Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино

Самая мель­чай­шая ча­сти­ца са­ха­ра – мо­ле­ку­ла са­ха­ра. Их стро­е­ние та­ко­во, что сахар на вкус слад­кий. А стро­е­ние мо­ле­кул воды та­ко­во, что чи­стая вода слад­кой не ка­жет­ся.

4. Молекулы состоят из атомов

А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.

Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.

Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино

Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. Их античастицы - антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Молекулы - самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства.

Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения.

Бозон Хиггса – это частица, которая настолько важна для науки, что она получила прозвище «частица Бога». Именно она, как полагают ученые, дает массу всем остальным частицам. Эти частицы начинают разрушаться, как только они появляются на свет. Создание частицы требует огромного количества энергии, например такого, которое было произведено Большим Взрывом. Что касается большего размера и веса суперпартнеров, ученые полагают, что симметрия была нарушена в скрытом секторе вселенной, который не может быть видим или найден. Например, свет состоит из частиц с нулевой массой, называемых фотонами, они несут электромагнитную силу. Точно так же гравитоны являются теоретическими частицами, которые несут силу тяжести. Ученые до сих пор пытаются отыскать гравитоны, но сделать это очень сложно, так как данные частицы очень слабо взаимодействуют с материей.

Доктор физико-математических наук М. КАГАНОВ.

По давней традиции журнал "Наука и жизнь" рассказывает о новейших достижениях современной науки, о последних открытиях в области физики, биологии и медицины. Но чтобы понимать, насколько они важны и интересны, необходимо хотя бы в общих чертах иметь представление об основах наук. Современная физика развивается стремительно, и люди старшего поколения, те, кто учился в школе и в институте лет 30-40 назад, со многими ее положениями незнакомы: их тогда попросту не существовало. А молодые наши читатели еще не успели про них узнать: научно-популярная литература практически перестала издаваться. Поэтому мы попросили давнего автора журнала М. И. Каганова рассказать об атомах и элементарных частицах и о законах, ими управляющих, о том, что же представляет собой материя. Моисей Исаакович Каганов - физик-теоретик, автор и соавтор нескольких сотен работ по квантовой теории твердого тела, теории металлов и магнетизму. Был ведущим сотрудником Института физических проблем им. П. Л. Капицы и профессором МГУ им. М. В. Ломоносова, членом редколлегий журналов "Природа" и "Квант". Автор многих научно-популярных статей и книг. Сейчас живет в Бостоне (США).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Греческий философ Демокрит первым произнес слово "атом". Согласно его учению, атомы неделимы, неуничтожимы и находятся в постоянном движении. Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела.

Таблица 1. Важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов.

Атом дейтерия.

Английский физик Эрнст Резерфорд по праву считается основоположником ядерной физики, учения о радиоактивности и теории строения атома.

На снимке: поверхность кристалла вольфрама, увеличенная в 10 миллионов раз; каждая яркая точка - его отдельный атом.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Работая над созданием теории излучения, Макс Планк в 1900 году пришел к выводу, что атомы нагретого вещества должны излучать свет порциями, квантами, имеющими размерность действия (Дж.с) и энергию, пропорциональную частоте излучения: Е = hn.

В 1923 году Луи де Бройль перенес идею Эйнштейна о двойственной природе света - корпускулярно-волновом дуализме - на вещество: движение частицы соответствует распространению бесконечной волны.

Опыты по дифракции убедительно подтвердили теорию де Бройля, которая утверждала, что движение любой частицы сопровождается волной, длина и скорость которой зависят от массы и энергии частицы.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Опытный бильярдист всегда знает, как покатятся шары после удара, и легко загоняет их в лузу. С атомными частицами гораздо сложнее. Траекторию летящего электрона указать невозможно: он не только частица, но и волна, бесконечная в пространстве.

Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звездами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, которое заполнено мирами и простирается на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, что мы в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма - большая заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка-Земля движется в случайном, казалось бы, ничем не выделенном участке необозримого (буквально!) пространства.

Но на Земле зародилась жизнь. Она развивалась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики.

Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. Не менее поразительно то, что все построено из частиц всего трех типов - электронов, протонов и нейтронов.

Чтобы, используя основные законы природы, вывести наблюдаемые и предсказать новые свойства разнообразных веществ и объектов, созданы сложные математические теории, разобраться в которых совсем не просто. Но контуры научной картины Мира можно постичь, не прибегая к строгой теории. Естественно, для этого необходимо желание. Но не только: даже на предварительное знакомство придется затратить определенный труд. Нужно постараться постичь новые факты, незнакомые явления, которые на первый взгляд не согласуются с имеющимся опытом.

Достижения науки часто приводят к мысли, что для нее "нет ничего святого": то, что вчера было истиной, сегодня отбрасывается. Со знаниями возникает понимание того, как трепетно наука относится к каждой крупице накопленного опыта, с какой осторожностью движется вперед, особенно в тех случаях, когда приходится отказываться от укоренившихся представлений.

Задача этого рассказа - познакомить с принципиальными чертами строения неорганических веществ. Несмотря на бесконечное разнообразие, их структура сравнительно проста. Особенно, если сравнивать их с любым, даже самым простым живым организмом. Но есть и общее: все живые организмы, как и неорганические вещества, построены из электронов, протонов и нейтронов.

Нельзя объять необъятное: для того чтобы, хотя бы в общих чертах, познакомить с устройством живых организмов, нужен специальный рассказ.

Разнообразие вещей, предметов - всего, чем мы пользуемся, что нас окружает, необозримо. Не только по своему предназначению и устройству, но и по используемым для их создания материалам - веществам, как принято говорить, когда нет необходимости подчеркивать их функцию.

Вещества, материалы выглядят сплошными, а осязание подтверждает то, что видят глаза. Казалось бы, нет исключений. Текучая вода и твердый металл, столь непохожие друг на друга, сходны в одном: и металл и вода сплошные. Правда, в воде можно растворить соль или сахар. Они находят себе в воде место. Да и в твердое тело, например в деревянную доску, можно вбить гвоздь. Приложив заметные усилия, можно добиться того, что место, которое было занято деревом, займет железный гвоздь.

Мы хорошо знаем: от сплошного тела можно отломить небольшой кусочек, можно измельчить практически любой материал. Иногда это трудно, порой происходит самопроизвольно, без нашего участия. Представим себя на пляже, на песке. Мы понимаем: песчинка - далеко не самая мелкая частица вещества, из которого состоит песок. Если постараться, можно песчинки уменьшить, например, пропустив через вальцы - через два цилиндра из очень твердого металла. Попав между вальцами, песчинка раздробится на более мелкие части. По сути, так из зерна на мельницах делают муку.

Теперь, когда атом прочно вошел в наше мироощущение, очень трудно представить себе, что люди не знали, ограничен процесс дробления или вещество можно размельчать до бесконечности.

Неизвестно, когда люди впервые задали себе этот вопрос. Впервые он был зафиксирован в сочинениях древнегреческих философов. Некоторые из них считали, что, сколько ни дроби вещество, оно допускает деление на еще более мелкие части - предела нет. Другие высказывали мысль, что существуют мельчайшие неделимые частицы, из которых и состоит все. Чтобы подчеркнуть, что частицы эти - предел дробления, они назвали их атомами (по-древнегречески слово "атом" означает неделимый).

Необходимо назвать тех, кто первым выдвинул идею существовования атомов. Это - Демокрит (родился около 460 или 470 года до новой эры, умер в глубокой старости) и Эпикур (341-270 годы до новой эры). Итак, атомному учению почти 2500 лет. Представление об атомах отнюдь не сразу восприняли все. Еще лет 150 назад уверенных в существовании атомов было мало даже среди ученых.

Дело в том, что атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и, например, с помощью микроскопа, увеличивающего в 1000 раз. Давайте задумаемся: каков размер самых маленьких частиц, которые можно увидеть? У разных людей разное зрение, но, наверное, все согласятся, что увидеть частицу размером менее 0,1 миллиметра нельзя. Поэтому, если воспользоваться микроскопом, можно, хотя и с трудом, разглядеть частицы размером около 0,0001 миллиметра, или 10 -7 метра. Сравнив размеры атомов и межатомных расстояний (10 -10 метра) с длиной, принятой нами как предел возможности увидеть, поймем, почему любое вещество кажется нам сплошным.

2500 лет - огромный срок. Что бы ни происходило в мире, всегда находились люди, которые пытались ответить себе на вопрос, как устроен окружающий их мир. В какие-то времена проблемы устройства мира волновали больше, в какие-то - меньше. Рождение науки в ее современном понимании произошло сравнительно недавно. Ученые научились ставить эксперименты - задавать природе вопросы и понимать ее ответы, создавать теории, описывающие результаты экспериментов. Теории потребовали строгих математических методов для получения достоверных выводов. Наука прошла длинный путь. На этом пути, который для физики начался около 400 лет назад с работ Галилео Галилея (1564-1642), добыто бесконечное количество сведений о строении вещества и свойствах тел разной природы, обнаружено и понято бесконечное количество разнообразных явлений.

Человечество научилось не только пассивно понимать природу, но и использовать ее в своих целях.

Мы не будем рассматривать историю развития атомных представлений на протяжении 2500 лет и историю физики в течение последних 400 лет. Наша задача - по возможности кратко и наглядно рассказать о том, из чего и как построено все - окружающие нас предметы, тела и мы сами.

Как было уже сказано, все вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Знаю об этом со школьных лет, но меня не перестает поражать, что все построено из частиц всего трех сортов! А ведь мир так разнообразен! К тому же и средства, которыми пользуется природа для осуществления строительства, тоже достаточно однообразны.

Последовательное описание того, как построены вещества разного типа, - сложная наука. Она использует серьезную математику. Надо подчеркнуть - какой-то другой, простой теории не существует. Но физические принципы, лежащие в основе понимания строения и свойств веществ, хотя они нетривиальны и трудно представимы, все же постичь можно. Своим рассказом мы попытаемся помочь всем, кого интересует устройство мира, в котором мы живем.

Казалось бы, наиболее естественный способ понять, как устроено некое сложное устройство (игрушка или механизм), - разобрать, разложить на составные части. Надо только быть очень осторожным, помня, что сложить будет значительно труднее. "Ломать - не строить" - говорит народная мудрость. И еще: из чего состоит устройство, мы, может быть, поймем, но, как работает, вряд ли. Стоит иногда отвинтить один винтик, и все - устройство перестало работать. Нужно не столько разобрать, сколько разобраться.

Так как речь идет не о фактическом разложении всех окружающих нас предметов, вещей, организмов, а о воображаемом, то есть о мысленном, а не о настоящем опыте, то можно не волноваться: собирать не придется. Кроме того, не будем скупиться на усилия. Не будем задумываться, трудно или легко разложить устройство на составные части. Секундочку. А откуда мы знем, что дошли до предела? Может быть, добавив усилий, сможем пойти дальше? Признаемся себе: мы не знаем, дошли ли до предела. Приходится воспользоваться общепринятым мнением, понимая, что это не слишком надежный аргумент. Но если помнить о том, что это лишь общепринятое мнение, а не истина в последней инстанции, то опасность невелика.

Сейчас общепринято, что деталями, из которых все построено, служат элементарные частицы. И при этом далеко не все. Посмотрев в соответствующий справочник, мы убедимся: элементарных частиц более трехсот. Обилие элементарных частиц заставило задуматься о возможности существования субэлементарных частиц - частиц, из которых состоят сами элементарные частицы. Так появилась идея кварков. Они обладают тем удивительным свойством, что, по-видимому, не существуют в свободном состоянии. Кварков достаточно много - шесть, и у каждого имеется своя античастица. Возможно, путешествие в глубь материи не окончено.

Для нашего рассказа обилие элементарных частиц и существование субэлементарных несущественно. В построении веществ непосредственное участие принимают электроны, протоны и нейтроны - все построено только из них.

Прежде чем обсуждать свойства реальных частиц, задумаемся, какими нам бы хотелось видеть детали, из которых все построено. Когда речь идет о том, что хотелось бы видеть, конечно, надо учитывать разнообразие взглядов. Отберем несколько черт, которые кажутся обязательными.

Во-первых, элементарные частицы должны иметь свойство объединяться в разнообразные структуры.

Во-вторых, хочется думать, что элементарные частицы неуничтожимы. Зная, какую длинную историю имеет мир, трудно представить себе, что частицы, из которых он состоит, смертны.

В-третьих, хотелось бы, чтобы самих деталей было не слишком много. Глядя на строительные блоки, мы видим, сколь разнообразные постройки могут быть созданы из одинаковых элементов.

Знакомясь с электронами, протонами и нейтронами, мы увидим, что их свойства не противоречат нашим пожеланиям, а желанию простоты, несомненно, соответствует то, что в строении всех веществ принимают участие всего три типа элементарных частиц.

Приведем важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов. Они собраны в таблицу 1.

Величина заряда дана в кулонах, масса - в килограммах (единицах СИ); слова "спин" и "статистика" будут пояснены ниже.

Обратим внимание на различие в массе частиц: протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов. Следовательно, масса любого тела почти целиком определяется массой протонов и нейтронов.

Нейтрон, как это следует из его названия, нейтрален - его заряд равен нулю. А протон и электрон имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Электрон заряжен отрицательно, а протон - положительно.

Среди характеристик частиц нет, казалось бы, важной характеристики - их размера. Описывая строение атомов и молекул, электроны, протоны и нейтроны можно считать материальными точками. О размерах протона и нейтрона придется вспомнить только при описании атомных ядер. Даже по сравнению с размерами атомов протоны и нейтроны чудовищно малы (порядка 10 -16 метра).

По сути дела, этот короткий раздел сводится к представлению электронов, протонов и нейтронов как строительного материала всех тел в природе. Можно было бы просто ограничиться таблицей 1, однако нам предстоит понять, каким образом из электронов, протонов и нейтронов осуществляется постройка, что заставляет частицы объединяться в более сложные конструкции и каковы эти конструкции.

Атомов много. Оказалось необходимым и возможным упорядочить их специальным образом. Упорядочение дает возможность подчеркнуть различие и сходство атомов. Разумное расположение атомов - заслуга Д. И. Менделеева (1834-1907), который сформулировал периодический закон, носящий его имя. Если временно отвлечься от существования периодов, то принцип расположения элементов крайне прост: они располагаются последовательно по весу атомов. Самый легкий - атом водорода. Последний природный (не созданный искусственно) атом - атом урана, который тяжелее его в 200 с лишним раз.

Понимание строения атомов объяснило наличие периодичности в свойствах элементов.

В самом начале XX века Э. Резерфорд (1871-1937) убедительно показал, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре - небольшой (даже по сравнению с атомом) области пространства: радиус ядра приблизительно в 100 тысяч раз меньше размера атома. Когда Резерфорд производил свои эксперименты, еще не был открыт нейтрон. С открытием нейтрона было понято, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а атом естественно представлять себе как ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре - ведь в целом атом нейтрален. Протоны и нейтроны, как строительный материал ядра, получили общее название - нуклоны (с латинского nucleus - ядро). Этим названием мы и будем пользоваться.

Количество нуклонов в ядре принято обозначать буквой А . Ясно, что А = N + Z , где N - число нейтронов в ядре, а Z - число протонов, равное числу электронов в атоме. Число А носит название атомной массы, а Z - атомного номера. Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они находятся в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место). Дело в том, что химические свойства изотопов почти тождественны. Если таблицу Менделеева рассмотреть внимательно, можно убедиться, что, строго говоря, расположение элементов соответствует не атомной массе, а атомному номеру. Если элементов около 100, то изотопов более 2000. Правда, многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны (от латинского radio - излучаю, activus - деятельный), они распадаются, испуская различные излучения.

Опыты Резерфорда не только привели к открытию атомных ядер, но и показали, что в атоме действуют те же электростатические силы, которые отталкивают друг от друга одноименно заряженные тела и притягивают друг к другу разноименно заряженные (например, шарики электроскопа).

Атом устойчив. Следовательно, электроны в атоме движутся вокруг ядра: центробежная сила компенсирует силу притяжения. Понимание этого привело к созданию планетарной модели атома, в которой ядро - Солнце, а электроны - планеты (с точки зрения классической физики, планетарная модель непоследовательна, но об этом ниже).

Есть целый ряд способов оценить размер атома. Разные оценки приводят к близким результатам: размеры атомов, конечно, различны, но приблизительно равны нескольким десятым нанометра (1 нм = 10 -9 м).

Рассмотрим для начала систему электронов атома.

В Солнечной системе планеты притягиваются к Солнцу силой гравитации. В атоме действует электростатическая сила. Ее часто называют кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), установившего, что сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тот факт, что два заряда Q 1 и Q 2 притягиваются или отталкивают ся с силой, равной F C = Q 1 Q 2 /r 2 , где r - расстояние между зарядами, носит название "Закон Кулона". Индекс "С" присвоен силе F по первой букве фамилии Кулона (по-французски Coulomb ). Среди самых различных утверждений мало найдется таких, которые столь же справедливо названы законом, как закон Кулона: ведь область его применимости практически не ограничена. Заряженные тела, каких бы они ни были размеров, а также атомные и даже субатомные заряженные частицы - все они притягиваются или отталкиваются в согласии с законом Кулона.

С гравитацией человек знакомится в раннем детстве. Падая, он учится уважать силу притяжения к Земле. Знакомство с ускоренным движением обычно начинается с изучения свободного падения тел - движения тела под действием гравитации.

Между двумя телами массы М 1 и М 2 действует сила F N =-GМ 1 М 2 /r 2 . Здесь r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная, равная 6,67259.10 -11 м 3 кг -1 с -2 , индекс "N" дан в честь Ньютона (1643 - 1727). Это выражение называют законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщий характер. Сила F N определяет движение галактик, небесных тел и падение предметов на Землю. Закон всемирного тяготения справедлив при любом расстоянии между телами. Изменения в картину гравитации, которые внесла общая теория относительности Эйнштейна (1879-1955), мы упоминать не будем.

И кулоновская электростатическая сила, и ньютоновская сила всемирного тяготения одинаково (как 1/r 2) уменьшаются с увеличением расстояния между телами. Это позволяет сравнить действие обеих сил на любом расстоянии между телами. Если силу кулоновского отталкивания двух протонов сравнить по величине с силой их гравитационного притяжения, то окажется, что F N /F C = 10 -36 (Q 1 = Q 2 = e p ; M 1 = = M 2 = m p). Поэтому гравитация сколько-нибудь существенной роли в строении атома не играет: она слишком мала по сравнению с электростатической силой.

Обнаружить электрические заряды и измерить взаимодействие между ними не представляет труда. Если электрическая сила так велика, то почему она не важна, когда, скажем, падают, прыгают, бросают мяч? Потому что в большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженными) телами. В пространстве всегда очень много заряженных частиц (электронов, ионов разного знака). Под воздействием огромной (по атомным масштабам) притягивающей электрической силы, созданной заряженным телом, заряженные частицы устремляются к ее источнику, прилипают к телу и нейтрализуют его заряд.

Об атомных и еще более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным образом потому, что их свойствам никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что частицы, из которых состоят такие маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но все оказалось гораздо сложнее.

Частица и волна... Казалось бы, даже сравнивать бессмысленно, настолько они различны.

Наверное, когда думаешь о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн - расстояния между двумя последовательными гребнями - могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значитель ное пространство.

Волна периодичнa во времени и в пространстве. Длина волны (λ ) - мера пространственной периодичности. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно ее обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз. Обозначим период волнового движения - время, за которое проходит одна волна, - буквой Т . Величина, обратная периоду, называется частотой ν = 1/Т . Самые простые волны (гармонические) имеют определенную частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн (см. "Наука и жизнь" № 11, 2001 г.). Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы ее себе представляем, и волна абсолютно не похожи.

Со времен Ньютона шел спор о природе света. Что есть свет - совокупность частиц (корпускул, от латинского corpusculum - тельце) или волн? Теории долго конкурировали. Волновая теория победила: корпускулярная теория не могла объяснить экспериментальные факты (интерференцию и дифракцию света). С прямолинейным распространением светового луча волновая теория легко справилась. Немаловажную роль сыграло то, что длина световых волн по житейским понятиям очень мала: диапазон длин волн видимого света от 380 до 760 нанометров. Более короткие электромагнитные волны - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а более длинные - инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые и все остальные радиоволны.

К концу XIX века победа волновой теории света над корпускулярной казалась окончательной и бесповоротной. Однако ХХ век внес серьезные коррективы. Казалось, что свет или волны, или частицы. Оказалось - и волны и частицы. Для частиц света, для его квантов, как принято говорить, было придумано специальное слово - "фотон". Слово "квант" происходит от латинского слова quantum - сколько, а "фотон" - от греческого слова photos - свет. Слова, обозначающие название частиц, в большинстве случаев имеют окончание он . Как ни удивительно, в одних экспериментах свет ведет себя как волны, а в других - как поток частиц. Постепенно удалось построить теорию, предсказывающую, как, в каком эксперименте будет вести себя свет. В настоящее время эта теория всеми принята, разное поведение света уже не вызывает удивления.

Первые шаги всегда особенно трудны. Приходилось идти против устоявшегося в науке мнения, высказывать утверждения, кажущиеся ересью. Настоящие ученые искренне верят в ту теорию, которую они используют для описания наблюдаемых явлений. Отказаться от принятой теории очень трудно. Первые шаги сделали Макс Планк (1858-1947) и Альберт Эйнштейн (1879-1955).

Согласно Планку - Эйнштейну, именно отдельными порциями, квантами, свет излучается и поглощается веществом. Энергия, которую несет фотон, пропорциональна его частоте: Е = h ν. Коэффициент пропорциональности h назвали постоянной Планка в честь немецкого физика, который ввел ее в теорию излучения в 1900 году. И уже в первой трети XX века стало понятно, что постоянная Планка - одна из важнейших мировых констант. Естествен но, она была тщательно измерена: h = 6,6260755.10 -34 Дж.с.

Квант света - это много или мало? Частота видимого света порядка 10 14 с -1 . Напомним: частота и длина волны света связаны соотношением ν = c /λ, где с = 299792458.10 10 м/с (точно) - скорость света в вакууме. Энергия кванта h ν, как нетрудно видеть, порядка 10 -18 Дж. За счет этой энергии можно поднять на высоту 1 сантиметр массу в 10 -13 грамма. По человеческим масштабам чудовищно мало. Но это масса 10 14 электронов. В микромире совсем другие масштабы! Конечно, человек не может ощутить массу в 10 -13 грамма, но глаз человека столь чувствителен, что может увидеть отдельные кванты света - в этом убедились, произведя ряд тонких экспериментов. В обычных условиях человек не различает "зернистости" света, воспринимая его как непрерывный поток.

Зная, что свет имеет одновременно и корпускулярную и волновую природу, легче представить себе, что и "настоящие" частицы обладают волновыми свойствами. Впервые такую еретическую мысль высказал Луи де Бройль (1892-1987). Он не пытался выяснить, какова природа волны, характеристики которой предсказал. Согласно его теории, частице массой m , летящей со скоростью v , соответствует волна с длиной волны l = hmv и частотой ν = Е /h , где Е = mv 2 /2 - энергия частицы.

Дальнейшее развитие атомной физики привело к пониманию природы волн, описывающих движение атомных и субатомных частиц. Возникла наука, получившая название "квантовая механика" (в первые годы ее чаще называли волновой механикой).

Квантовая механика применима к движению микроскопических частиц. При рассмотрении движения обычных тел (например, любых деталей механизмов) нет никакoго смысла учитывать квантовые поправки (поправки, обязанные волновым свойствам материи).

Одно из проявлений волнового движения частиц - отсутствие у них траектории. Для существования траектории необходимо, чтобы в каждый момент времени частица имела определенную координату и определенную скорость. Но именно это и запрещено квантовой механикой: чстица не может иметь одновременно и определенное значение координаты х , и определенное значение скорости v . Их неопределенности Dх и Dv связаны соотношением неопределенностей, открытым Вернером Гейзенбергом (1901-1974): Dх Dv ~ h/m , где m - масса частицы, а h - постоянная Планка. Постоянную Планка часто называют универсальным квантом "действия". Не уточняя термин действие , обратим внимание на эпитет универсальный . Он подчеркивает, что соотношение неопределенности справедливо всегда. Зная условия движения и массу частицы, можно оценить, когда нужно учитывать квантовые законы движения (другими словами, когда нельзя пренебречь волновыми свойствами частиц и их следствием - соотношениями неопределенности), а когда вполне можно пользоваться классическими законами движения. Подчеркнем: если можно, то и нужно, так как классическая механика существенно проще квантовой.

Обратим внимание на то, что постоянная Планка делится на массу (они входят в комбинации h/m ). Чем масса больше, тем роль квантовых законов меньше.

Чтобы почувствовать, когда пренебречь квантовыми свойствами заведомо можно, постараемся оценить величины неопределенностей Dх и Dv . Если Dх и Dv пренебрежимо малы по сравнению с их средними (классическими) значениями, формулы классической механики прекрасно описывают движение, если не малы, необходимо использовать квантовую механику. Нет смысла учитывать квантовую неопределенность и тогда, когда другие причины (в рамках классической механики) приводят к большей неопределенности, чем соотношение Гейзенберга.

Рассмотрим один пример. Помня, что мы хотим показать возможность пользоваться классической механикой, рассмотрим "частицу", масса которой 1 грамм, а размер 0,1 миллиметра. По человеческим масштабам это - крупинка, легкая, маленькая частица. Но она в 10 24 раз тяжелее протона и в миллион раз больше атома!

Пусть "наша" крупинка движется в сосуде, наполненном водородом. Если крупинка летит достаточно быстро, нам кажется, что она движется по прямой с определенной скоростью. Это впечатление ошибочно: из-за ударов молекул водорода по крупинке ее скорость при каждом ударе чуть изменяется. Оценим, на сколько именно.

Пусть температура водорода 300 К (температуру мы всегда измеряем по абсолютной шкале, по шкале Кельвина; 300 К = 27 o С). Умножив температуру в кельвинах на постоянную Больцмана k B , = 1,381.10 -16 Дж/К, мы выразим ее в энергетических единицах. Изменение скорости крупинки можно подсчитать, воспользовавшись законом сохранения количества движения. При каждом столкновении крупинки с молекулой водорода ее скорость изменяется приблизительно на 10 -18 см/с. Изменение происходит совершенно случайно и в случайном направлении. Поэтому величину 10 -18 см/с естественно считать мерой классической неопределенности скорости крупинки (Dv ) кл для данного случая. Итак, (Dv ) кл = 10 -18 см/с. Местоположение крупинки определить с точностью большей, чем 0,1 ее размера, по-видимому, очень трудно. Примем (Dх ) кл = 10 -3 см. Наконец, (Dх ) кл (Dv ) кл = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Казалось бы, очень маленькая величина. Во всяком случае, неопределенности скорости и координаты так малы, что можно рассматривать среднее движение крупинки. Но по сравнению с квантовой неопределенностью, продиктованной соотношением Гейзенберга (Dх Dv = 10 -27), классическая неоднородность огромна - в этом случае превышает ее в миллион раз.

Вывод: рассматривая движение крупинки, учитывать ее волновые свойства, то есть существование квантовой неопределенности координаты и скорости, не нужно. Вот когда речь идет о движении атомных и субатомных частиц, ситуация резко меняется.

Что мы знаем о частицах меньше атома? И какая же самая маленькая частица во Вселенной?

Окружающий нас мир… Кто из нас не восхищался его чарующей красотой? Его бездонным ночным небом, усыпанным миллиардами мерцающих загадочных звезд и теплотой его ласкового солнечного света. Изумрудными полями и лесами, бурными реками и необозримыми морскими просторами. Сверкающими вершинами величественных гор и сочными альпийскими лугами. Утренней росой и соловьиной трелью на рассвете. Благоухающей розой и тихим журчанием ручья. Пылающим закатом и ласковым шелестом березовой рощи…

Разве можно придумать что-либо более прекрасное, чем окружающий нас мир?! Более сильное и впечатляющее? И, вместе с тем, более хрупкое и нежное? Все это тот мир, где мы дышим, любим, радуемся, ликуем, страдаем и грустим… Все это - наш мир. Мир, в котором мы живем, который мы чувствуем, который видим и который нам хоть как-то понятен.

Однако, он гораздо более разнообразен и сложен, чем может показаться на первый взгляд. Мы знаем, что сочные луга не появились бы без фантастического буйства бесконечного хоровода гибких зеленых травинок, пышные деревья, наряженные в изумрудное одеяние - без великого множества листьев на их ветвях, а золотые пляжи - без многочисленных сверкающих песчинок, хрустящих под босыми ногами в лучах летнего ласкового солнца. Большое всегда состоит из малого. Малое - из еще более малого. И этой последовательности, наверное, нет предела.

Поэтому травинки и песчинки, в свою очередь, состоят из молекул, которые образуются из атомов. Атомы, как известно, имеют в своем составе элементарные частицы - электроны, протоны и нейтроны. Но и они, как считается, не конечная инстанция. Современная наука утверждает, что протоны и нейтроны, к примеру, состоят из гипотетических энергетических сгустков - кварков. Есть предположение, что существует еще более мелкая частица - преон, пока так же невидимый, непознанный, но предполагаемый.

Мир молекул, атомов, электронов, протонов, нейтронов, фотонов и т.д. принято называть микромиром . Он является основой макромира - мира человека и соразмерных с ним величин на нашей планете и мегамира - мира звезд, галактик, Вселенной и Космоса. Все эти миры взаимосвязаны и не существуют один без другого.

С мегамиром мы уже познакомились в отчете о нашей первой экспедиции «Дыхание Вселенной. Путешествие первое» и уже имеем представление о далеких галактиках и Вселенной. В том небезопасном путешествии мы открыли для себя мир темной материи и темной энергии, познали глубины черных дыр, достигли вершин сверкающих квазаров и чудом избежали Большого взрыва и не менее Большого сжатия. Вселенная предстала перед нами во всей своей красе и величии. За время нашего путешествия мы поняли, что звезды и галактики не появились сами по себе, а были кропотливо, в течение миллиардов лет, сформированы из частиц и атомов.

Именно частицы и атомы составляют весь окружающий нас мир. Именно они в своем бесчисленном и многообразном сочетании могут явиться перед нами то в образе прекрасной голландской розы, то в виде сурового нагромождения тибетских скал. Все, что мы видим состоит из этих загадочных представителей таинственного микромира. Почему «загадочных» и почему «таинственного»? Потому что человечество, к сожалению, пока очень и очень мало знает об этом мире и о его представителях.

Современную науку о микромире невозможно представить без упоминания электрона, протона или нейтрона. В любом справочном материале по физике или химии мы обнаружим их массу с точностью до девятого знака после запятой, их электрический заряд, время жизни и т.д. К примеру, в соответствии с этими справочниками электрон имеет массу 9,10938291(40) х 10 -31 кг, электрический заряд - минус 1,602176565(35) х 10 -19 Кл, время жизни - бесконечность или не менее 4,6 х 10 26 лет (Википедия).

Точность определения параметров электрона впечатляет, и гордость за научные достижения цивилизации переполняет наши сердца! Правда, одновременно закрадываются некоторые сомнения, прогнать которые при всем желании не совсем получается. Определить массу электрона равную одной миллиард - миллиард - миллиардной части килограмма, да еще и взвесить ее с точностью до девятого знака после запятой - дело, полагаю, совсем не простое, как и замерить время жизни электрона в 4 600 000 000 000 000 000 000 000 000 лет.

Тем более, что этого самого электрона пока еще никто и никогда не видел. Самые современные микроскопы позволяют увидеть лишь электронное облако вокруг ядра атома, в рамках которого с огромной скоростью перемещается, как полагают ученые, электрон (Рис. 1). Мы пока точно не знаем ни размеров электрона, ни его форму, ни скорость его вращения. Реально, об электроне, как, впрочем, и о протоне, и о нейтроне мы знаем крайне мало. Мы можем лишь предполагать и догадываться. К сожалению, на сегодняшний день это пока все наши возможности.

Рис. 1. Фотография электронных облаков, полученная физиками Харьковского Физико-технического института в сентябре 2009 года

Но электрон или протон - это мельчайшие элементарные частицы, из которых состоит атом любого вещества. И если наши технические средства изучения микромира пока не позволяют видеть частицы и атомы, может быть, начнем с чего-то бо льшего и более изведанного? Например, с молекулы! Она состоит из атомов. Молекула - это более крупный и понятный объект, который, вполне вероятно, более глубоко изучен.

К сожалению, вынужден вас вновь разочаровать. Молекулы понятны нам лишь на бумаге в виде абстрактных формул и рисунков их предполагаемой структуры. Получить четкое изображение молекулы с ярко выраженными связями между атомами мы пока тоже не можем.

В августе 2009 года, используя технологию атомной силовой микроскопии, европейские исследователи впервые сумели получить изображение структуры достаточно крупной молекулы пентацена (С 22 Н 14). Самая современная технология позволила разглядеть лишь пять колец, определяющих строение этого углеводорода, а также пятна отдельных атомов углерода и водорода (Рис. 2). И это пока все, на что мы способны…

Рис. 2. Структурное представление молекулы пентацена (вверху)

и ее фото (внизу)

С одной стороны, полученные фотографии позволяют утверждать, что избранный учеными-химиками путь, описывающий состав и структуру молекул, уже не подлежит сомнению, но, с другой стороны, мы можем только догадываться о том,

как же, все-таки, происходит соединение атомов в молекуле, а элементарных частиц - в атоме? Почему эти атомарные и молекулярные связи устойчивы? Как они образовываются, что за силы их поддерживают? Как выглядят электрон, протон или нейтрон? Какова их структура? Что представляет собой атомное ядро? Как протон и нейтрон уживаются в одном пространстве и почему отвергают из него электрон?

Вопросов такого рода очень много. Ответов тоже. Правда, многие ответы основываются только на предположениях, которые порождают новые вопросы.

Мои первые же попытки проникнуть в тайны микромира натолкнулись на достаточно поверхностное представление современной наукой многих фундаментальных знаний об устройстве объектов микромира, о принципах их функционирования, о системах их взаимосвязей и взаимоотношений. Оказалось, что человечество до сих пор четко не представляет, как устроены ядро атома и частицы его составляющие - электроны, протоны и нейтроны. Мы имеем лишь общие представления о том, что в действительности происходит в процессе деления атомного ядра, какие события могут происходить при длительном течении этого процесса.

Изучение ядерных реакций ограничилось наблюдением за процессами и констатацией определенных причинно-следственных связей, выведенных экспериментальным путем. Исследователи научились определять лишь поведение тех или иных частиц при том или другом воздействии. Вот и все! Без понимания их структуры, без раскрытия механизмов взаимодействия! Только поведение! На основе этого поведения определялись зависимости тех или иных параметров и, для пущей важности, эти экспериментальные данные облекались в многоэтажные математические формулы. Вот и вся теория!

К несчастью, этого оказалось достаточным, чтобы храбро приступить к строительству атомных электростанций, различных ускорителей, коллайдеров и созданию ядерных бомб. Получив первичные знания о ядерных процессах, человечество немедленно включилось в беспрецедентную гонку за обладанием мощной подвластной ему энергией.

Как на дрожжах росло количество стран, имеющих на вооружении ядерный потенциал. Ядерные ракеты в огромном количестве угрожающе поглядывали в сторону недружелюбных соседей. Стали появляться атомные электростанции, беспрерывно вырабатывающие дешевую электрическую энергию. Огромные средства уходили на ядерные разработки все новых и новых конструкций. Наука, пытаясь заглянуть внутрь атомного ядра, усиленно возводила суперсовременные ускорители частиц.

Однако, до структуры атома и его ядра дело не доходило. Увлечение поисками все новых и новых частиц и погоня за нобелевскими регалиями отодвинуло на второй план глубокое изучение строения ядра атома и входящих в него частиц.

Но поверхностные знания о ядерных процессах незамедлительно негативно проявились в ходе эксплуатации атомных реакторов и спровоцировали в ряде ситуаций возникновение самопроизвольных ядерных цепных реакций.

В этом списке представлены даты и места возникновения самопроизвольных ядерных реакций:

21.08.1945 год. США, Лос-Аламосская национальная лаборатория.

21.05.1946 год. США, Лос-Аламосская национальная лаборатория.

15.03.1953 год. СССР, Челябинск-65, ПО «Маяк».

21.04.1953 год. СССР, Челябинск-65, ПО «Маяк».

16.06.1958 год. США, Ок-Ридж, Радиохимический завод Y-12.

15.10.1958 год. Югославия, Институт Б. Кидрича.

30.12.1958 год. США, Лос-Аламосская национальная лаборатория.

03.01.1963 год. СССР, Томск-7, Сибирский химический комбинат.

23.07.1964 год. США, Вудри-вер, Радиохимический завод.

30.12.1965 год. Бельгия, Мол.

05.03.1968 год. СССР, Челябинск-70, ВНИИТФ.

10.12.1968 год. СССР, Челябинск-65, ПО «Маяк».

26.05.1971 год. СССР, Москва, Институт атомной энергии.

13.12.1978 год. СССР, Томск-7, Сибирский химический комбинат.

23.09.1983 год. Аргентина, Реактор RA-2.

15.05.1997 год. Россия, Новосибирск, завод химических концентратов.

17.06.1997 год. Россия, Саров, ВНИИЭФ.

30.09.1999 год. Япония, Токаймура, Завод по производству ядерного топлива.

К этому списку необходимо добавить многочисленные аварии с воздушными и подводными носителями ядерного оружия, инциденты на предприятиях ядерно-топливного цикла, аварийные ситуации на АЭС, чрезвычайные ситуации при испытаниях ядерных и термоядерных бомб. В нашей памяти навсегда останутся трагедии Чернобыля и Фукусимы. За этими катастрофами и аварийными ситуациями тысячи погибших людей. И это заставляет очень серьезно задуматься.

Одна только мысль, о работающих атомных электростанциях, которые могут в миг превратить весь мир в сплошную радиоактивную зону, приводит в ужас. К сожалению, эти опасения вполне обоснованы. Прежде всего тем, что создатели атомных реакторов в своей работе использовали не фундаментальные знания, а констатацию определенных математических зависимостей и поведения частиц, на основе которых строилась опасная ядерная конструкция . Для ученых до сих пор ядерные реакции представляют собой некий «черный ящик», который работает, при условии выполнения тех или иных действий и требований.

Однако, если в этом «ящике» что-либо начинает происходить и это «что-либо» не описано инструкцией и выходит за рамки полученных знаний, то мы кроме собственного героизма и неинтеллектуального труда ничего не можем противопоставить разыгравшейся ядерной стихии. Массы людей вынуждены просто смиренно ожидать надвигающуюся опасность, готовиться к страшным и непонятным последствиям, перемещаясь на безопасное, по их мнению, расстояние. Специалисты-атомщики в большинстве случаев лишь пожимают плечами, молясь и ожидая помощи от высших сил.

Японские атомщики, вооруженные самой современной технологией, до сих пор не могут обуздать давно обесточенную АЭС в Фукусиме. Они могут лишь констатировать, что 18 октября 2013 года уровень радиации в грунтовой воде превышал норму более чем в 2500 раз. Через сутки уровень радиоактивных веществ в воде увеличился почти в 12 000 раз! Почему?! Ни ответить на этот вопрос, ни остановить эти процессы японские специалисты пока не могут.

Риск создания атомной бомбы еще хоть как-то был оправдан. Напряженная военно-политическая обстановка на планете требовала от противоборствующих стран беспрецедентных мер защиты и нападения. Подчиняясь ситуации, исследователи-атомщики шли на риски, не вникая в тонкости структуры и функционирования элементарных частиц и атомных ядер.

Однако, в мирное время строительство атомных электростанций и коллайдеров всех типов должно было начинаться только при условии , что наука полностью разобралась и со строением ядра атома, и с электроном, и с нейтроном, и с протоном, и с их взаимосвязями. Тем более, что на АЭС ядерная реакция должна быть строго управляемой. Но реально и эффективно управлять можно лишь тем, что досконально знаешь. Особенно, если это касается самого мощного на сегодняшний день вида энергии, обуздать которую совсем не просто. Этого, конечно же, не происходит. Не только при строительстве АЭС.

В настоящее время в России, Китае, США и Европе функционируют 6 различных коллайдеров - мощных ускорителей встречных потоков частиц, которые разгоняют их до огромной скорости, придавая частицам высокую кинетическую энергию, чтобы, затем, столкнуть их друг с другом. Цель столкновения - изучение продуктов соударения частиц в надежде, что в процессе их распада можно будет увидеть нечто новое и до сих пор неизведанное.

Понятно, что исследователям очень интересно посмотреть, а что же из всего этого получится. Скорости столкновения частиц и уровень ассигнования научных разработок растут, но знания о структуре того, что сталкивается уже долгие-долгие годы остаются на прежнем уровне. Обоснованных прогнозов о результатах планируемых исследований до сих пор нет, да и не может быть. Не случайно. Мы же прекрасно понимаем, что научно прогнозировать можно только при условии точных и проверенных знаний хотя бы о деталях прогнозируемого процесса. Таких знаний об элементарных частицах у современной науки пока нет. В таком случае, можно полагать, что главным принципом существующих методов исследования становится положение: «Попробуем сделать - посмотрим, что получится». К сожалению.

Поэтому вполне закономерно, что сегодня все чаще и чаще обсуждаются вопросы, связанные с опасностью проводимых экспериментов. Дело даже не в возможности возникновения в ходе экспериментов микроскопических черных дыр, которые, разрастаясь, могут поглотить нашу планету. Я не очень верю в такую возможность, во всяком случае на сегодняшнем уровне и этапе своего интеллектуального развития.

Но есть более серьезная и более реальная опасность. К примеру, в Большом адронном коллайдере происходит столкновение потоков протонов или ионов свинца в различных конфигурациях. Казалось бы, какая угроза может исходить от микроскопической частицы, да еще и под землей, в туннеле, закованном в мощную металлическую и бетонную защиту? Частица массой в 1,672 621 777(74) х 10 -27 кг и солидный многотонный более чем 26-ти километровый туннель в толще тяжелого грунта - категории явно несопоставимые.

Однако, угроза существует. При проведении экспериментов, вполне вероятно неуправляемое высвобождение огромного количества энергии, которая появится не только в результате разрыва внутриядерных сил, но и энергии, находящейся внутри протонов или ионов свинца. Ядерный взрыв современной баллистической ракеты, основанный на высвобождении внутриядерной энергии атома, покажется не страшнее новогодней хлопушки по сравнению с той мощнейшей энергией, которая может освободиться при разрушении элементарных частиц. Мы совершенно неожиданно можем выпустить сказочного джина из бутылки. Но не того покладистого добряка и мастера на все руки, который только слушается и повинуется, а неуправляемого, всесильного и безжалостного монстра, не знающего пощады и милосердия. И он будет не сказочный, а вполне реальный.

Но самое страшное, что как и в ядерной бомбе, в коллайдере может начаться цепная реакция, освобождающая все новые и новые порции энергии и разрушающая все другие элементарные частицы. При этом, совершенно не важно, что из них будут состоять - металлические конструкции туннеля, бетонные стены или скальные породы. Энергия будет высвобождаться повсюду, разрывая все, что связано не только с нашей цивилизацией, а и со всей планетой. В один миг от нашей милой голубой красавицы могут остаться только жалкие бесформенные клочья, разлетающиеся по великим и необъятным просторам Вселенной.

Это, безусловно, ужасный, но вполне реальный сценарий и очень многие европейцы сегодня это прекрасно понимают и активно выступают против проведения опасных непредсказуемых экспериментов, требуя обеспечения безопасности планеты и цивилизации. Эти выступления с каждым разом носят все более и более организованный характер и увеличивают внутреннюю обеспокоенность сложившейся ситуацией.

Я не против экспериментов, так как прекрасно понимаю, что путь к новым знаниям всегда тернист и труден. Без проведения экспериментов преодолеть его практически невозможно. Однако, я глубоко убежден, что каждый эксперимент должен проводиться только в том случае, когда он безопасен для людей и окружающего мира. Сегодня уверенности в такой безопасности у нас нет. Нет, потому что нет знаний о тех частицах, с которыми мы сегодня уже экспериментируем.

Ситуация оказалась гораздо тревожнее, чем мне представлялась ранее. Не на шутку обеспокоившись, я с головой погрузился в мир знаний о микромире. Признаюсь, большого удовольствия это мне не доставило, так как в разработанных теориях микромира сложно было уловить четкую взаимосвязь между природными явлениями и выводами, на которых основывались некоторые ученые, применяя в качестве аппарата исследования теоретические положения квантовой физики, квантовой механики и теории элементарных частиц.

Каково же было мое изумление, когда я вдруг обнаружил, что знания о микромире основываются больше на предположениях, не имеющих под собой внятных логических обоснований. Насытив, математические модели некими условностями в виде постоянной Планка с константой, превышающей тридцать нулей после запятой, различными запретами и постулатами, теоретики, тем не менее, достаточно подробно и точно описа ли практические ситуации, отвечающие на вопрос: «Что получиться, если…?». Однако, главный вопрос: «А почему это происходит?», к сожалению, так и остался без ответа.

Мне казалось, что познать бескрайнюю Вселенную и ее столь далекие галактики, раскинувшиеся на фантастически огромном расстоянии, дело гораздо более сложное, чем найти путь познания к тому, что, по сути, «лежит у нас под ногами». Основываясь на фундаменте своего среднего и высшего образования, я искренне полагал, что у нашей цивилизации уже не возникает вопросов ни о строении атома и его ядра, ни об элементарных частицах и их структуре, ни о силах, удерживающих электрон на орбите и сохраняющих устойчивую связь протонов и нейтронов в ядре атома.

До этого момента мне не приходилось изучать основы квантовой физики, но я был уверен и наивно предполагал, что эта новая физика и является тем, что, действительно, выведет нас из темноты непонимания микромира.

Но, к моему глубокому огорчению, я заблуждался. Современная квантовая физика, физика атомного ядра и элементарных частиц, да и вся физика микромира, на мой взгляд, оказались не просто в плачевном состоянии. Они надолго застряли в интеллектуальном тупике, который не может позволить им развиваться и совершенствоваться, продвигаясь по пути познания атома и элементарных частиц.

Исследователи микромира, жестко ограниченные устоявшейся непоколебимостью мнений великих теоретиков ХIХ и ХХ веков, уже более ста лет не решаются вернуться к истокам и вновь начать нелегкий путь исследований в глубины нашего окружающего мира. Мой столь критичный взгляд на современную ситуацию вокруг изучения микромира далеко не единственен. Многие прогрессивные исследователи и теоретики уже не раз выражали свою точку зрения по поводу проблем, возникающих в ходе познания основ теории атомного ядра и элементарных частиц, квантовой физики и квантовой механики.

Анализ современной теоретической квантовой физики позволяет сделать вполне определенный вывод, что суть теории заключается в математическом представлении неких усредненных значений частиц и атомов, основанных на показателях некой механистической статистики. Главным в теории является не изучение элементарных частиц, их структуры, их связей и взаимодействий при проявлении тех или иных природных явлений, а упрощенные вероятностные математические модели, основанные на полученных в ходе экспериментов зависимостях.

К сожалению, и здесь, так же как и при разработке теории относительности на первое место поставили выведенные математические зависимости, которые затмили собой природу явлений, их взаимосвязь и причины возникновения.

Изучение структуры элементарных частиц ограничилось предположением наличия в протонах и нейтронах трех гипотетических кварков, разновидности которых по мере развития этого теоретического предположения менялись от двух, затем трех, четырех, шести, двенадцати… Наука просто подстраивалась под результаты экспериментов, вынуждено придумывая новые элементы, существование которых до сих пор не доказано. Здесь мы можем услышать и о пока так и не найденных преонах и гравитонах. Можно быть уверенным, что количество гипотетических частиц будет расти и дальше, по мере того как наука о микромире будет все глубже и глубже уходить в тупиковое состояние.

Отсутствие понимания физических процессов, происходящих внутри элементарных частиц и ядер атомов, механизма взаимодействия систем и элементов микромира выводило на арену современной науки гипотетические элементы - переносчики взаимодействия - типа калибровочных и векторных бозонов, глюонов, виртуальных фотонов. Именно они возглавили список сущностей, отвечающих за процессы взаимодействия одних частиц с другими. И не важно, что не обнаружены даже их косвенные признаки. Важно, что на них хоть как-то можно возложить ответственность за то, что ядро атома не разваливается на составляющие, что Луна не падает на Землю, что электроны пока еще вращаются по своей орбите, а магнитное поле планеты все еще защищает нас от космического воздействия.

От всего этого становилось грустно, так как, чем больше я углублялся в теории микромира, тем больше росло понимание тупикового развития важнейшей составляющей теории устройства мира. Положение сегодняшней науки о микромире не случайно, а закономерно. Дело в том, что основы квантовой физики были заложены лауреатами Нобелевских премий Максом Планком, Альбертом Эйнштейном, Нильсом Бором, Эрвином Шредингером, Вольфгангом Паули и Полем Дираком в конце девятнадцатого и начале двадцатого столетия. Ученые-физики в то время имели лишь результаты некоторых начальных экспериментов, направленных на исследование атомов и элементарных частиц. Однако, надо признать, что эти исследования проводились и на соответствующем тому времени, несовершенном оборудовании, да и экспериментальная база данных только начинала наполняться.

Поэтому неудивительно, что классическая физика не всегда могла ответить на многочисленные вопросы, которые возникали в ходе исследования микромира. Поэтому в начале двадцатого столетия в научном мире заговорили о кризисе физики и необходимости революционных преобразований в системе исследований микромира. Это положение, определенно, толкало прогрессивных ученых-теоретиков на поиск новых путей и новых методов познания микромира.

Проблема, надо отдать должное, все же была не в устаревших положениях классической физики, а в недостаточно развитой технической базе, которая в то время, что вполне понятно, не могла обеспечить получение необходимых результатов исследований и дать пищу для более глубоких теоретических разработок. Пробел нужно было заполнять. И его заполнили. Новой теорией - квантовой физикой, основанной, прежде всего, на вероятностных математических представлениях. В этом не было ничего плохого, за исключением того, что, при этом, позабыли философию и оторвались от реального мира.

Классические представления об атоме, электроне, протоне, нейтроне и т.д. были заменены их вероятностными моделями, которые отвечали определенному уровню развития науки и даже позволяли решать весьма сложные прикладные инженерные задачи. Отсутствие необходимой технической базы и некоторые успехи в теоретическом и экспериментальном представлении элементов и систем микромира создали условия для определенного охлаждения научного мира к глубокому изучению структуры элементарных частиц, атомов и их ядер. Тем более, что кризис физики микромира, казалось, был погашен, революция произошла. Научное сообщество с упоением устремилось к изучению квантовой физики, не удосужившись разобраться в основах элементарных и фундаментальных частиц.

Такое положение современной науки о микромире, естественно, не могло не взволновать меня, и я тут же начал готовиться к новой экспедиции, к новому путешествию. К путешествию в микромир. Подобное путешествие мы уже совершали. Это было первое путешествие в мир галактик, звезд и квазаров, в мир темной материи и темной энергии, в мир, где рождается и живет полноценной жизнью наша Вселенная. В своем отчете «Дыхание Вселенной. Путешествие первое » мы постарались разобраться с устройством Вселенной и с процессами, которые в ней происходят.

Понимая, что второе путешествие также будет не из легких и потребует в миллиарды триллионов раз уменьшить масштаб пространства, в котором придется изучать окружающий мир, я стал готовиться к проникновению не только в структуру атома или молекулы, но и в глубину электрона и протона, нейтрона и фотона, причем в объемы в миллионы раз меньше, чем объемы этих частиц. Это требовало особой подготовки, новых знаний и совершенного оборудования.

Предстоящее путешествие предполагало старт с самого начала создания нашего мира, и именно это начало было самым опасным и с самым непредсказуемым исходом. Но от нашей экспедиции зависело - найдем ли мы выход из сложившейся ситуации в науке о микромире или останемся балансировать на шатком веревочном мостике современной ядерной энергетики, ежесекундно подвергая смертельной опасности жизнь и существование цивилизации на планете.

Все дело в том, что для познания первоначальных результатов наших исследований необходимо было добраться до черной дыры Вселенной и, пренебрегая чувством самосохранения, броситься в пылающий ад вселенского туннеля. Только там, в условиях сверхвысоких температур и фантастического давления, осторожно продвигаясь в стремительно вращающихся потоках материальных частиц, мы могли бы увидеть как происходит аннигиляция частиц и античастиц и как возрождается великий и могучий родоначальник всего сущего - Эфир, понять все происходящие процессы, включая формирование частиц, атомов и молекул.

Поверьте, на Земле не так уж много смельчаков, способных решиться на это. Тем более, что результат никем не гарантирован и никто не готов взять на себя ответственность за благополучный исход этого путешествия. За время существования цивилизации никто не побывал даже в черной дыре галактики, а здесь - ВСЕЛЕННАЯ! Здесь все по-взрослому, грандиозно и космически масштабно. Здесь не шутят. Здесь в одно мгновение могут превратить человеческое тело в микроскопический раскаленный энергетический сгусток или рассеять его по бескрайним холодным просторам космоса без права восстановления и воссоединения. Это - Вселенная! Громадная и величавая, холодная и раскаленная, бескрайняя и загадочная…

Поэтому, приглашая всех желающих присоединиться к нашей экспедиции, вынужден предупредить, что если у кого-то есть сомнения, то еще не поздно отказаться. Причины принимаются любые. Мы полностью осознаем величину опасности, но готовы мужественно противостоять ей во что бы то ни стало! Мы готовимся к погружению в глубины Вселенной.

Понятно, что уберечься и остаться живым, погружаясь в раскаленный, заполненный мощнейшими взрывами и ядерными реакциями, вселенский туннель, дело далеко не простое, и наше оснащение должно соответствовать условиям, в которых нам придется работать. Поэтому крайне необходимо подготовить лучшее оборудование и внимательно до деталей продумать снаряжение для всех участников этой опасной экспедиции.

Прежде всего, во второе путешествие мы возьмем то, что позволило нам преодолеть очень непростой путь по просторам Вселенной, когда мы работали над отчетом о нашей экспедиции «Дыхание Вселенной. Путешествие первое». Конечно же, это законы устройства мира . Без их применения наше первое путешествие вряд ли могло бы закончиться успешно. Именно законы позволяли найти верный путь среди нагромождения непонятных явлений и сомнительных выводов исследователей по их объяснению.

Если вы помните, закон равновесия противоположностей, предопределяющий, что в мире любое проявление реальности, любая система имеет свою противоположную сущность и находится или стремится находиться с ней в равновесии, позволил нам понять и принять наличие в окружающем нас мире кроме обычной энергии еще и темную энергию, а также кроме обычной материи - темную материю. Закон равновесия противоположностей дал возможность предположить, что мир не только состоит из эфира, но и эфир состоит из двух его видов - позитивного и негативного.

Закон всеобщей взаимосвязи , подразумевающий устойчивую, повторяющуюся связь между всеми объектами, процессами и системами во Вселенной вне зависимости от их масштаба, и закон иерархии , упорядочивающий уровни любой системы во Вселенной от низшего к высшему, позволили выстроить логичную «лестницу существ» от эфира, частиц, атомов, веществ, звезд и галактик до Вселенной. А, затем, найти пути превращения невероятно огромного количества галактик, звезд, планет и других материальных объектов сначала в частицы, а, затем, в потоки раскаленного эфира.

Подтверждение этих взглядов мы нашли и в действии закона развития , определяющего эволюционное движение во всех сферах окружающего нас мира. Через анализ действия этих законов мы вышли на описание формы и понимание структуры Вселенной, мы познали эволюцию галактик, увидели механизмы формирования частиц и атомов, звезд и планет. Нам стало совершенно понятным, как из малого формируется большое, а из большого - малое.

Только понимание закона непрерывности движения , трактующего объективную необходимость процесса постоянного перемещения в пространстве для всех без исключения предметов и систем, позволило нам выйти на осознание вращения ядра Вселенной и галактик вокруг вселенского туннеля.

Законы устройства мира явились своеобразной картой нашего путешествия, которая помогла нам продвигаться по маршруту и преодолевать самые сложные его участки и препятствия, встречающиеся на пути к познанию мира. Поэтому законы устройства мира и в этом путешествии в глубины Вселенной будут важнейшим атрибутом нашего снаряжения.

Вторым важным условием успеха проникновения в глубины Вселенной, безусловно, будут результаты экспериментов ученых, которые они проводили на протяжении более чем ста лет, и весь запас знаний и информации о явлениях микромира , накопленный современной наукой. В ходе первого путешествия мы убедились, что многие явления природы можно интерпретировать по-разному и делать совершенно противоположные выводы.

Неправильные выводы, подкрепляемые громоздкими математическими формулами, как правило, заводят науку в тупик и не обеспечивают необходимого развития. Они закладывают основу для дальнейших ошибочных размышлений, которые, в свою очередь, формируют теоретические положения разрабатываемых ошибочных теорий. Дело не формулах. Формулы могут быть абсолютно правильными. А вот решения исследователей о том, как и по какому пути продвигаться, могут оказаться не совсем верными.

Ситуацию можно сравнить с желанием добраться из Парижа до аэропорта имени Ш. Де Голля по двум дорогам. Первая - кратчайшая, на которую можно потратить не более получаса, используя только автомобиль, а вторая - прямо противоположная, вокруг света на автомобиле, корабле, специальной технике, лодках, собачьих упряжках через всю Францию, Атлантику, Южную Америку, Антарктиду, Тихий океан, Арктику и, наконец, через северо-восток Франции прямо в аэропорт. И та, и другая дороги приведут нас из одной точки в одно и то же место. Но за какое время и с какими усилиями? Да, и соблюсти точность и выйти в пункт назначения в процессе длинного и трудного пути, весьма, проблематично. Поэтому важен не только процесс передвижения, но и выбор верного пути.

В нашем путешествии мы так же как и в первой экспедиции попробуем несколько по иному посмотреть на выводы о микромире, которые уже сделаны и приняты всем научным миром. Прежде всего, в отношении знаний, полученных в результате изучения элементарных частиц, ядерных реакций и существующих взаимодействий. Вполне возможно, что в результате нашего погружения в глубины Вселенной электрон предстанет перед нами не бесструктурной частицей, а неким более сложным объектом микромира, а ядро атома раскроет свою многообразную структуру, живущую своей необычной и активной жизнью.

Не забудем взять с собой и логику. Она позволяла нам найти путь в самых сложных местах нашего прошлого путешествия. Логика была своеобразным компасом, указывающем направление правильного пути в путешествии по просторам Вселенной. Понятно, что и сейчас нам без нее не обойтись.

Однако, одной логики будет явно мало. В этой экспедиции нам не обойтись и без интуиции. Интуиция позволит нам находить то, о чем мы пока не можем даже догадываться, и там, где до нас никто и ничего не искал. Именно интуиция - наш замечательный помощник, к голосу которого мы будем внимательно прислушиваться. Интуиция заставит нас двигаться, не взирая на дождь и холод, на снег и мороз, без твердой надежды и четкой информации, но, именно она, позволит достичь поставленной цели вопреки всем правилам и указаниям, к которым уже со школьной скамьи привыкло все человечество.

Наконец, мы никуда не сможем двинуться без нашего никем необузданного воображения. Воображение - это тот необходимый нам инструмент познания, который позволит без самых современных микроскопов увидеть то, что гораздо меньше самых маленьких частиц, уже обнаруженных или только предполагаемых исследователями. Воображение продемонстрирует нам все процессы, происходящие в черной дыре и во вселенском туннеле, предоставит механизмы возникновения гравитационных сил при формировании частиц и атомов, проведет по галереям ядра атома и даст возможность совершить увлекательный полет на легком вращающемся электроне вокруг солидной, но неповоротливой компании протонов и нейтронов в атомном ядре.

К сожалению, в это путешествие в глубины Вселенной мы больше ничего взять не сможем - места совсем мало и приходится ограничивать себя даже в самом необходимом. Но это нас не может остановить! Цель нам понятна! Глубины Вселенной ждут нас!

На вопрос Какая самая маленькая частица во вселенной? Кварк, Нейтрино, Бозон Хиггса или Планковская черная дыра? заданный автором Европеоидный лучший ответ это Фундаментальные частицы все имеют нулевой размер (радиус равен нулю). По массе. Есть частицы с массой, равной нулю (фотон, глюон, гравитон). Из массивных наименьшая масса у нейтрино (меньше 0.28 эВ/с^2, точнее еще не измерили). Частота, время - не есть характеристики частиц. Можно говорить о времен жизни, но это разговор другой.

Ответ от Прострочить [гуру]
Моск зеробубуса.

Ответ от Mikhail Levin [гуру]
вообще-то понятия "размер" в микромире практически нет. Ну, для ядра еще можно говорить о каком-от аналоге размера, например, через вероятность попадания в него электронов из пучка, а для более мелких - нет.

Ответ от христосоваться [гуру]
"размер" элементарной частицы - характеристика частицы, отражающая распределение по пространству её массы или электрического заряда; обычно говорят о т. н. среднеквадратичном радиусе распределения электрического заряда (который одновременно характеризует и распределение массы)
Калибровочные бозоны и лептоны в пределах точности выполненных измерений не обнаруживают конечных "размеров". Это означает, что их "размеры" < 10^-16 см
В отличие от истинно элементарных частиц "размеры" адронов конечны. Их характерный среднеквадратичный радиус определяется радиусом конфайнмента (или удержания кварков) и по порядку величины равен 10^-13 см. При этом он, конечно, варьирует от адрона к адрону.

Ответ от Kirill Odding [гуру]
Кто-то из великих физиков говорил (часом не Нильс Бор?) "Если Вам удастся объяснить квантовую механику в наглядных терминах - идите и получайте Вашу Нобелевскую премию".

Ответ от SerШkod Поликанов Сергей [гуру]
Какая элементарная частица во вселенной самая маленькая?
Элементарные частицы создающие гравитационный эффект.
Ещё меньше?
Элементарные частицы приводящие в движение те что создают гравитационный эффект
но и они сами в этом участвуют.
Есть и ещё мельче элементарные частицы.
Их параметры даже не вписываются в вычисления ведь структуры и их физические параметры неизвестны.

Ответ от Миша никитин [активный]
КВАРК

Ответ от Матипати кипирофинович [активный]
ПЛАНКОВСКАЯ ЧЕРНАЯ ДЫРА

Ответ от Bro qwerty [новичек]
Кварки самые маленькие частицы в мире. Для вселенной нет понятия размер она безгранична. Если изобрести машину для уменьшения человека то можно будет уменьшаться бесконечно все меньше, меньше, меньше... Да Кварк самая мелкая "Частица" Но есть же нечто меньшее чем частица. Пространство. Не. Имеет. Размера.

Ответ от Антон Курочка [активный]
Протон Нейтрон 1*10^-15 1 фемтометр
Кварк-U Кварк-D Электрон 1*10^-18 1 аттометр
Кварк-S 4*10^-19 400 зептометров
Кварк-C 1*10^-19 100 зептометров
Кварк-B 3*10^-20 30 зептометров
Нейтрино высоких энергий 1,5*10^-20 15 зептометров
Преон 1*10^-21 1 зептометр
Кварк-T 1*10^-22 100 йоктометров
MeV Нейтрино 2*10^-23 20 йоктометров
Нейтрино 1*10^-24 1 йоктометр -(ооочень маленький размер!!!) -
Плонковская частица 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 йоктометра
Квантовая пена Квантовая струна 1*10^-35 0,000 000 000 01 йоктометр
Это таблица размеров частиц. И здесь можно увидеть что самая маленькая частица Планковская частица, но по скольку она слишком мола, Нейтрино является самой маленькой частицой. Но для вселеной меньше только Планковская длина