلانک برای اندازه‌گیری هر ابزاری بسیار کوتاه است، اما فراتر از این، اعتقاد بر این است که حد تئوریک کوتاه‌ترین طول قابل اندازه‌گیری را نشان می‌دهد. با توجه به اصل عدم قطعیت، هیچ ابزاری هرگز نباید چیزی کمتر از آن را اندازه گیری کند، زیرا در این محدوده جهان احتمالی و نامطمئن است.

این مقیاس همچنین خط تقسیم بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی در نظر گرفته می شود.

طول پلانک مربوط به فاصله ای است که میدان گرانشی آنقدر قوی است که می تواند از انرژی میدان شروع به ایجاد سیاهچاله کند.

ظاهرا در حال حاضر، کوچکترین ذره در جهان تقریباً به اندازه یک تخته است: 1.6 x 10-35 متر

نتیجه گیری

از دوران مدرسه مشخص شد که کوچکترین ذره در جهان، الکترون، دارای بار منفی و جرم بسیار کوچکی است که برابر با 10-109.109 - 31 کیلوگرم است و شعاع کلاسیک الکترون 2.82 x 10 -15 متر است.

با این حال، فیزیکدانان در حال حاضر با کوچکترین ذرات در جهان، به اندازه پلانک که تقریباً 1.6×10-35 متر است، کار می کنند.

کوچکترین ذره شناخته شده چیست؟ آنها در حال حاضر کوچکترین ذرات در کیهان در نظر گرفته می شوند. کوچکترین ذره در کیهان سیاهچاله پلانک است که تاکنون فقط در تئوری وجود دارد. سیاهچاله پلانک کوچکترین سیاهچاله است (به دلیل گسستگی طیف جرمی) و نوعی جسم مرزی است. اما کوچکترین ذره نیز در کیهان کشف شده است که اکنون به دقت در حال بررسی است.

بلندترین نقطه روسیه در قفقاز قرار دارد. سپس مزونها به کوچکترین ذرات تبدیل شدند، سپس بوزونها. این ذره به عنوان سیاهچاله طبقه بندی می شود زیرا شعاع گرانشی آن بزرگتر یا مساوی طول موج است. از میان تمام سیاهچاله های موجود، سیاهچاله پلانک کوچکترین است.

و همانطور که معمولاً تصور می شود در نتیجه واکنش های هسته ای تشکیل می شوند. با وجود فرضی بودن این کوچکترین ذره در کیهان، کشف عملی آن در آینده کاملاً ممکن است. برای کشف آن بود که یک تاسیسات ایجاد شد که تنها تنبل ترین ساکن روی زمین نام آن را نشنیده است - برخورد دهنده بزرگ هادرون. بوزون هیگز در حال حاضر کوچکترین ذره ای است که وجود آن عملاً اثبات شده است.

و اگر ذرات جرم نداشتند، جهان وجود نداشت. یک ماده واحد در آن تشکیل نمی شد. علیرغم وجود عملا اثبات شده این ذره، بوزون هیگز، هنوز کاربردهای عملی برای آن اختراع نشده است. دنیای ما بزرگ است و چیزی جالب، هر روز چیزی غیرعادی و جذاب در آن اتفاق می افتد. با ما همراه باشید و هر روز در مورد جالب ترین حقایق از سراسر جهان، در مورد افراد یا چیزهای غیرعادی، در مورد خلاقیت های طبیعت یا انسان بیاموزید.

ذره بنیادی ذره ای است بدون ساختار درونی، یعنی فاقد ذرات دیگر [تقریباً. 1]. ذرات بنیادی اشیاء اساسی نظریه میدان کوانتومی هستند. آنها را می توان بر اساس اسپین طبقه بندی کرد: فرمیون ها دارای اسپین نیمه صحیح هستند و بوزون ها دارای اسپین کامل هستند. مدل استاندارد فیزیک ذرات نظریه ای است که خواص و برهمکنش های ذرات بنیادی را توصیف می کند.

آنها با مشارکت آنها در تعامل قوی طبقه بندی می شوند. هادرون ها به عنوان ذرات تشکیل دهنده با تعامل قوی تعریف می شوند. به پارتون (ذره) نیز مراجعه کنید. این مزون ها شامل پیون، کائون، مزون J/ψ و بسیاری از انواع مزون های دیگر است. واکنش های هسته ای و واپاشی رادیواکتیو می توانند یک هسته را به هسته دیگر تبدیل کنند.

یک اتم از یک هسته کوچک، سنگین و با بار مثبت تشکیل شده است که توسط یک ابر نسبتا بزرگ و سبک از الکترون ها احاطه شده است. همچنین اتم های عجیب و غریب کوتاه مدتی وجود دارند که در آنها نقش هسته (ذره ای با بار مثبت) توسط یک پوزیترون (پوزیترونیوم) یا یک میون مثبت (میونیم) ایفا می شود.

متأسفانه هنوز امکان ثبت آنها به نحوی فراهم نشده است و فقط به صورت تئوری وجود دارند. و اگرچه امروزه آزمایش‌هایی برای تشخیص سیاه‌چاله‌ها ارائه شده است، اما امکان اجرای آن‌ها با مشکل قابل توجهی مواجه است. برعکس، چیزهای کوچک ممکن است مورد توجه قرار نگیرند، اگرچه این امر اهمیت آنها را کم نمی کند. کروی چاراگوان (Sphaerodactylus ariasae) کوچکترین خزنده در جهان است. طول آن تنها 16-18 میلی متر و وزن آن 0.2 گرم است.

کوچکترین چیزهای دنیا

کوچکترین ویروس DNA تک رشته ای سیرکوویروس خوک است. در طول قرن گذشته، علم گام های بزرگی در جهت درک وسعت کیهان و مصالح ساختمانی میکروسکوپی آن برداشته است.

زمانی کوچکترین ذره را یک اتم در نظر می گرفتند. سپس دانشمندان پروتون، نوترون و الکترون را کشف کردند. اکنون می دانیم که با کوبیدن ذرات به یکدیگر (مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون)، می توان آنها را به ذرات حتی بیشتر مانند کوارک ها، لپتون ها و حتی پادماده تجزیه کرد. مشکل فقط در تعیین مقدار کمتر است. بنابراین برخی از ذرات جرم ندارند، برخی دارای جرم منفی هستند. راه حل این سوال همان تقسیم بر صفر است یعنی غیر ممکن است.

آیا فکر می کنید چیزی در این وجود دارد؟، یعنی: کوچکترین ذره هیگز.

و اگرچه چنین رشته هایی پارامترهای فیزیکی ندارند، اما تمایل انسان به توجیه همه چیز ما را به این نتیجه می رساند که اینها کوچکترین اجرام در جهان هستند. ستاره شناسی و تلسکوپ ← پرسش و پاسخ یک ستاره شناس و اخترفیزیک ← به نظر شما در این چیست؟، یعنی...

کوچکترین ویروس

واقعیت این است که برای سنتز چنین ذرات نیاز به دستیابی به انرژی 1026 الکترون ولت در یک شتاب دهنده است که از نظر فنی غیرممکن است. جرم چنین ذرات در مرتبه 0.00001 گرم و شعاع 1/1034 متر است. طول موج چنین سیاهچاله ای با اندازه شعاع گرانشی آن قابل مقایسه است.

زمین در کجای کیهان قرار دارد؟ قبل از انفجار بزرگ چه چیزی در جهان وجود داشت؟ قبل از تشکیل کیهان چه اتفاقی افتاد؟ جهان چند ساله است؟ همانطور که مشخص شد، این تنها مهمات موجود در مجموعه پسر 13 ساله نبود. ساختار چنین ذرات بسیار کم است - آنها تقریباً هیچ جرم و بار اتمی ندارند، زیرا هسته بسیار کوچک است. اعدادی وجود دارند که به قدری باورنکردنی و فوق‌العاده بزرگ هستند که حتی نوشتن آنها به کل جهان نیاز دارد.

کوچکترین اجسام قابل مشاهده با چشم غیر مسلح

گوگل در سال 1920 به عنوان راهی برای علاقه مند کردن بچه ها به اعداد بزرگ متولد شد. به گفته میلتون، این عددی است که در آن رتبه اول 1 است و سپس هر تعداد صفر که می توانید قبل از خستگی بنویسید. اگر در مورد بزرگترین عدد قابل توجه صحبت کنیم، استدلال منطقی وجود دارد که این واقعاً به این معنی است که ما باید بزرگترین عدد را با مقداری که واقعاً در جهان وجود دارد پیدا کنیم.

بنابراین جرم خورشید بر حسب تن کمتر از پوند خواهد بود. بزرگترین عدد با هر کاربرد دنیای واقعی - یا در این مورد کاربرد دنیای واقعی - احتمالاً یکی از آخرین تخمین‌ها از تعداد جهان‌های چندجهانی است. این عدد به قدری زیاد است که مغز انسان به معنای واقعی کلمه قادر به درک همه این جهان های مختلف نخواهد بود، زیرا مغز فقط قادر به پیکربندی های تقریبی است.

در اینجا مجموعه‌ای از کوچک‌ترین چیزهای جهان، از اسباب‌بازی‌های کوچک، حیوانات و انسان‌های مینیاتوری گرفته تا یک ذره زیراتمی فرضی وجود دارد. اتم ها کوچکترین ذراتی هستند که می توان ماده را با واکنش های شیمیایی به آنها تقسیم کرد. کوچکترین قوری جهان توسط سرامیست معروف وو رویشن ساخته شده است و وزن آن تنها 1.4 گرم است. در سال 2004، رومیسه رحمان کوچکترین کودک تازه متولد شده شد.

نوترینوها، یک ذره فوق‌العاده کوچک در کیهان، تقریباً یک قرن است که دانشمندان را مجذوب خود کرده است. جوایز نوبل برای تحقیق در مورد نوترینوها بیشتر از هر ذره دیگری اعطا شده است و امکانات عظیمی برای مطالعه آن با بودجه ایالت های کوچک ساخته می شود. الکساندر نوزیک، محقق ارشد موسسه تحقیقات هسته ای آکادمی علوم روسیه، معلم MIPT و شرکت کننده در آزمایش "Troitsk nu-mass" برای جستجوی جرم نوترینو، نحوه مطالعه آن را می گوید، اما بیشتر مهمتر از همه، چگونه می توان آن را در وهله اول گرفت.

رمز و راز انرژی دزدیده شده

تاریخچه تحقیقات نوترینو را می توان مانند یک داستان کارآگاهی جذاب خواند. این ذره بیش از یک بار توانایی های قیاسی دانشمندان را آزمایش کرده است: همه معماها را نمی توان فوراً حل کرد و برخی هنوز حل نشده اند. بیایید با تاریخچه کشف شروع کنیم. واپاشی های رادیواکتیو در انواع مختلف در اواخر قرن نوزدهم مورد مطالعه قرار گرفت و جای تعجب نیست که در دهه 1920 دانشمندان نه تنها ابزارهایی برای ثبت خود فروپاشی، بلکه برای اندازه گیری انرژی ذرات فراری نیز در زرادخانه خود داشتند. اگرچه با استانداردهای امروزی دقیق نیست. با افزایش دقت ابزارها، شادی دانشمندان و سرگشتگی مرتبط با واپاشی بتا، که در آن یک الکترون از هسته رادیواکتیو خارج می‌شود و خود هسته بار خود را تغییر می‌دهد، افزایش یافت. این واپاشی دو ذره نامیده می شود، زیرا دو ذره تولید می کند - یک هسته جدید و یک الکترون. هر دانش‌آموز دبیرستانی توضیح می‌دهد که می‌توان با استفاده از قوانین حفاظت و دانستن جرم این قطعات، انرژی و تکانه قطعات را در چنین فروپاشی دقیقاً تعیین کرد. به عبارت دیگر، انرژی مثلاً یک الکترون در هر فروپاشی هسته یک عنصر خاص همیشه یکسان خواهد بود. در عمل، تصویر کاملاً متفاوتی مشاهده شد. انرژی الکترون نه تنها ثابت نبود، بلکه در یک طیف پیوسته تا صفر پخش شد که دانشمندان را گیج کرد. این تنها در صورتی اتفاق می افتد که فردی انرژی را از تجزیه بتا بدزدد. اما انگار کسی نیست که آن را بدزدد.

با گذشت زمان، ابزارها بیشتر و دقیق تر شدند و به زودی امکان نسبت دادن چنین ناهنجاری به خطای تجهیزات از بین رفت. بنابراین یک راز به وجود آمد. در جستجوی راه حل آن، دانشمندان فرضیات مختلفی، حتی با استانداردهای امروزی کاملاً پوچ، بیان کرده اند. به عنوان مثال، خود نیلز بور اظهار نظر جدی کرد مبنی بر اینکه قوانین حفاظت در دنیای ذرات بنیادی اعمال نمی شود. ولفگانگ پائولی این روز را در سال 1930 نجات داد. او نتوانست در کنفرانس فیزیک در توبینگن شرکت کند و از آنجا که قادر به شرکت از راه دور نبود، نامه‌ای فرستاد که درخواست کرد خوانده شود. در اینجا گزیده هایی از آن آمده است:

خانم ها و آقایان عزیز رادیواکتیو. از شما می‌خواهم که در راحت‌ترین لحظه با توجه به پیام‌رسانی که این نامه را تحویل داده است گوش دهید. او به شما خواهد گفت که من یک داروی عالی برای قانون حفاظت و آمار صحیح پیدا کرده ام. در احتمال وجود ذرات خنثی الکتریسیته نهفته است... اگر فرض کنیم که در حین واپاشی B، چنین "نوترونی" همراه با هر الکترون گسیل می شود، پیوستگی طیف B روشن می شود. انرژی "نوترون" و الکترون ثابت است..."

در پایان نامه این سطور وجود داشت:

"اگر ریسک نکنید، برنده نخواهید شد. شدت وضعیت هنگام در نظر گرفتن طیف B پیوسته به ویژه پس از سخنان پروفسور آشکار می شود. دبای که با تأسف به من گفت: "اوه، بهتر است همه اینها را به عنوان مالیات های جدید تصور نکنم." بنابراین لازم است در مورد هر مسیر رستگاری به طور جدی بحث شود. پس مردم عزیز رادیواکتیو این را امتحان کنید و قضاوت کنید.»

بعدها، خود پائولی ابراز نگرانی کرد که اگرچه ایده او فیزیک ریزجهان را نجات داد، اما ذره جدید هرگز به صورت تجربی کشف نخواهد شد. آنها می گویند که او حتی با همکارانش بحث کرده است که اگر این ذره وجود داشته باشد، تشخیص آن در طول زندگی ممکن نیست. در طی چند سال بعد، انریکو فرمی نظریه ای در مورد واپاشی بتا شامل ذره ای را که او نوترینو نامید، ارائه داد که کاملاً با آزمایش موافق بود. پس از این، هیچ کس شک نداشت که ذره فرضی واقعاً وجود داشته است. در سال 1956، دو سال قبل از مرگ پائولی، نوترینوها به طور آزمایشی در واپاشی بتا معکوس توسط تیم فردریک رینز و کلاید کوان کشف شدند (رینز برای این کار جایزه نوبل را دریافت کرد).

مورد نوترینوهای خورشیدی گم شده

هنگامی که مشخص شد که نوترینوها، اگرچه دشوار هستند، اما هنوز هم قابل شناسایی هستند، دانشمندان شروع به تلاش برای شناسایی نوترینوهایی با منشا فرازمینی کردند. واضح ترین منبع آنها خورشید است. واکنش های هسته ای دائماً در آن رخ می دهد و می توان محاسبه کرد که در هر ثانیه حدود 90 میلیارد نوترینو خورشیدی از هر سانتی متر مربع از سطح زمین عبور می کند.

در آن زمان موثرترین روش برای گرفتن نوترینوهای خورشیدی روش رادیوشیمیایی بود. ماهیت آن این است: یک نوترینوی خورشیدی به زمین می رسد، با هسته تعامل می کند. نتیجه، مثلاً، یک هسته 37Ar و یک الکترون است (این دقیقاً همان واکنشی است که در آزمایش ریموند دیویس استفاده شد، که بعداً جایزه نوبل به او داده شد). پس از این، با شمارش تعداد اتم‌های آرگون، می‌توان گفت که در طول نوردهی چند نوترینو در حجم آشکارساز برهمکنش داشته‌اند. البته در عمل همه چیز به این سادگی نیست. باید بدانید که باید اتم های آرگون را در هدفی با وزن صدها تن بشمارید. نسبت جرم تقریباً برابر با جرم مورچه و جرم زمین است. پس از آن بود که کشف شد که ⅔ از نوترینوهای خورشیدی به سرقت رفته است (شار اندازه گیری شده سه برابر کمتر از پیش بینی شده بود).

البته ابتدا سوء ظن به خود خورشید افتاد. از این گذشته، ما می توانیم زندگی درونی او را فقط با علائم غیر مستقیم قضاوت کنیم. مشخص نیست که نوترینوها چگونه روی آن ایجاد می شوند و حتی ممکن است تمام مدل های خورشید اشتباه باشند. فرضیه های بسیار متفاوتی مورد بحث قرار گرفت، اما در نهایت دانشمندان به این ایده متمایل شدند که این خورشید نیست، بلکه ماهیت حیله گر خود نوترینوها است.

یک انحراف تاریخی کوچک: در دوره بین کشف تجربی نوترینوها و آزمایشات روی مطالعه نوترینوهای خورشیدی، چندین کشف جالب دیگر رخ داد. ابتدا پادنوترینوها کشف شدند و ثابت شد که نوترینوها و پادنوترینوها به طور متفاوتی در برهمکنش ها شرکت می کنند. علاوه بر این، تمام نوترینوها در تمام فعل و انفعالات همیشه چپ‌دست هستند (پیش‌بینی چرخش در جهت حرکت منفی است) و همه پادنوترینوها راست‌دست هستند. این ویژگی نه تنها در میان تمام ذرات بنیادی فقط در نوترینوها مشاهده می شود، بلکه به طور غیرمستقیم نشان می دهد که جهان ما، در اصل، متقارن نیست. ثانیاً، کشف شد که هر لپتون باردار (الکترون، میون و لپتون تاو) نوع یا طعم خاص خود را از نوترینو دارد. علاوه بر این، نوترینوهای هر نوع فقط با لپتون خود برهم کنش دارند.

بیایید به مشکل خورشیدی خود برگردیم. در دهه 50 قرن بیستم، پیشنهاد شد که طعم لپتونیک (نوعی نوترینو) لازم نیست حفظ شود. یعنی اگر یک نوترینوی الکترونی در یک واکنش متولد شده باشد، در راه واکنش دیگر، نوترینو می تواند لباس را عوض کند و به صورت میون اجرا شود. این می تواند فقدان نوترینوهای خورشیدی را در آزمایشات رادیوشیمیایی که فقط به نوترینوهای الکترونی حساس هستند توضیح دهد. این فرضیه با اندازه‌گیری شار نوترینوی خورشیدی در آزمایش‌های سوسوزن هدف آب بزرگ SNO و Kamiokande (که اخیراً جایزه نوبل دیگری برای آن اعطا شد) به طرز درخشانی تأیید شد. در این آزمایش‌ها، دیگر واپاشی بتا معکوس مورد مطالعه نیست، بلکه واکنش پراکندگی نوترینو است که می‌تواند نه تنها با الکترون، بلکه با نوترینوهای میون نیز رخ دهد. هنگامی که به جای شار الکترونی نوترینوها، شروع به اندازه گیری شار کل انواع نوترینوها کردند، نتایج کاملاً انتقال نوترینوها از یک نوع به نوع دیگر یا نوسانات نوترینو را تأیید کرد.

حمله به مدل استاندارد

کشف نوسانات نوترینو، با حل یک مشکل، چندین مورد جدید ایجاد کرد. نکته این است که از زمان پائولی، نوترینوها مانند فوتون ها ذرات بی جرم در نظر گرفته می شدند و این برای همه مناسب بود. تلاش ها برای اندازه گیری جرم نوترینوها ادامه یافت، اما بدون اشتیاق زیاد. نوسانات همه چیز را تغییر دادند، زیرا جرم، هرچند کوچک، برای وجود آنها لازم است. البته کشف جرم در نوترینوها، آزمایش‌کنندگان را خوشحال کرد، اما نظریه‌پردازان را متحیر کرد. اولاً، نوترینوهای عظیم در مدل استاندارد فیزیک ذرات که دانشمندان از آغاز قرن بیستم در حال ساخت آن بوده اند، نمی گنجد. ثانیاً، همان چپ دستی مرموز نوترینوها و راست دستی پادنوترینوها فقط برای ذرات بدون جرم به خوبی توضیح داده شده است. اگر جرم وجود داشته باشد، نوترینوهای چپ دست باید به احتمال کمی به راست دست تبدیل شوند، یعنی به پادذره تبدیل شوند که قانون ظاهراً تغییرناپذیر بقای عدد لپتون را نقض می کنند، یا حتی به نوعی نوترینو تبدیل می شوند. در تعامل شرکت نکنید امروزه چنین ذرات فرضی معمولاً نوترینوهای عقیم نامیده می شوند.

آشکارساز نوترینو "Super Kamiokande" © رصدخانه Kamioka، ICRR (موسسه تحقیقات پرتوهای کیهانی)، دانشگاه توکیو

البته جستجوی تجربی برای جرم نوترینو بلافاصله به شدت از سر گرفته شد. اما بلافاصله این سؤال مطرح شد: چگونه جرم چیزی را اندازه گیری کنیم که نمی توان آن را گرفت؟ تنها یک پاسخ وجود دارد: اصلاً نوترینوها را نگیرید. امروزه دو جهت به طور فعال در حال توسعه هستند - جستجوی مستقیم برای جرم نوترینوها در واپاشی بتا و مشاهده واپاشی دوگانه بتا بدون نوترینو. در مورد اول، ایده بسیار ساده است. هسته با تابش الکترون و نوترینو تجزیه می شود. گرفتن نوترینو ممکن نیست، اما می توان الکترون را با دقت بسیار بالا گرفت و اندازه گرفت. طیف الکترونی نیز حامل اطلاعاتی در مورد جرم نوترینو است. چنین آزمایشی یکی از دشوارترین آزمایش‌ها در فیزیک ذرات است، اما مزیت مطلق آن این است که مبتنی بر اصول اولیه بقای انرژی و تکانه است و نتیجه آن به کمی بستگی دارد. در حال حاضر، بهترین حد برای جرم نوترینو حدود 2 eV است. این 250 هزار بار کمتر از الکترون است. یعنی خود جرم پیدا نشد، بلکه فقط توسط قاب بالایی محدود شد.

با فروپاشی مضاعف بتا، همه چیز پیچیده تر می شود. اگر فرض کنیم که یک نوترینو در حین چرخش به یک پادنوترینو تبدیل شود (این مدل به نام فیزیکدان ایتالیایی اتوره مایورانا نامیده می شود)، در این صورت فرآیندی ممکن است زمانی که دو واپاشی بتا به طور همزمان در هسته اتفاق بیفتند، اما نوترینوها به بیرون پرواز نکنند. اما کاهش می یابد. احتمال چنین فرآیندی مربوط به جرم نوترینو است. حد بالایی در چنین آزمایشاتی بهتر است - 0.2 - 0.4 eV - اما به مدل فیزیکی بستگی دارد.

مشکل نوترینوهای عظیم هنوز حل نشده است. نظریه هیگز نمی تواند چنین توده های کوچکی را توضیح دهد. این امر مستلزم پیچیدگی قابل توجه یا استفاده از برخی قوانین حیله گرتر است که بر اساس آن نوترینوها با بقیه جهان تعامل دارند. از فیزیکدانانی که در تحقیقات نوترینو مشارکت دارند، اغلب این سوال پرسیده می شود: "تحقیقات نوترینو چگونه می تواند به افراد عادی کمک کند؟ از این ذره چه سود مالی یا دیگری می توان به دست آورد؟ فیزیکدان ها شانه هایشان را بالا می اندازند. و واقعاً نمی دانند. روزی روزگاری مطالعه دیودهای نیمه هادی صرفاً فیزیک بنیادی بود، بدون هیچ کاربرد عملی. تفاوت در این است که فناوری‌هایی که برای ایجاد آزمایش‌های مدرن در فیزیک نوترینو توسعه می‌یابند، اکنون به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شوند، بنابراین هر پنی سرمایه‌گذاری شده در این زمینه نسبتاً سریع بازده دارد. در حال حاضر، چندین آزمایش در سراسر جهان در حال انجام است که مقیاس آنها با مقیاس برخورد دهنده بزرگ هادرون قابل مقایسه است. هدف این آزمایشات منحصراً مطالعه خواص نوترینوها است. معلوم نیست در کدام یک از آنها می توان صفحه جدیدی در فیزیک باز کرد، اما قطعاً باز خواهد شد.