Článek

8 subatomárních částic, které byste měli vědět

top-leaderboard-limit '> Tabule v CERNu pokrytá rovnicemi teoretické fyziky kolegy z teoretické fyziky CERN Alberto Ramos a fyzik Antonio Gonzalez-Arroyo z Universidad Autonoma de Madrid, vyfotografována 19. dubna 2016. Image credit: Dean Mouhtaropoulos / Getty snímky

Bosony, leptony, hadrony, gluony - zdá se, že existuje skutečná zoologická zahrada subatomárních částic, a může vám být odpuštěno, že občas zamícháte své kvarky a své kvarky (ano, kvarky jsou skutečná věc nebo alespoň skutečná možná věc) . Následující seznam není úplným katalogem toho, co je venku; je to spíše druh startovací sady, kombinace důležitějších a bizarnějších částic, které tvoří náš vesmír. Seznam běží zhruba v pořadí, od částic, o kterých jste se dozvěděli na hodinách fyziky na střední škole, až po exotičtější entity, které jsou v očích teoretických fyziků prozatím jen trochu záblesky.

1. ELEKTRON: DÁVAJÍCÍ CHEMIE A ELEKTRINY

Zatímco protony a neutrony (a jejich základní kvarky) dávají atomům dost, je to jejich doprovod mnohem lehčích elektronů, který určuje, jak se atomy spojují a tvoří molekuly - slovy, jsou to elektrony, které nám dávají chemii. (Představte si molekulu vody jako dva atomy vodíku a atom kyslíku, které vytvořily dohodu o společné úschově pro jejich 10 elektronových dětí.) Naučit se manipulovat s elektrony bylo jedním z největších vědeckých triumfů v historii. Na konci 19. století jsme se naučili ovládat tok elektronů ve vodičích - elektřinu! (Kupodivu, zatímco elektřina cestuje rychlostí světla, samotné elektrony se pohybují jen pár stop za hodinu.) O několik desetiletí později jsme zjistili, jak vystřelit proud elektronů na fosforeskující obrazovku uvnitř vakuové trubice - voila, televize.

2. FOTON: ELEKTROMAGNETICKÝ NOSIČ ŽÁRU

Povaha světla zmátla vědce a filozofy od starověku. Někteří myslitelé trvali na tom, že světlo se chová jako vlna; jiní (nejslavněji Isaac Newton) uvedli, že světlo bylo tvořeno částicemi. Na počátku 20. století Albert Einstein ukázal, že Newton je na správné cestě, když zjistil, že světlo je „kvantováno“, tj. Je vyrobeno z diskrétních částic (i když se také může chovat jako vlna). Na rozdíl od elektronů a kvarků (viz níže) nemají fotony žádnou „klidovou hmotu“ - to znamená, že neváží nic, v každodenním slova smyslu. Ale fotony stále mají energii. Ukázalo se, že tato energie je úměrná frekvenci světla, takže modré světlo (vyšší frekvence) nese více energie na foton než červené světlo (nižší frekvence). Ale fotony nesou více než jen viditelné světlo; přenášejí všechny formy elektromagnetického záření, včetně rádiových vln (s mnohem nižšími frekvencemi než viditelné světlo) a rentgenových paprsků (s mnohem vyššími frekvencemi).

jak dlouho žijí velcí psi

3. QUARK: VY, ME, GOLFOVÝ MÍČ, HVĚZDA, GALAXIE

Kvarky jsou to, z čeho je vyrobena většina skutečných, známých věcí ve vesmíru - ty a já, hvězdy a planety, golfové míčky a galaxie. Kvarky jsou k sobě přitahovány prostřednictvím takzvané silné jaderné síly, za vzniku protonů a neutronů, které tvoří jádra atomů. (Alespoň viditelné části. Více o tom později.) Ve skutečnosti mohou kvůli zvláštnostem pravidel kvantové mechaniky existovat pouze uvnitř těchto větších, složených zvířat; samotný kvark nikdy nevidíme. Přicházejí v šesti „příchutích“ (jo, další věc kvantové mechaniky): nahoru, dolů, divně, kouzlo, nahoře a dole. Z nich jsou kvarky nahoru a dolů nejstabilnější, takže je to zejména z těch dvou, z nichž je většina „věcí“ vyrobena (ostatní mohou existovat pouze za exotičtějších podmínek). Model kvarku, který byl poprvé navržen v 60. letech, byl od té doby potvrzen tisíci experimentů, které vyvrcholily objevem top kvarku ve Fermilab v roce 1995.

4. NEUTRINO: ZIPPY, S TEENY BIT MASS

Neutrina jsou nepolapitelné, velmi lehké částice, které téměř vůbec neinteragují s hmotou. Prolétávají hmotou tak bez námahy, že po dlouhou dobu fyzici přemýšleli, jestli by mohli mít nulovou klidovou hmotnost, jako jsou fotony. Poprvé teoretizoval Wolfgang Pauli v roce 1930 a byly objeveny v padesátých letech - ale teprve v posledních několika desetiletích byli fyzici schopni ukázat, že neutrina ve skutečnosti mají nepatrnou hmotnost. (Nobelova cena za fyziku za rok 2015 byla udělena dvěma fyzikům, jejichž experimenty pomohly určit některé ze zvláštních vlastností neutrin.) I když jsou neutrina drobná, jsou také všudypřítomná; každou sekundu prochází vaším tělem asi 100 bilionů neutrin, vytvořených ve středu Slunce (nejbližší hlavní zdroj). (A nezáleží na tom, jestli je náhodou noc; malé částice se zipují přímo přes Zemi, jako by tam ani nebyly.)

zvířata, která se vyvinula za posledních 100 let

5. HIGGS BOSON: POTENCIÁLNÍ POSKYTOVATEL HMOTNOSTI

Higgsův boson, který v roce 1993 dostal přezdívku „Boží částice“, se stal nejznámější ze všech částic za posledních několik let. Poprvé postulován v šedesátých letech (Peter Higgs i několik dalších fyziků, kteří pracují samostatně), byl nakonec uvězněn na Velkém hadronovém urychlovači poblíž Ženevy v roce 2012. Proč ten povyk kolem Higgsů? Částice byla posledním kouskem takzvaného „standardního modelu“ částicové fyziky, který se ukázal. Model vyvinutý od šedesátých let vysvětluje, jak fungují všechny známé síly, s výjimkou gravitace. Předpokládá se, že Higgs hraje v tomto systému zvláštní roli, když obdaruje ostatní částice hmotou.

6. GRAVITON: POSLEDNÍ KUS SKLÁDAČKY KVANTICKÉ POLE TEORIE

Graviton (pokud existuje) by byl „nosičem síly“, jako je foton. Fotony „zprostředkovávají“ sílu elektromagnetismu; gravitony by udělaly totéž pro gravitaci. (Když se proton a elektron přitahují navzájem pomocí elektromagnetismu, vyměňují si fotony; podobně by si měly dva gravitační objekty, které se přitahují gravitací, vyměňovat.) To by byl způsob, jak vysvětlit gravitační sílu čistě kvantově polní teorie - nebo, zjednodušeně řečeno, graviton spojí gravitaci a kvantovou teorii a splní stoleté hledání. Problém je v tom, že gravitace je zdaleka nejslabší ze známých sil a neexistuje žádný známý způsob konstrukce detektoru, který by mohl gravitaci skutečně zachytit. Fyzici však vědí trochu o vlastnostech, které graviton musí mít, pokud je venku. Například se předpokládá, že je nehmotný (jako foton), měl by cestovat rychlostí světla a musí to být „boson dvou rotací“, v žargonu částicové fyziky.



7. ČÁSTKA TEMNÉHO ZÁLEŽITOSTI: KLÍČ K CHYBÍCÍ HMOTNOSTI?

Asi před 90 lety si astronomové začali všímat, že na způsobu pohybu galaxií je něco zábavného. Ukázalo se, že v galaxiích není dostatek viditelné hmoty, aby to odpovídalo jejich pozorovanému pohybu. A tak se astronomové a fyzici snažili vysvětlit, jak „temná hmota“ říká, aby doplnila chybějící hmotu. (Ve skutečnosti se věří, že existuje mnohem více temné hmoty než obyčejná, v poměru asi pět ku jedné.) Z čeho by mohla být tmavá hmota vyrobena? Jednou z možností je, že je tvořen dosud neznámými základními částicemi, které se pravděpodobně vytvoří v prvních okamžicích po velkém třesku. Nyní probíhá řada experimentů v naději, že tyto částice najdeme.

dělá Bruce Willis své vlastní kousky

8. TACHYON: PŘÍČINNÁ A ÚČINNÁ MUDDLER (A PRAVDĚPODOBNĚ NENÍ SKUTEČNÁ)

Od té doby, co Einstein předložil první část své teorie relativity, známou jako speciální relativita, víme, že se nic nemůže pohybovat rychleji než světlo. (Je v pořádku pohybovat se rychlostí světla, pokud jste bezhmotní - jako foton.) Tachyony jsou hypotetické částice, které vždy cestují rychleji než světlo. Není nutné říkat, že se moc dobře nelíbí s tím, co víme o fungování vesmíru. V šedesátých letech však někteří fyzici našli mezeru: Pokud byla částice vytvořena nad rychlostí světla a nikdy necestovala pomaleji než světlo, teoreticky mohla existovat. Navzdory tomu tachyony velmi pravděpodobně nejsou skutečné. (V roce 2011 došlo k návalu vzrušení, když vědci v laboratoři částicové fyziky v Itálii tvrdili, že určitý druh neutrin cestoval o něco rychleji než světlo; později připustili, že udělali chybu.) Pokud tachyony existují, někteří lidé si myslí mohly by být použity k vysílání signálů do minulosti, což by znamenalo zmatek příčiny a následku a vedlo by to ke slavným hlavolamům, jako je paradox dědečka. Ale většina fyziků říká, že v nepravděpodobném případě, že existují, by to nebyl problém, protože tachyony by stejně neměly interagovat s normální hmotou (jako my).