Изучаем физику при помощи LEGO | Популярный университет

Изучаем физику при помощи LEGO

Понять физику не так трудно, как кажется. Книга британского физика Бена Стилла «Вселенная с LEGO. Руководство по изучению основ физики», вышедшая в издательстве БОМБОРА, позволяет буквально «разобрать по кирпичикам» Вселенную. Автор использует модели из разноцветных блоков LEGO, чтобы наглядно объяснить сложные аспекты физики элементарных частиц. Предлагаем прочитать несколько страниц этой книги и узнать больше (или обновить в памяти информацию) о нуклонах, кварках, лептонах, а также об антивеществе.

Научные модели

Когда меня спрашивают: «Что есть наука?», — я глубоко вздыхаю. Определение науке можно дать с разных позиций — исторической, философской, практической. Вместо этого я отвечаю, что наука, по своей сути, есть поиск и стремление к созданию как можно более точных аналогий природы. Ученые создают эти аналогии на языке не слов, но математики. Эти аналогии призваны стать истинными математическими моделями того, как работает Вселенная и откуда в ней все берется. Но наш язык, равно как и поэтический слог, бессилен описать истинную красоту природы.

Однако поэты и ученые расходятся во взглядах на развитие своих работ. Изложение стихотворения зависит от человеческого мнения, изложение научной модели природы— нет. Только эксперимент с повторяемыми и подтвержденными данными может считаться научным доказательством. Если новая научная модель раз за разом не находит экспериментального подтверждения, от нее отказываются. В таком случае модель меняют — или создают абсолютно новую. Так и развивалась наука — через постепенное развитие более точных математических моделей природы.

Экспериментальные данные служат постоянным напоминанием ученым о недостатках принятых на настоящий момент математических моделей. Несмотря на то, что наше научное понимание природы несовершенно, мы используем это несовершенство для определения допущенных погрешностей. Как показывает история, новая наука обычно скрывается в детальном понимании этих погрешностей.

При объяснении сложных идей мы часто руководствуемся собственными аналогиями и моделями. Это особенно заметно в науке, которая далека от нашего каждодневного практического опыта. Пластиковые детали конструктора, конечно, не являются настоящими частицами. Каждая такая деталь состоит из триллионов триллионов частиц. Тем не менее я предполагаю, что они могут быть использованы в качестве увлекательной и наглядной аналогии субатомного мира. Уже по названию понятно, что пластиковая деталь как аналог не может описать Природу в совершенстве, но с ее помощью мы приблизимся к тому, чтобы увидеть Вселенную в самых маленьких масштабах.

Стандартная модель

Стандартная модель, основное развитие которой пришлось на 60–70-е годы ХХ века, на сегодняшний день считается лучшей моделью нынешнего мира на уровне взаимодействия элементарных частиц. К настоящему времени в модель были внесены лишь минимальные изменения, ее верность была многократно проверена экспериментальным путем. И все же мы знаем, что Стандартная модель не является универсальной моделью строения мира. Так, она не может экспериментально описать темную материю, которая определяет размер, форму и распределение галактик. Также ей неподвластна темная энергия, ответственная за ускорение расширения Вселенной. Но наибольшее разочарование у физиков-ядерщиков вызывает тот факт, что Стандартная модель не объясняет, откуда с начала времен образовались все существующие частицы.

Стандартная модель описывает характер взаимодействия и свойства частиц, которые на настоящий момент считаются фундаментальными. Ни одну из них нельзя разделить на частицы поменьше, так что они — самые настоящие кирпичики, из которых состоит наша Вселенная. Эта модель не сообщает нам о составе частиц, их размерах и не может предсказать силу взаимодействия, формирующую нашу Вселенную. Эта математическая модель отвечает экспериментальным данным — и отвечает при этом поразительно четко.

Своим вероятностным поведением частицы Стандартной модели напоминают, скорее, поля, стремящиеся к бесконечному существованию во времени и пространстве, чем твердые частицы. В любой точке времени и пространства для частицы существует ненулевая вероятность взаимодействия с другими частицами. В случае, если взаимодействие частиц состоялось, все вероятности концентрируются в единой точке пространства и времени с определенными характеристиками. Именно эта точка воплощает представление о частице как о маленьком твердом шарике. Без детального разбора математических формул трудно объяснить полевую природу частиц. Здесь и далее мы будем использовать детский конструктор, чтобы описать эти частицы в точке их взаимодействия, хотя аспекты, связанные с их полевой природой, могут привести нас к выводам, которые на первый взгляд покажутся нелогичными.

Атомы

Вся материя вокруг нас состоит из химических элементов, а каждый из них состоит из атомов определенного типа.

В представлении греческого философа Демокрита, жившего с 460 до 370 гг. до нашей эры, всю материю можно разделить на все более и более мелкие частицы, пока наконец не получится частица, разделить которую будет уже невозможно. Эта наименьшая единица материи была названа атомом, от древнегреческого atomos — «неделимый». Идея Демокрита, получившая название атомистический материализм, смогла просуществовать до XVIII века, когда химия вышла из тени алхимии и вошла в научное русло. Накапливались свидетельства того, что чистые химические элементы реагировали друг с другом с образованием новых сложных химических веществ в целых соотношениях их массы, например, кислород и водород реагировали в соотношении 8 : 1 с образованием воды (обратите внимание, что это соотношение относится к общему весу атомов, а не их числу). Англичанин Джон Дальтон предположил, что эти процессы свидетельствуют о том, что вещества состоят из микроскопических частиц — атомов, и что каждый химический элемент состоит из определенного типа атомов. Новая атомистическая теория Дальтона просуществовала до конца XVIII века, когда странное излучение показало, что атомы не соответствуют названию — они состоят из еще более мелких частиц.

Периодическая таблица

К концу XIX века было обнаружено около 100 химических элементов, каждый из которых состоял из атомов определенного типа. Периодические изменения свойств элементов, по аналогии с наращиванием октав в музыке, вдохновили Дмитрия Менделеева на создание периодической таблицы. Сходства в свойствах элементов одной группы периодической таблицы наводят на мысль о сходствах в их структуре. Но если атомы неделимы, на что намекает их греческое название, как может существовать что-то меньшее? До открытия частиц, менее массивных, чем самый легкий из атомов — водород, оставалось совсем недолго. Эти новооткрытые «атомы», казалось, объясняли природу электричества. Открытие радиации, полученной из атомов, лишь спутало карты — стало понятно, что наука не может закрыть на это глаза.

Первый ряд таблицы представляет собой водород (Н) и гелий (Не) — элементы, в больших количествах обнаруженные в ранней Вселенной, в то время как все элементы до железа (Fe) образовались в звездах, а остальные элементы — в агонии взрывов умирающих звезд.

Внутри атома

Джон Дальтон в своих работах открыл людям глаза на то, что мир вокруг нас состоит не из одного-единственного типа атомов, как считали древние греки. Изучение электричества и радиоактивных элементов позволило установить, что атомы Дальтона также состоят из частиц меньших размеров. Расположение элементов в периодической таблице становится понятным, только когда приходит осознание того, что атомы состоят
из более маленьких частиц. Некоторые из этих частиц отвечают за атомную массу, другие — за реакционную способность атома.

Атомное ядро находится в центре каждого атома и состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. Ядро является источником радиоактивности некоторых химических элементов.

Электроны образуют электронное облако, центр которого — атомное ядро. Электроны управляют химическими реакциями элемента и участвуют в них. Именно число и распределение по слоям электронов в атоме определяет периодическую природу химических реакций.

Протон на греческом означает «первый». Нейтроны названы так, потому что они электрически нейтральны. Электроны были названы так, потому что считались атомами электричества.

Нуклоны состоят из более фундаментальных строительных частиц под названием кварки. Каждый протон и нейтрон состоит из комбинации верхнего и нижнего кварка.

Результаты всех стресс-тестирований показывали, что на электронах и кварках наше путешествие и заканчивается. Непохоже, что они состоят из более мелких частиц, скорее всего, именно они и являются истинно фундаментальными. Тем не менее существуют теории, согласно которым они могут состоять из более мелких частиц — так называемых струн.

Нейтрино, наряду с кварками и электронами, считаются фундаментальными частицами. Нейтрино образуется при бета-распаде, когда нейтрон распадается на протон и электрон, который всегда сопровождает нейтрино. Электрон и нейтрино образуют группу частиц — лептонов. Будучи легче, чем протоны и нейтроны, они получили название от греческого leptós — «маленький», «тонкий» или «легкий».

У каждой фундаментальной частицы есть более массивные копии, подобные ей во всем, кроме массы.

Массивные последователи

Верхний и нижний кварк, из которых состоят протон и нейтрон, а также электрон и электронное нейтрино, — это только одно наименее массивное поколение фундаментальных частиц. По неизвестным причинам существуют еще две пары более тяжелых двойников, поколение 2 и 3 — кирпичики побольше.

Эти частицы можно создать только при энергии очень высокой мощности, как та, которую генерируют ускорители частиц и которая ранее существовала только на заре истории Вселенной.

Двенадцать нижеперечисленных частиц получили название «фермионы» в честь гениального итальянского физика Энрико Ферми, изучающего элементарные частицы

Более тяжелые кварки и лептоны служат основой для новых форм материи, экзотических, но нестабильных — чем тяжелее используемые частицы, тем быстрее они распадаются на частицы полегче. Со временем вся материя распадается на верхние кварки, нижние кварки, электроны или нейтрино, именно поэтому частицы первого поколения составляют 99,9% всей видимой материи Вселенной.

Строительные блоки
Пока продолжаются поиски, эти двенадцать частиц, образующих три поколения, похоже, являются истинными фундаментальными строительными блоками всей материи, будь то привычная нам материя вроде химических элементов или экзотическая материя, подобная той, что создается в ускорителях частиц и существовала в ранней Вселенной.

Фото. Энрико Ферми

Фермионы — особенные частицы, кирпичики, из которых складывается атом, причем ни один кирпич в разных атомах не занимает одно и то же место. Таким образом разные энергетические состояния электронов объясняют разную химическую активность элементов, а протоны и нейтроны, состоящие из кварков, занимают разные энергетические уровни, что прямо влияет на бóльшую или меньшую стабильность ядра. Вот так эти частицы собираются в атомы, которые обладают уникальными различными свойствами и размером.

Что представляет из себя антивещество?

Существует двенадцать так называемых античастиц, зеркально противоположных частицам материи.

Ученым удалось предсказать и установить, что каждая из двенадцати частиц-фермионов материи имеет противоположность, частицу с зеркально обратным поведением. Это так называемые фундаментальные частицы антиматерии.

В то время как электрон, как уже было указано, имеет отрицательный электрический заряд, противоположная ему частица из мира антиматерии, которую назвали антиэлектрон (он же позитрон), имеет положительный электрический заряд. Переключение свойств частиц таким образом осуществляется с помощью процесса зеркального отражения, известного как инверсия заряда (С), который превращает частицу в античастицу, меняя ее заряд. Взаимодействие частиц и взаимодействие античастиц происходит совершенно противоположным образом.

На этой диаграмме стрела и знак C обозначают инверсию заряда.

В настоящее время антиматерию можно наблюдать в местах излучения высокой энергии, таких как ускорители частиц и земная атмосфера в момент столкновения с нею частиц. Должно быть, антиматерия в избытке существовала в молодой, состоящей из горячей плазмы Вселенной, но быстро была уничтожена. Когда антиматерия взаимодействует с материей, происходит взаимная аннигиляция с выбросом чистой энергии — обычно в форме света.

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: