Мельчайшие частицы. Насколько они фундаментальны?

13 Декабря 2018, Илья Хель 34

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

34 комментария Оставить свой

  1. dawson.white

    Да что угодно может быть. Может до бесконечности эти частицы идут и нет никакой фундаментальной частицы. А может это магия, или голограмма или чей то сон. Вероятность примерно одинаковая

    • Kvazar666

      dawson.white, В жо..у себе засунь свои бесконечности, в реальном мире никаких бесконечностей не сущесвует, кроме как в воспаленных умах математиков.

      • passerby

        Kvazar666, То что ты привык себе в дырку совать, еще не значит что это нужно советовать всем. А если пространство замкнуто само в себя, то вполне возможна бесконечная вложенность.

  2. Baksov

    Короче - мы ничего не знаем. Как что-нибудь узнаете, сообщите пожалуйста.

    • Kvazar666

      Baksov, замени слово "мы" на "я" и выпей валидолу.

      • Baksov

        Kvazar666, Хорошо, я ничего не знаю. Валидол мне пока не прописали. Теперь давай, бухти, что ты знаешь о строении материи.

  3. tabasko

    Да это не фундаментальность а реальная матрёшка - ёпта!

  4. Dormidont

    Материя неделима по своей природе, и тем не менее мы ее делим. Но деление это условно: точно так же мы берем единый неделимый акт, такой как человеческий шаг, и делим его на сантиметры и миллиметры. Но ведь это же не значит, что этот наш единый и неделимый шаг, в самом деле состоит из сантиметров.

  5. nuseni

    Практическая польза от знаний какая? Аурум научились создавать?

    • Pyth0n

      nuseni, Узнали как печатать фантики, а на них можно золота купить сколько хочешь.

  6. nen1

    Есть книга "Эфирный ветер" - сборник описаний экспериментов по поиску эфира, начиная с примерно 1895 года и до нашего времени. Там многие описания экспериментов впервые переведены на русский язык. Прочитайте её для начала. Автор сборника Ацюковский. Потом можно посмотреть его лекции примерно 2001 года на ютюбе. Некоторые его идеи можно критиковать. Но у него есть много здравых идей. И они отрезвляют.

    • Dopamine

      nen1, Выдержка из статьи про Ацюковского и эфиродинамику: "...Однако математический аппарат теории не выдерживает критику уже на том моменте, где Ацюковский делит скалярную величину на векторы..."

      По-моему, всё ясно.

      • nen1

        Dopamine, Не стоит сразу отметать все. Это попахивает юношеский максимализмом.

        • Dopamine

          nen1, Что вы! Я ни в коем случае не отметаю всё! Чтобы не попахивало, я отметаю только математический аппарат эфиродинамики.

      • nen1

        Dopamine, Тем более, сборник Эфирный ветер сам по себе имеет огромную ценность. И Ацюковский, надо отдать ему должное, проделал хорошую работу, собрав описания экспериментов от авторов. После этого не надо ссылаться на непонятные источники. Здесь подробные описания экспериментов Майкельсона и Морли. И других, сделанные самими авторами. Именно на Майкельсона ссылаются, что эфир не обнаружен. И это стало общим местом. А как было на самом деле никого и не интересует. Этот эксперимент - та печка, от которой за последние 120 лет многие пляшут. С первоосновой надо познакомиться и не цитировать разных... непонятных авторов.

        • Dopamine

          nen1, Если вы не троллите, то опровержений эфиродинамики хоть отбавляй. Вот одно из них, которое опровергает одно из фундаментальных утверждений Ацюковского о том, как выглядит свободный электрон: Order of Magnitude Smaller Limit on the Electric Dipole Moment of the Electron
          ACME Collaboration: Jacob Baron, Wesley C. Campbell, David DeMille, John M. Doyle, Gerald Gabrielse, Yulia V. Gurevich, Paul W. Hess, Nicholas R. Hutzler, Emil Kirilov, Ivan Kozyryev, Brendon R. O'Leary, Cristian D. Panda, Maxwell F. Parsons, Elizabeth S. Petrik, Ben Spaun, Amar C. Vutha, Adam D. West
          (Submitted on 28 Oct 2013 (v1), last revised 7 Nov 2013 (this version, v2))

          • nen1

            Dopamine, Вы читать умеете? Я хоть один раз писал про эфиродинамику? Выше было написано про сборник Эфирный ветер. И ни слова про эфиродинамику. У меня есть свое мнение про эфиродинамику. Но обсуждать здесь ее не вижу смысла.

            • Dopamine

              nen1, Слив засчитан.

  7. morxod

    "Теории, которые наилучшим образом описывают нашу Вселенную, могут объяснить все наблюдаемые явления, создавать новые, мощные, проверяемые предсказания и не имеют альтернатив"
    И какие такие предсказание они дают?
    Физика нас привела к планетарной катастрофе, этими предсказаниями.
    Инфляция, это и есть отголоски планеты.
    Ждём конца, и наблюдаем как стадо.

  8. 04327

    Я всегда удивлялся тому, что чем меньше живой объект,тем он сложнее выглядит. Имеются в виду разного рода паразиты. Посмотришь под микроскопом, становится немного не по себе. И это я к чему? ВСЕЛЕННАЯ настолько универсальна, что микро- мир и макро- мир -- это следствие одного целого, которое называется энергетической структурой ВСЕЛЕННОЙ. А энергетическая структура ВСЕЛЕННОЙ, то что называют "темной материей", представляет из себя трехмерную цепь из сложных энергетических колец. Диаметр каждого кольца от 1дм.*10 в степени от--50 до --100. Но! Это кольцо не элементарная частица, одно кольцо существовать не может, т.к. не сохраняется баланс энергий и кольцо распадается.Устойчива только структура из пяти колец, вот это и можно назвать элементарной частицей, из которой построен наш мир ( земля, солнце, планеты ,звезды). И теория большого взрыва, уверяю, полная чушь.

    • Dopamine

      04327, Ага... Откуда инфа, подскажите?

      • morxod

        Dopamine, Шестое чувство подсказывает.
        У меня на ютюбе смотри, Вячеслав Мамедов реальная физика.

        • Dopamine

          morxod, Там жесть у вас. Я себя поберегу.

          • morxod

            Dopamine, Береги себя! Эти технологии не для этой особи.

            • Dopamine

              morxod, Это же вам инопланетяне сокровенные знания вещают? Как думаете, почему именно вам, неотесанному быдлу, которое не может двух слов связать?

              • morxod

                Dopamine, Таким квадрупелем, надают по первое число, жди.

      • Spaceman

        Dopamine, Гляньте сайт Astronews.Там много бывает альтернативщиков(то есть создателей неофициальных теорий мира).Например,юзер graviton.Он пишет,что всё состоит из вихрей

        /https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20181212064237

  9. baa

    Вспомнился Солярис.

  10. boyko_s

    "Практическая польза от знаний какая?"
    Не было бы подобных "бесполезных знаний", нечем было бы Вам глупости в интернете постить. Да и самого интернета не было.

    • morxod

      boyko_s, Думаешь в НАСА работают тупоголовые, скоро обнародует, как своё.
      На фейзбуке видно кто просматривает мои посты.
      Если человек дал даром, спасибо не скажут.

  11. morxod

    Вчера показал, опровержения гравитации, очень легко понять по моей теории.
    Работа гироскопа, обьяснялось направление векторов, как постулат, толком некто не понимал откуда антигравитация.
    Сегодня, опровержения на закон сохранения импульса.

  12. nomad62

    Скорее всего, на каком-то уровне материя исчезает и самые малые фундаментальные частицы состоят уже из энергии, а та, в свою очередь - в самом начале - из информации, сиречь мысли )

    • ashum

      nomad62, Годный коммент, не зря дочитал до конца, спасибо..

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.