«Московские новости» публикуют самые интересные материалы 2012 года. Если у вас не было времени или возможности прочитать их в течение года, прочитайте их сейчас.
Топ-10 от «Московских новостей», выбор редакции:
• Знаете ли вы, как говорят в провинции
• Адвокаты потерпевшего по делу Pussy Riot уверены, что им лучше понести наказание на земле
• Русский Догвилль
• Санта на МКАДе
• Бизнес-центр Христа Спасителя
• «Я понимаю, что будущее за вариантом «звОнишь» — интервью про новый словарь
• Бозон или кварк
• Тест «Альтернативный ЕГЭ по русскому языку»
• Ходорковский: «Скучаю по слову "люблю"»
• Интервью с Татьяной Ивановой
Разговор об элементарных частицах мы опять начнем с древнегреческих философов, потому что именно они впервые сформулировали две очень важные для нас научные идеи. Первую из них высказал Аристотель, который считал, что все во Вселенной делится на вещество и силы, действующие на него. Так же считают и современные ученые. Вторая идея принадлежит Левкиппу и его ученику Демокриту, полагавшим, что вещество состоит из большого числа разнообразных мельчайших частиц — атомов. Атомы невозможно разделить на более мелкие части, они не разрушаются и не возникают. Они просто существуют в пустом пространстве, движутся в нем, хаотично сталкиваясь, и либо сцепляются друг с другом, либо разлетаются в стороны.
Существование атомов долгое время подвергалось сомнению (например, тем же Аристотелем, считавшим, что вещество непрерывно, то есть любой его кусок можно дробить на все более мелкие кусочки бесконечно). Однако французский физик Жан Батист Перрен, провозившись с экспериментами в 1910-х годах, доказал, что атомы действительно существуют.
Правда, этому предшествовал ряд важных открытий. Например, уже в 1833 году, исследуя явление электролиза, Майкл Фарадей обнаружил существование ионов, а в 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон, используя установку, похожую на телевизионный кинескоп, открыл электрон. Это дало повод думать, что атом все же имеет некоторую внутреннюю структуру и все-таки может быть разделен на составляющие.
В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд, исследуя взаимодействие с атомами альфа-частиц, доказал существование такой структуры и предложил планетарную модель атома. Да, именно ее нам и показывали в школе. Согласно модели Резерфорда, атом состоит из довольно небольшого, но плотного положительно заряженного ядра, вокруг которого по определенным орбитам, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Само ядро состоит из протонов, имеющих заряд равный по величине заряду электрона, но противоположный ему по знаку. Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме, поэтому в целом атом электрически нейтрален.
Модель Резерфорда была хороша для описания устройства самых простых атомов, вроде атома водорода. Но в более сложных случаях она уже не давала приемлемых результатов. Поэтому она постепенно дорабатывалась. Так, в эту модель в том числе было введено собственное вращательное движение частиц, которое учитывалось при помощи спина. Слово «спин» в переводе с английского означает вращение и обозначает некую меру собственного вращения частицы. Спин электрона равен 1/2, такой спин называется полуцелым. Все частицы, из которых состоит вещество, обладают полуцелым спином и на них действует принцип запрета, открытый в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули. Согласно этому принципу, две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии. Грубо говоря, на одной орбите не может находиться больше одного электрона с определенной комбинацией энергии и спина. Это то же самое, как если бы на вечеринке встретились две девушки в одинаковых красных платьях, и одна из них вынуждена была пойти переодеваться.
Частиц, понятно, очень много. И проследить, как они двигаются в веществе, чрезвычайно сложно. Возьмем стеклянную банку, заполненную доверху живыми муравьями, и попытаемся проследить путь одного из них. Естественно, наша попытка будет обречена на провал, потому что муравьи все похожи друг на друга и рано или поздно мы потеряем из виду того, за которым собирались понаблюдать. Так и частицы, попадая в общество себе подобных, становятся неразличимыми. Тем более, что если муравья мы еще можем пометить, например при помощи краски и тонкой кисточки, то раздобыть такую кисточку, например, для электрона, не представляется возможным. Поэтому поведение частиц в коллективе описываются при помощи различных статистических функций распределения. Для коллективов частиц с полуцелым спином используется распределение Ферми-Дирака (названное так по фамилиям его создателей), поэтому они называются фермионы. К фермионам относятся электроны, протоны и нейтроны (из них состоит ядро атома), кварки (из них состоят протоны и нейтроны), нейтрино — все те частицы, из которых состоит вещество.
Кроме фермионов существует и вторая группа частиц — бозоны, которые называются так потому, что к ним для описания их состояния применима статистика Бозе-Эйнштейна. К бозонам, например, можно отнести фотон, гравитон, глюон. Можно сказать, что все силы, представляющие собой взаимодействия межу частицами вещества, переносятся бозонами. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает бозон, который потом налетает на другую частицу вещества и поглощается ей. В результате изменяется состояние обеих частиц (например, их скорость), как будто между ними действует сила. Расстояние, на котором проявляется взаимодействие, зависит от массы бозона.
Бозоны — полная противоположность фермионов. У бозонов целый спин (0,1,2 и так далее), на бозоны не действует принцип запрета Паули (помните, два одинаковых красных платья?). Это значит, что бозоны не просто могут существовать в одинаковых состояниях, они занимают состояние тем охотнее, чем больше их собратьев уже находятся в нем. Можно сказать, что бозоны обладают весьма компанейским характером. Или конформистским, кому как больше нравится. Если придерживаться нашей аналогии, то бозоны – это толпы девушек в одинаковых платьях, которые всеми силами стараются походить одна на другую.
Почему спин электрона равен 1/2 математически обосновал английский физик теоретик Поль Адриен Морис Дирак в 1928 году. Этот же ученый предположил, что у электрона должен быть антипод — позитрон, который и был открыт и 1932 году. Сейчас мы знаем, что каждой частице соответствует античастица и возможно, что у каждого из нас где-то существует двойник из таких античастиц. И если вы когда-нибудь встретите такого анти-себя, будьте осторожны: достаточно малейшего прикосновения, и вы оба превратитесь в одну ослепительную вспышку, которая улетит путешествовать по Вселенной (энергия ведь никуда не исчезает).