Atomism, det vill säga läran om förekomsten av de minsta odelbara partiklarna som utgör materia, uppstod långt innan forskare kunde verifiera dess bestämmelser genom experiment. Men när de gjorde det visade det sig att mikrokosmos inte bara är fylld med atomer utan också med ännu mindre partiklar som visar fantastiska egenskaper.
Herr Lubin mikrokosmos
Begreppet "atom" fördes tillbaka till vetenskapligt bruk av John Dalton, en lärare från Manchester, som skapade en övertygande teori om kemisk interaktion i början av 1800-talet. Han kom till slutsatsen att det finns enkla ämnen i naturen, som han kallade "element", och var och en består av atomer som bara är karakteristiska för honom. Dalton introducerade också begreppet atomvikt, vilket gjorde det möjligt att beställa elementen inom den berömda periodiska tabellen, föreslagen av Dmitry Mendeleev i mars 1869.
Det faktum att förutom atomer finns det några andra partiklar började forskare gissa när de studerade elektriska fenomen. 1891 föreslog den irländska fysikern George Stoney att kalla en hypotetisk laddad partikel en elektron. Efter 6 år fann engelsmannen Joseph Thomson att elektronen är mycket lättare än atomen i det lättaste elementet (väte), faktiskt efter att ha upptäckt den första av de grundläggande partiklarna.
År 1911 föreslog Ernest Rutherford, på grundval av experimentella data, en planetarisk modell av atomen, enligt vilken det finns en tät och positivt laddad kärna i dess centrum, runt vilken negativt laddade elektroner kretsar. Den subatomära partikeln med en positiv laddning, från vilken kärnor är sammansatta, kallades en proton.
Snart vände en annan överraskande upptäckt fysiker: antalet protoner i en atom är lika med antalet element i det periodiska systemet. Sedan uppstod en hypotes att det finns några andra partiklar i sammansättningen av atomkärnor. 1921 föreslog den amerikanska kemisten William Harkins att kalla dem neutroner, men det tog ytterligare tio år att registrera och beskriva neutronstrålning, vars upptäckt, som vi vet, var av avgörande betydelse för utvecklingen av kärnkraften.
Kampanjvideo:
Phantoms of the Antiworld
I början av 1930-talet kände fysiker fyra grundläggande partiklar: foton, elektron, proton och neutron. Det verkade som om de räckte för att beskriva mikrokosmos.
Situationen förändrades dramatiskt när Paul Dirac bevisade den teoretiska möjligheten att det finns antielektroner. Om en elektron och en anti-elektron kolliderar, kommer förintelse att inträffa med frisläppandet av en högenergifoton. Till en början trodde Dirac att protonen är anti-elektron, men hans kollegor förlöjliga hans idé, för då skulle alla atomerna i världen omedelbart förstöra. I september 1931 föreslog forskaren att det måste finnas en speciell partikel (senare kallad en positron), som är född från ett vakuum när hårda gammastrålar kolliderar. Det blev snart klart att forskare hade registrerat en sådan partikel tidigare, men inte kunde ge sina manifestationer en rimlig grund. Upptäckten av positronen antydde att protonen och neutronen måste ha samma analoger.
Den ryska fysikern Vladimir Rozhansky gick ännu längre och publicerade 1940 en artikel där han hävdade att vissa kroppar i solsystemet (till exempel meteoriter, kometer och asteroider) består av antimateria. Den utbildade allmänheten, först och främst science fiction-författare, tog upp idén och trodde på den fysiska verkligheten i den anti-värld som finns någonstans i närheten.
Processen för att få artificiellt erhålla antipartiklar visade sig vara mycket besvärlig: för detta var det nödvändigt att bygga en speciell accelerator "Bevatron". Antiprotoner och antineutroner upptäcktes på den i mitten av 1950-talet. Sedan dess, trots de växande arbetskraftskostnaderna, har det varit möjligt att få endast obetydliga mängder antimateria, så sökandet efter dess naturliga "insättningar" fortsätter.
Förhoppningen för anhängare av Rozhansky-hypotesen drivs av den registrerade avvikelsen (med en faktor 100!) Mellan den teoretiskt förutsagda och verkliga intensiteten av antiprotonflöden i kosmiska strålar. Denna skillnad kan förklaras, bland annat med hjälp av antagandet att någonstans utanför vår galax (eller till och med Metagalaxen) verkligen finns ett stort område bestående av antimateria.
Undvikande partikel
1900 konstaterade fysiker att betastrålarna som produceras genom radioaktivt förfall faktiskt är elektroner.
Under ytterligare observationer visade det sig att energin från de utsända elektronerna visar sig vara annorlunda, vilket tydligt bröt mot lagen om bevarande av energi. Inga teoretiska och praktiska knep hjälpte till att förklara vad som hände, och 1930 uppmanade Niels Bohr, kvantfysikens patriark, att denna lag skulle upphävas i förhållande till mikrovålden.
Schweiziska Wolfgang Pauli hittade en väg ut: han föreslog att under förfall av atomkärnor släpps en annan subatomisk partikel, som han kallade en neutron och som inte kan upptäckas av de tillgängliga instrumenten. Eftersom det var vid den tidpunkten att den tidigare förutspådda neutronen slutligen upptäcktes, beslutades det att kalla den hypotetiska Pauli-partikeln en neutrino (senare visade det sig att under beta-sönderfall inte en neutrino utan en antineutrino föds).
Även om idén om neutrino ursprungligen mottogs med skepsis, tog det över tiden medvetandet. Samtidigt uppstod ett nytt problem: partikeln är så liten och har en så obetydlig massa att det är praktiskt taget omöjligt att fixa den även när den passerar genom de tätaste ämnena. Ändå gav forskarna inte upp: när kärnreaktorer dök upp lyckades de användas som generatorer för ett kraftfullt neutrinoflöde, vilket ledde till dess upptäckt 1956.
"Spöke" -partiklar lärde sig att registrera och byggde till och med ett enormt neutrinoobservatorium "Ice Cube" i Antarktis, men själva förblir till stor del ett mysterium. Till exempel finns det en hypotes om att antineutrino interagerar med materien som en vanlig neutrino. Om hypotesen bekräftas genom experiment kommer det att bli klart varför under universums bildning uppstod en global asymmetri och materien idag är mycket större än antimateria.
Forskare förknippar sig med den ytterligare studien av neutrinoer som får svar om möjligheten att röra sig med superluminal hastighet, om arten av "mörk materia", om villkoren i det tidiga universum. Men kanske viktigast av allt, den nyligen beprövade förekomsten av massa i neutrino förstör standardmodellen, som bryter mot grunden för modern fysik.
Utanför standardmodellen
Studien av kosmiska strålar och konstruktionen av kraftfulla acceleratorer bidrog till upptäckten av dussintals tidigare okända partiklar, för vilka en ytterligare klassificering måste införas. Till exempel kallas i dag alla subatomära partiklar som inte kan delas upp i sina komponentdelar, och bara de som anses ha ingen inre struktur (elektroner, neutrinoer etc.) kallas grundläggande.
I början av 1960-talet började standardmodellen ta form - en teori som tar hänsyn till alla kända partiklar och kraftinteraktioner, utom gravitation. Den nuvarande versionen beskriver 61 elementära partiklar, inklusive den legendariska Higgs boson. Framgången med standardmodellen är att den förutsäger egenskaperna hos partiklar som ännu inte har upptäckts och därigenom underlättar att hitta dem. Och ändå finns det skäl att prata, om inte om att revidera, sedan om att utöka modellen. Det är just det som anhängare av New Physics gör, som man uppmanas att lösa de ackumulerade teoretiska problemen.
Att gå utöver standardmodellen kommer att åtföljas av upptäckten av nya elementära partiklar, som fortfarande är hypotetiska. Kanske kommer forskare att upptäcka takyoner (rör sig i superluminal hastighet), gravitoner (med gravitationsinteraktion) och vimps (som utgör "mörk" materia). Men det är lika troligt att de kommer att snubbla över något ännu mer fantastiskt. Men även då finns det ingen garanti för att vi har känt mikrokosmos i sin helhet.
Anton Pervushin