Le piccole particelle più belle della natura. Quasi il complesso: il mistero della particella più piccola dell'Universo, o come catturare un neutrino

Il mondo e la scienza non si fermano mai. Proprio di recente, i libri di testo di fisica hanno scritto con sicurezza che l'elettrone è la particella più piccola. Poi i mesoni divennero le particelle più piccole, poi i bosoni. E ora la scienza ha scoperto qualcosa di nuovo la più piccola particella dell'universo- Buco nero di Planck. È vero, è ancora aperto solo in teoria. Questa particella è classificata come buco nero perché il suo raggio gravitazionale è maggiore o uguale alla lunghezza d'onda. Di tutti i buchi neri esistenti, quello di Planck è il più piccolo.

La vita di queste particelle è troppo breve per renderne possibile il rilevamento pratico. Almeno per ora. E si formano, come si crede comunemente, a seguito di reazioni nucleari. Ma non è solo la durata della vita dei buchi neri di Planck a impedirne la rilevazione. Ora, purtroppo, questo è impossibile dal punto di vista tecnico. Per sintetizzare i buchi neri di Planck è necessario un acceleratore di energia di oltre mille elettronvolt.

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Nonostante l'ipotetica esistenza di questa particella più piccola nell'Universo, la sua scoperta pratica in futuro è del tutto possibile. Dopotutto, non molto tempo fa, non è stato possibile scoprire nemmeno il leggendario bosone di Higgs. È stato per la sua scoperta che è stata creata un'installazione di cui solo gli abitanti più pigri della Terra non hanno sentito parlare: il Large Hadron Collider. La fiducia degli scienziati nel successo di questi studi ha contribuito a ottenere un risultato sensazionale. Il bosone di Higgs è attualmente la particella più piccola la cui esistenza è stata praticamente dimostrata. La sua scoperta è molto importante per la scienza; ha permesso a tutte le particelle di acquisire massa. E se le particelle non avessero massa, l’universo non potrebbe esistere. In esso non potrebbe formarsi una sola sostanza.

Nonostante l'esistenza praticamente provata di questa particella, il bosone di Higgs, le sue applicazioni pratiche non sono ancora state inventate. Per ora si tratta solo di conoscenze teoriche. Ma in futuro tutto è possibile. Non tutte le scoperte nel campo della fisica hanno avuto subito applicazione pratica. Nessuno sa cosa accadrà tra cento anni. Dopotutto, come accennato in precedenza, il mondo e la scienza non si fermano mai.

Cosa sappiamo delle particelle più piccole di un atomo? E qual è la particella più piccola nell'Universo?

Il mondo attorno a noi... Chi di noi non ha ammirato la sua incantevole bellezza? Il suo cielo notturno senza fondo, cosparso di miliardi di scintillanti stelle misteriose e il calore della sua dolce luce solare. Campi e foreste color smeraldo, fiumi tempestosi e vaste distese di mare. Cime scintillanti di montagne maestose e rigogliosi prati alpini. La rugiada mattutina e il trillo dell'usignolo all'alba. Una rosa profumata e il mormorio silenzioso di un ruscello. Un tramonto infuocato e il dolce fruscio di un boschetto di betulle...

È possibile pensare a qualcosa di più bello del mondo che ci circonda?! Più potente e impressionante? E, allo stesso tempo, più fragile e tenera? Tutto questo è il mondo dove respiriamo, amiamo, gioiamo, esultiamo, soffriamo e siamo tristi... Tutto questo è il nostro mondo. Il mondo in cui viviamo, che sentiamo, che vediamo e che almeno in qualche modo comprendiamo.

Tuttavia, è molto più vario e complesso di quanto possa sembrare a prima vista. Sappiamo che i prati rigogliosi non sarebbero apparsi senza il fantastico tripudio di una danza rotonda infinita di fili d'erba verdi flessibili, alberi rigogliosi vestiti di una veste color smeraldo - senza moltissime foglie sui loro rami e spiagge dorate - senza numerosi chicchi scintillanti di sabbia che scricchiola sotto i piedi nudi sotto i raggi estivi del dolce sole. Il grande è sempre costituito dal piccolo. Piccolo - da ancora più piccolo. E probabilmente non c'è limite a questa sequenza.

Pertanto, fili d'erba e granelli di sabbia, a loro volta, sono costituiti da molecole formate da atomi. Gli atomi, come sappiamo, contengono particelle elementari: elettroni, protoni e neutroni. Ma non sono nemmeno considerati l’autorità finale. La scienza moderna afferma che protoni e neutroni, ad esempio, sono costituiti da ipotetici gruppi di energia: i quark. Si presume che esista una particella ancora più piccola: un preone, ancora invisibile, sconosciuto, ma presunto.

Il mondo delle molecole, degli atomi, degli elettroni, dei protoni, dei neutroni, dei fotoni, ecc. solitamente chiamato microcosmo. Lui è la base macrocosmo- il mondo umano e le quantità ad esso commisurate sul nostro pianeta e megamondo- il mondo delle stelle, delle galassie, dell'Universo e dello Spazio. Tutti questi mondi sono interconnessi e non esistono l'uno senza l'altro.

Abbiamo già conosciuto il megamondo nel rapporto sulla nostra prima spedizione “Il respiro dell’Universo. Primo Viaggio" e abbiamo già un'idea delle galassie lontane e dell'Universo. In quel pericoloso viaggio, abbiamo scoperto il mondo della materia oscura e dell’energia oscura, scandagliato le profondità dei buchi neri, raggiunto le vette dei quasar brillanti e siamo miracolosamente sfuggiti al Big Bang e nientemeno che al Big Crunch. L'universo è apparso davanti a noi in tutta la sua bellezza e grandezza. Durante il nostro viaggio, ci siamo resi conto che le stelle e le galassie non sono apparse da sole, ma si sono faticosamente formate, nel corso di miliardi di anni, da particelle e atomi.

Sono le particelle e gli atomi che compongono il mondo intero che ci circonda. Sono loro, nelle loro innumerevoli e diverse combinazioni, che possono apparire davanti a noi, sia sotto forma di una bella rosa olandese, sia sotto forma di un aspro mucchio di rocce tibetane. Tutto ciò che vediamo è costituito da questi misteriosi rappresentanti del misterioso micromondo. Perché “misterioso” e perché “misterioso”? Perché l'umanità, purtroppo, sa ancora molto, molto poco di questo mondo e dei suoi rappresentanti.

La scienza moderna sul microcosmo non può essere immaginata senza menzionare l'elettrone, il protone o il neutrone. In qualsiasi materiale di riferimento di fisica o chimica, troveremo la loro massa precisa al nono decimale, la loro carica elettrica, la durata di vita, ecc. Ad esempio, secondo questi libri di consultazione, un elettrone ha una massa di 9,10938291(40) x 10 -31 kg, una carica elettrica di meno 1,602176565(35) x 10 -19 C, una durata di vita infinita o almeno 4,6 x 10 26 anni (Wikipedia).

La precisione nel determinare i parametri dell'elettrone è impressionante e l'orgoglio per i risultati scientifici della civiltà riempie i nostri cuori! È vero, allo stesso tempo si insinuano alcuni dubbi dai quali, non importa quanto ci provi, non riesci a liberarti del tutto. Determinare la massa di un elettrone pari a un miliardo - miliardo - miliardesimo di chilogrammo, e anche pesarla alla nona cifra decimale, credo non sia affatto cosa facile, come misurare la vita media di un elettrone a 4.600.000.000.000.000.000.000.000 000 anni.

Inoltre, nessuno ha mai visto proprio questo elettrone. I microscopi più moderni consentono di vedere solo la nuvola di elettroni attorno al nucleo di un atomo, all'interno della quale, come credono gli scienziati, l'elettrone si muove a velocità enorme (Fig. 1). Non conosciamo ancora esattamente la dimensione dell'elettrone, né la sua forma, né la velocità della sua rotazione. In realtà sappiamo molto poco dell’elettrone, così come del protone e del neutrone. Possiamo solo speculare e indovinare. Purtroppo oggi questo è tutto ciò che possiamo fare.

Riso. 1. Fotografia delle nuvole di elettroni scattata dai fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Kharkov nel settembre 2009

Ma un elettrone o un protone sono le particelle elementari più piccole che compongono un atomo di qualsiasi sostanza. E se i nostri mezzi tecnici per studiare il micromondo non ci permettono ancora di vedere particelle e atomi, forse inizieremo con qualcos’altro O più grande e più conosciuto? Ad esempio, da una molecola! È costituito da atomi. Una molecola è un oggetto più grande e più comprensibile, che probabilmente dovrà essere studiato più a fondo.

Purtroppo devo deluderti ancora. Le molecole ci sono comprensibili solo su carta sotto forma di formule astratte e disegni della loro presunta struttura. Inoltre non possiamo ancora ottenere un'immagine chiara di una molecola con legami pronunciati tra gli atomi.

Nell'agosto 2009, utilizzando la tecnologia della microscopia a forza atomica, i ricercatori europei sono riusciti per la prima volta a visualizzare la struttura di una molecola di pentacene abbastanza grande (C 22 H 14). La tecnologia più moderna ha permesso di distinguere solo cinque anelli che determinano la struttura di questo idrocarburo, nonché macchie di singoli atomi di carbonio e idrogeno (Fig. 2). E questo è tutto ciò che possiamo fare per ora...

Riso. 2. Rappresentazione strutturale della molecola di pentacene (in alto)

e la sua foto (sotto)

Da un lato, le fotografie ottenute ci permettono di affermare che il percorso scelto dagli scienziati chimici, descrivendo la composizione e la struttura delle molecole, non è più soggetto a dubbi, ma, dall'altro, possiamo solo indovinare

Dopotutto, come avviene la connessione degli atomi in una molecola e delle particelle elementari in un atomo? Perché questi legami atomici e molecolari sono stabili? Come si formano, quali forze li sostengono? Che aspetto hanno un elettrone, un protone o un neutrone? Qual è la loro struttura? Cos'è un nucleo atomico? Come fanno a coesistere un protone e un neutrone nello stesso spazio e perché respingono da esso un elettrone?

Ci sono molte domande di questo tipo. Anche le risposte. È vero, molte risposte si basano solo su presupposti che danno origine a nuove domande.

I miei primi tentativi di penetrare i segreti del micromondo si sono scontrati con una presentazione piuttosto superficiale da parte della scienza moderna di molte conoscenze fondamentali sulla struttura degli oggetti del micromondo, sui principi del loro funzionamento, sui sistemi delle loro interconnessioni e relazioni. Si è scoperto che l'umanità non comprende ancora chiaramente come sono strutturati il ​​nucleo di un atomo e le sue particelle costituenti: elettroni, protoni e neutroni. Abbiamo solo un'idea generale di ciò che realmente accade durante la fissione del nucleo atomico, di quali eventi possono verificarsi durante il lungo corso di questo processo.

Lo studio delle reazioni nucleari si limitava all'osservazione dei processi e alla definizione di alcune relazioni di causa-effetto derivate sperimentalmente. I ricercatori hanno imparato a determinare solo comportamento di certe particelle sotto l'una o l'altra influenza. È tutto! Senza capirne la struttura, senza svelarne i meccanismi di interazione! Solo comportamento! Sulla base di questo comportamento, sono state determinate le dipendenze di alcuni parametri e, cosa più importante, questi dati sperimentali sono stati inseriti in formule matematiche multilivello. Questa è tutta la teoria!

Sfortunatamente, questo è bastato per iniziare coraggiosamente la costruzione di centrali nucleari, vari acceleratori, collisori e la creazione di bombe nucleari. Dopo aver ricevuto la conoscenza primaria dei processi nucleari, l'umanità è immediatamente entrata in una corsa senza precedenti per il possesso di una potente energia sotto il suo controllo.

Il numero di paesi dotati di potenziale nucleare è cresciuto a passi da gigante. I missili nucleari in gran numero lanciavano uno sguardo minaccioso verso i loro vicini ostili. Cominciarono ad apparire le centrali nucleari, che producevano continuamente energia elettrica a basso costo. Enormi quantità di denaro furono spese per lo sviluppo nucleare di sempre più nuovi progetti. La scienza, cercando di guardare all'interno del nucleo atomico, ha costruito intensamente acceleratori di particelle ultramoderni.

Tuttavia, la materia non ha raggiunto la struttura dell'atomo e il suo nucleo. La passione per la ricerca di sempre più nuove particelle e la ricerca delle insegne Nobel ha messo in secondo piano uno studio approfondito della struttura del nucleo atomico e delle particelle in esso incluse.

Ma la conoscenza superficiale dei processi nucleari si è immediatamente manifestata negativamente durante il funzionamento dei reattori nucleari e ha provocato il verificarsi di reazioni nucleari a catena spontanee in una serie di situazioni.

Questo elenco mostra le date e i luoghi delle reazioni nucleari spontanee:

21/08/1945. Stati Uniti, Laboratorio Nazionale di Los Alamos.

21/05/1946. Stati Uniti, Laboratorio Nazionale di Los Alamos.

15/03/1953. URSS, Chelyabinsk-65, PA "Mayak".

21/04/1953. URSS, Chelyabinsk-65, PA "Mayak".

16/06/1958. Stati Uniti, Oak Ridge, impianto radiochimico Y-12.

15/10/1958. Jugoslavia, Istituto B. Kidrich.

30/12/1958. Stati Uniti, Laboratorio Nazionale di Los Alamos.

03/01/1963. URSS, Tomsk-7, stabilimento chimico siberiano.

23/07/1964. USA, Woodreaver, impianto radiochimico.

30/12/1965. Belgio, Mol.

03/05/1968. URSS, Chelyabinsk-70, VNIITF.

10/12/1968. URSS, Chelyabinsk-65, PA "Mayak".

26/05/1971. URSS, Mosca, Istituto per l'Energia Atomica.

13/12/1978. URSS, Tomsk-7, stabilimento chimico siberiano.

23/09/1983. Argentina, reattore RA-2.

15/05/1997. Russia, Novosibirsk, stabilimento concentrati chimici.

17/06/1997. Russia, Sarov, VNIIEF.

30.09.1999. Giappone, Tokaimura, centrale nucleare.

A questo elenco è necessario aggiungere numerosi incidenti con vettori aerei e sottomarini di armi nucleari, incidenti nelle imprese del ciclo del combustibile nucleare, emergenze nelle centrali nucleari, emergenze durante i test di bombe nucleari e termonucleari. Le tragedie di Chernobyl e Fukushima rimarranno per sempre nella nostra memoria. Migliaia di persone sono morte in questi disastri ed emergenze. E questo ti fa riflettere molto seriamente.

Il solo pensiero di far funzionare centrali nucleari, che possono trasformare istantaneamente il mondo intero in una zona radioattiva continua, è terrificante. Purtroppo questi timori sono fondati. Prima di tutto, il fatto che i creatori di reattori nucleari lavorino non utilizzava conoscenze fondamentali, ma una dichiarazione di alcune dipendenze matematiche e comportamento delle particelle, sulla base delle quali fu costruita una pericolosa struttura nucleare. Per gli scienziati, le reazioni nucleari sono ancora una sorta di “scatola nera” che funziona, a condizione che vengano soddisfatte determinate azioni e requisiti.

Tuttavia, se qualcosa comincia ad accadere in questa “scatola” e questo “qualcosa” non è descritto nelle istruzioni e va oltre la portata della conoscenza acquisita, allora noi, a parte il nostro eroismo e il nostro lavoro non intellettuale, non possiamo opporci a nulla al disastro nucleare in corso. Masse di persone sono costrette ad attendere semplicemente con umiltà il pericolo imminente, prepararsi a conseguenze terribili e incomprensibili, spostandosi a distanza di sicurezza, secondo loro. Gli specialisti nucleari nella maggior parte dei casi si limitano ad alzare le spalle, pregando e aspettando l'aiuto di potenze superiori.

Gli scienziati nucleari giapponesi, armati della tecnologia più moderna, non riescono ancora a frenare la centrale nucleare di Fukushima da tempo diseccitata. Possono solo affermare che il 18 ottobre 2013 il livello di radiazione nelle acque sotterranee ha superato la norma di oltre 2.500 volte. Il giorno dopo, il livello delle sostanze radioattive nell'acqua è aumentato di quasi 12.000 volte! Perché?! Gli esperti giapponesi non possono ancora rispondere a questa domanda o fermare questi processi.

Il rischio di creare una bomba atomica era ancora in qualche modo giustificato. La tesa situazione politico-militare del pianeta richiedeva misure di difesa e attacco senza precedenti da parte dei paesi in guerra. Sottomettendosi alla situazione, i ricercatori nucleari hanno corso dei rischi senza approfondire le complessità della struttura e del funzionamento delle particelle elementari e dei nuclei atomici.

Tuttavia, in tempo di pace, dovette iniziare la costruzione di centrali nucleari e collisori di tutti i tipi solo a condizione, Che cosa La scienza ha completamente compreso la struttura del nucleo atomico, dell'elettrone, del neutrone, del protone e le loro relazioni. Inoltre, nelle centrali nucleari la reazione nucleare deve essere strettamente controllata. Ma puoi gestire davvero ed efficacemente solo ciò che conosci a fondo. Soprattutto se si tratta dell’energia oggi più potente e per nulla facile da frenare. Questo, ovviamente, non accade. Non solo durante la costruzione delle centrali nucleari.

Attualmente in Russia, Cina, Stati Uniti ed Europa esistono 6 diversi collisori: potenti acceleratori di flussi in controcorrente di particelle che le accelerano a velocità enormi, conferendo alle particelle un'elevata energia cinetica, per poi farle scontrare tra loro. Lo scopo della collisione è studiare i prodotti delle collisioni di particelle nella speranza che nel processo del loro decadimento sia possibile vedere qualcosa di nuovo e finora sconosciuto.

È chiaro che i ricercatori sono molto interessati a vedere cosa ne verrà fuori. La velocità delle collisioni delle particelle e il livello di allocazione della ricerca scientifica stanno crescendo, ma la conoscenza sulla struttura di ciò che si scontra è rimasta allo stesso livello per molti, molti anni. Non esistono ancora previsioni fondate sui risultati degli studi pianificati e non possono esserlo. Non a caso. Comprendiamo perfettamente che la previsione scientifica è possibile solo se abbiamo una conoscenza accurata e verificata almeno dei dettagli del processo previsto. La scienza moderna non ha ancora tale conoscenza sulle particelle elementari. In questo caso, possiamo supporre che il principio fondamentale dei metodi di ricerca esistenti sia la proposizione: “Proviamolo e vediamo cosa succede”. Purtroppo.

Pertanto, è del tutto naturale che oggi le questioni relative ai pericoli degli esperimenti vengano discusse sempre più spesso. Non si tratta nemmeno della possibilità che durante gli esperimenti si formino microscopici buchi neri che, crescendo, possano divorare il nostro pianeta. Non credo davvero in una simile possibilità, almeno al livello e allo stadio odierno del mio sviluppo intellettuale.

Ma c’è un pericolo più profondo e reale. Ad esempio, nel Large Hadron Collider, flussi di protoni o ioni di piombo si scontrano in varie configurazioni. Sembrerebbe, quale minaccia può provenire da una particella microscopica, e persino sotterranea, in un tunnel racchiuso in una potente protezione di metallo e cemento? Una particella del peso di 1.672.621.777(74) x 10 -27 kg e un tunnel solido, di molte tonnellate, lungo più di 26 chilometri nello spessore del terreno pesante sono categorie chiaramente incomparabili.

Tuttavia, la minaccia esiste. Quando si conducono esperimenti, è probabile che si verifichi un rilascio incontrollato di un'enorme quantità di energia, che apparirà non solo come risultato della rottura delle forze intranucleari, ma anche dell'energia situata all'interno dei protoni o degli ioni di piombo. L'esplosione nucleare di un moderno missile balistico, basata sul rilascio dell'energia intranucleare di un atomo, non sembrerà peggiore di un cracker di Capodanno rispetto alla potente energia che può essere rilasciata quando le particelle elementari vengono distrutte. In modo abbastanza inaspettato, possiamo far uscire il genio delle fate dalla bottiglia. Ma non quel mostro flessibile, di buon carattere e tuttofare che si limita ad ascoltare e obbedire, ma un mostro incontrollabile, onnipotente e spietato che non conosce pietà e misericordia. E non sarà favoloso, ma abbastanza reale.

Ma la cosa peggiore è che, proprio come in una bomba nucleare, in un collisore può iniziare una reazione a catena, liberando sempre più porzioni di energia e distruggendo tutte le altre particelle elementari. Allo stesso tempo, non importa in cosa consisteranno: strutture di tunnel metallici, muri di cemento o rocce. L'energia verrà rilasciata ovunque, facendo a pezzi tutto ciò che è connesso non solo alla nostra civiltà, ma all'intero pianeta. In un istante, della nostra dolce bellezza blu potrebbero rimanere solo brandelli pietosi e informi, sparsi nelle grandi e vaste distese dell'Universo.

Questo è, ovviamente, uno scenario terribile, ma molto reale, e molti europei oggi lo capiscono molto bene e si oppongono attivamente a esperimenti pericolosi e imprevedibili, chiedendo di garantire la sicurezza del pianeta e della civiltà. Ogni volta questi discorsi sono sempre più organizzati e aumentano la preoccupazione interna per la situazione attuale.

Non sono contrario agli esperimenti, perché capisco perfettamente che il percorso verso la nuova conoscenza è sempre spinoso e difficile. È quasi impossibile superarlo senza sperimentazione. Sono però profondamente convinto che ogni esperimento debba essere condotto solo se sicuro per le persone e per l’ambiente. Oggi non abbiamo fiducia in tale sicurezza. No, perché non c'è conoscenza di quelle particelle con le quali stiamo già sperimentando oggi.

La situazione si è rivelata molto più allarmante di quanto avessi immaginato in precedenza. Seriamente preoccupato, mi sono tuffato a capofitto nel mondo della conoscenza del microcosmo. Lo ammetto, questo non mi ha fatto molto piacere, poiché nelle teorie sviluppate del micromondo era difficile cogliere una chiara relazione tra i fenomeni naturali e le conclusioni su cui si basavano alcuni scienziati, utilizzando i principi teorici della fisica quantistica, della meccanica quantistica e la teoria delle particelle elementari come apparato di ricerca.

Immaginate il mio stupore quando improvvisamente ho scoperto che la conoscenza del micromondo si basa più su presupposti che non hanno chiare giustificazioni logiche. Avendo saturato i modelli matematici con determinate convenzioni sotto forma della costante di Planck con una costante superiore a trenta zeri dopo la virgola, vari divieti e postulati, i teorici, tuttavia, hanno descritto in modo sufficientemente dettagliato e accurato UN Esistono situazioni pratiche che rispondono alla domanda: “Cosa accadrebbe se...?” Tuttavia, la domanda principale: “Perché sta succedendo questo?”, purtroppo, è rimasta senza risposta.

Mi è sembrato che comprendere l'Universo sconfinato e le sue galassie molto lontane, sparse su distanze fantasticamente vaste, sia molto più difficile che trovare un percorso di conoscenza verso ciò che, in effetti, "si trova sotto i nostri piedi". Sulla base della mia istruzione secondaria e superiore, credevo sinceramente che la nostra civiltà non abbia più domande sulla struttura dell'atomo e del suo nucleo, o sulle particelle elementari e la loro struttura, o sulle forze che tengono l'elettrone in orbita e mantenere la connessione stabile di protoni e neutroni nel nucleo di un atomo.

Fino a quel momento non avevo dovuto studiare le basi della fisica quantistica, ma ero fiducioso e ingenuamente presumevo che questa nuova fisica fosse ciò che ci avrebbe davvero portato fuori dall'oscurità dell'incomprensione del micromondo.

Ma, con mio profondo dispiacere, mi sbagliavo. La moderna fisica quantistica, la fisica del nucleo atomico e delle particelle elementari e l'intera fisica del micromondo, secondo me, non sono solo in uno stato deplorevole. Sono rimasti bloccati per molto tempo in un vicolo cieco intellettuale, che non può consentire loro di svilupparsi e migliorarsi, muovendosi lungo il percorso della conoscenza dell'atomo e delle particelle elementari.

I ricercatori del micromondo, strettamente limitati dalle opinioni incrollabili stabilite dei grandi teorici del XIX e XX secolo, non hanno osato per più di cento anni tornare alle loro radici e ricominciare il difficile percorso di ricerca nelle profondità del nostro mondo circostante. La mia visione critica della situazione attuale riguardo allo studio del micromondo non è l'unica. Molti ricercatori e teorici progressisti hanno ripetutamente espresso le loro opinioni sui problemi che sorgono nel corso della comprensione dei fondamenti della teoria del nucleo atomico e delle particelle elementari, della fisica quantistica e della meccanica quantistica.

Un'analisi della moderna fisica quantistica teorica ci consente di trarre una conclusione definitiva che l'essenza della teoria risiede nella rappresentazione matematica di determinati valori medi di particelle e atomi, sulla base di indicatori di alcune statistiche meccanicistiche. La cosa principale nella teoria non è lo studio delle particelle elementari, della loro struttura, delle loro connessioni e interazioni durante la manifestazione di determinati fenomeni naturali, ma modelli matematici probabilistici semplificati basati sulle dipendenze ottenute durante gli esperimenti.

Sfortunatamente, qui, così come durante lo sviluppo della teoria della relatività, sono state messe al primo posto le dipendenze matematiche derivate, che hanno messo in ombra la natura dei fenomeni, la loro interconnessione e le ragioni del loro verificarsi.

Lo studio della struttura delle particelle elementari si limitava all'ipotesi della presenza di tre ipotetici quark nei protoni e nei neutroni, le cui varietà, man mano che si sviluppava questa ipotesi teorica, cambiavano da due, poi tre, quattro, sei, dodici... La scienza si è semplicemente adattata ai risultati degli esperimenti, costretta a inventare nuovi elementi la cui esistenza non è ancora stata dimostrata. Qui possiamo sentire parlare di preoni e gravitoni che non sono ancora stati trovati. Puoi star certo che il numero di ipotetiche particelle continuerà a crescere man mano che la scienza del micromondo si addentra sempre più in un vicolo cieco.

La mancanza di comprensione dei processi fisici che si verificano all'interno delle particelle elementari e dei nuclei atomici, del meccanismo di interazione dei sistemi e degli elementi del micromondo, ha portato nell'arena della scienza moderna elementi ipotetici - portatori di interazione - come bosoni di calibro e vettori, gluoni , fotoni virtuali. Sono loro in cima alla lista delle entità responsabili dei processi di interazione di alcune particelle con altre. E non importa che anche i loro segni indiretti non siano stati rilevati. È importante che essi possano almeno in qualche modo essere ritenuti responsabili del fatto che il nucleo di un atomo non si scompone nei suoi componenti, che la Luna non cade sulla Terra, che gli elettroni continuano a ruotare nella loro orbita e che il il campo magnetico del pianeta ci protegge ancora dalle influenze cosmiche.

Tutto ciò mi ha reso triste, perché più approfondivo le teorie del micromondo, più cresceva la mia comprensione dello sviluppo senza uscita della componente più importante della teoria della struttura del mondo. La posizione della scienza odierna riguardo al microcosmo non è casuale, ma naturale. Il fatto è che le basi della fisica quantistica furono gettate dai premi Nobel Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli e Paul Dirac tra la fine del XIX e l'inizio del XX secolo. I fisici di allora disponevano solo dei risultati di alcuni primi esperimenti volti allo studio degli atomi e delle particelle elementari. Bisogna però ammettere che questi studi furono condotti su attrezzature imperfette corrispondenti a quel tempo, e il database sperimentale cominciava appena ad essere riempito.

Pertanto, non sorprende che la fisica classica non possa sempre rispondere alle numerose domande sorte durante lo studio del micromondo. Pertanto, all’inizio del XX secolo, il mondo scientifico cominciò a parlare della crisi della fisica e della necessità di cambiamenti rivoluzionari nel sistema di ricerca sui micromondi. Questa situazione ha sicuramente spinto gli scienziati teorici progressisti a cercare nuovi modi e nuovi metodi per comprendere il micromondo.

Il problema, dobbiamo rendere omaggio, non stava nelle disposizioni obsolete della fisica classica, ma in una base tecnica insufficientemente sviluppata, che a quel tempo, comprensibilmente, non poteva fornire i risultati della ricerca necessari e fornire spunti per sviluppi teorici più profondi. Il divario doveva essere colmato. Ed era pieno. Una nuova teoria: la fisica quantistica, basata principalmente su concetti matematici probabilistici. Non c'era niente di sbagliato in questo, tranne che, allo stesso tempo, dimenticavano la filosofia e si staccavano dal mondo reale.

Idee classiche su atomo, elettrone, protone, neutrone, ecc. furono sostituiti dai loro modelli probabilistici, che corrispondevano a un certo livello di sviluppo scientifico e consentivano persino di risolvere problemi di ingegneria applicata molto complessi. La mancanza della base tecnica necessaria e alcuni successi nella rappresentazione teorica e sperimentale degli elementi e dei sistemi del micromondo hanno creato le condizioni per un certo raffreddamento del mondo scientifico verso uno studio approfondito della struttura delle particelle elementari, degli atomi e dei loro nuclei . Inoltre, la crisi della fisica del micromondo sembrava essersi estinta, era avvenuta una rivoluzione. La comunità scientifica si precipitò con entusiasmo allo studio della fisica quantistica, senza preoccuparsi di comprendere le basi delle particelle elementari e fondamentali.

Naturalmente, questo stato della scienza moderna sul micromondo non poteva fare a meno di entusiasmarmi, e ho subito iniziato a prepararmi per una nuova spedizione, per un nuovo viaggio. Per un viaggio nel micromondo. Abbiamo già fatto un viaggio simile. Questo è stato il primo viaggio nel mondo delle galassie, delle stelle e dei quasar, nel mondo della materia oscura e dell'energia oscura, nel mondo in cui il nostro Universo nasce e vive una vita piena. Nel suo rapporto “Il respiro dell’Universo. Primo viaggio“Abbiamo cercato di comprendere la struttura dell’Universo e i processi che avvengono in esso.

Rendendomi conto che anche il secondo viaggio non sarebbe stato facile e avrebbe richiesto miliardi di trilioni di volte per ridurre la scala dello spazio in cui avrei dovuto studiare il mondo intorno a me, ho iniziato a prepararmi a penetrare non solo nella struttura dell'atomo o molecola, ma anche nelle profondità dell’elettrone e del protone, del neutrone e del fotone, e in volumi milioni di volte più piccoli dei volumi di queste particelle. Ciò richiedeva una formazione speciale, nuove conoscenze e attrezzature avanzate.

Il viaggio imminente prevedeva l'inizio fin dall'inizio della creazione del nostro mondo, ed è stato questo inizio il più pericoloso e con il risultato più imprevedibile. Ma dipendeva dalla nostra spedizione se saremmo riusciti a trovare una via d’uscita dalla situazione attuale nella scienza del microcosmo o se saremmo rimasti in equilibrio sul traballante ponte di corda della moderna energia nucleare, mettendo ogni secondo a rischio la vita e l’esistenza della civiltà. pianeta in pericolo mortale.

Il fatto è che per conoscere i primi risultati della nostra ricerca, era necessario raggiungere il buco nero dell'Universo e, trascurando il senso di autoconservazione, precipitarsi nell'inferno ardente del tunnel universale. Solo lì, in condizioni di temperature ultra elevate e pressione fantastica, muovendoci con attenzione in flussi di particelle materiali in rapida rotazione, potremmo vedere come avviene l'annichilazione di particelle e antiparticelle e come rinasce il grande e potente antenato di tutte le cose - l'Etere. , comprendere tutti i processi che avvengono, inclusa la formazione di particelle, atomi e molecole.

Credimi, non sono molti i temerari sulla Terra che possono decidere di farlo. Inoltre, il risultato non è garantito da nessuno e nessuno è pronto ad assumersi la responsabilità del buon esito di questo viaggio. Durante l'esistenza della civiltà, nessuno ha nemmeno visitato il buco nero della galassia, ma qui - UNIVERSO! Tutto qui è adulto, grandioso e su scala cosmica. Non è uno scherzo qui. Qui, in un istante, possono trasformare il corpo umano in un microscopico coagulo di energia calda o disperderlo nelle infinite distese fredde dello spazio senza diritto di restaurazione e riunificazione. Questo è l'Universo! Enorme e maestoso, freddo e caldo, infinito e misterioso...

Pertanto, invitando tutti a unirsi alla nostra spedizione, devo avvertire che se qualcuno ha dei dubbi, non è troppo tardi per rifiutare. Si accetta qualsiasi motivazione. Siamo pienamente consapevoli dell’entità del pericolo, ma siamo pronti ad affrontarlo coraggiosamente a tutti i costi! Ci stiamo preparando a tuffarci nelle profondità dell'Universo.

È chiaro che proteggersi e rimanere in vita mentre ci si immerge in un rovente tunnel universale pieno di potenti esplosioni e reazioni nucleari è tutt'altro che facile, e le nostre attrezzature devono corrispondere alle condizioni in cui dovremo lavorare. Pertanto, è fondamentale preparare la migliore attrezzatura e considerare attentamente l'attrezzatura per tutti i partecipanti a questa pericolosa spedizione.

Innanzitutto, nel nostro secondo viaggio prenderemo ciò che ci ha permesso di superare un percorso molto difficile attraverso le distese dell'Universo mentre stavamo lavorando al resoconto della nostra spedizione “Il respiro dell’Universo. Il primo viaggio." Ovviamente è leggi del mondo. Senza il loro utilizzo difficilmente il nostro primo viaggio sarebbe potuto concludersi con successo. Sono state le leggi che hanno permesso di trovare la strada giusta tra l'accumulo di fenomeni incomprensibili e le dubbie conclusioni dei ricercatori per spiegarli.

Se ti ricordi, legge dell’equilibrio degli opposti, predeterminando che nel mondo ogni manifestazione della realtà, ogni sistema ha la sua essenza opposta ed è o si sforza di essere in equilibrio con essa, ci ha permesso di comprendere e accettare la presenza nel mondo che ci circonda, oltre all'energia ordinaria, anche di energia oscura energia e anche, oltre alla materia ordinaria, la materia oscura. La legge dell'equilibrio degli opposti ha permesso di supporre che il mondo non sia costituito solo da etere, ma che anche l'etere sia costituito da due tipi: positivo e negativo.

Legge dell'interconnessione universale, che implica una connessione stabile e ripetitiva tra tutti gli oggetti, processi e sistemi nell'Universo, indipendentemente dalla loro scala, e legge della gerarchia, ordinando i livelli di qualsiasi sistema nell'Universo dal più basso al più alto, ha permesso di costruire una logica "scala degli esseri" da etere, particelle, atomi, sostanze, stelle e galassie verso l'Universo. E, poi, trova il modo di trasformare un numero incredibilmente enorme di galassie, stelle, pianeti e altri oggetti materiali, prima in particelle e poi in flussi di etere caldo.

Abbiamo trovato conferma di queste opinioni in azione. legge dello sviluppo, che determina il movimento evolutivo in tutte le sfere del mondo che ci circonda. Attraverso l'analisi dell'azione di queste leggi, siamo giunti alla descrizione della forma e alla comprensione della struttura dell'Universo, abbiamo appreso l'evoluzione delle galassie e visto i meccanismi di formazione di particelle e atomi, stelle e pianeti. Ci è diventato completamente chiaro come il grande si forma dal piccolo e il piccolo dal grande.

Solo comprensione legge di continuità del moto, che interpreta la necessità oggettiva del processo di movimento costante nello spazio per tutti gli oggetti e sistemi senza eccezioni, ha permesso di realizzare la rotazione del nucleo dell'Universo e delle galassie attorno al tunnel universale.

Le leggi della struttura del mondo erano una sorta di mappa del nostro viaggio, che ci ha aiutato a muoverci lungo il percorso e a superare i tratti più difficili e gli ostacoli incontrati sulla via della comprensione del mondo. Pertanto, le leggi della struttura del mondo saranno l'attributo più importante della nostra attrezzatura in questo viaggio nelle profondità dell'Universo.

La seconda condizione importante per il successo della penetrazione nelle profondità dell'Universo sarà, ovviamente, risultati sperimentali scienziati hanno svolto per più di cento anni, e tutto il resto patrimonio di conoscenze e informazioni sui fenomeni micromondo accumulato dalla scienza moderna. Durante il nostro primo viaggio ci siamo convinti che molti fenomeni naturali possono essere interpretati in modi diversi e si possono trarre conclusioni completamente opposte.

Conclusioni errate, supportate da ingombranti formule matematiche, di regola, portano la scienza a un vicolo cieco e non forniscono lo sviluppo necessario. Gettano le basi per ulteriori pensieri errati, che, a loro volta, modellano le posizioni teoriche delle teorie errate che vengono sviluppate. Non è una questione di formule. Le formule possono essere assolutamente corrette. Ma le decisioni dei ricercatori su come e lungo quale percorso avanzare potrebbero non essere del tutto corrette.

La situazione può essere paragonata al desiderio di arrivare da Parigi all'aeroporto intitolato a Charles De Gaulle lungo due strade. Il primo è il più breve, che non può durare più di mezz'ora, utilizzando solo l'auto, e il secondo è esattamente l'opposto, il giro del mondo in auto, nave, attrezzature speciali, barche, slitte trainate da cani attraverso tutta la Francia, il Atlantico, Sud America, Antartide, Oceano Pacifico, Artico e infine attraverso il nord-est della Francia direttamente all'aeroporto. Entrambe le strade ci condurranno da un punto allo stesso posto. Ma in che tempo e con quale impegno? Sì, e mantenere la precisione e raggiungere la destinazione durante un viaggio lungo e difficile è molto problematico. Pertanto, non è importante solo il processo di movimento, ma anche la scelta della strada giusta.

Nel nostro viaggio, proprio come nella prima spedizione, cercheremo di dare uno sguardo leggermente diverso alle conclusioni sul micromondo che sono già state raggiunte e accettate dall'intero mondo scientifico. Innanzitutto in relazione alle conoscenze acquisite dallo studio delle particelle elementari, delle reazioni nucleari e delle interazioni esistenti. È del tutto possibile che, come risultato della nostra immersione nelle profondità dell'Universo, l'elettrone appaia davanti a noi non come una particella priva di struttura, ma come un oggetto più complesso del micromondo, e il nucleo dell'atomo rivelerà le sue diverse struttura, vivendo la propria vita insolita e attiva.

Non dimentichiamoci di portare con noi la logica. Ci ha permesso di ritrovare la strada nei luoghi più difficili del nostro ultimo viaggio. Logiche era una specie di bussola, che indicava la direzione della strada giusta quando si viaggiava attraverso le distese dell'Universo. È chiaro che anche adesso non possiamo farne a meno.

Tuttavia, la logica da sola chiaramente non sarà sufficiente. In questa spedizione non possiamo fare a meno dell'intuito. Intuizione ci permetterà di trovare qualcosa che ancora non possiamo nemmeno immaginare e dove nessuno ha cercato nulla prima di noi. È l'intuizione il nostro meraviglioso assistente, la cui voce ascolteremo attentamente. L'intuizione ci costringerà a muoverci, indipendentemente dalla pioggia e dal freddo, dalla neve e dal gelo, senza ferma speranza e informazioni chiare, ma è proprio questo che ci permetterà di raggiungere il nostro obiettivo contrariamente a tutte le regole e le linee guida a cui tutta l'umanità ha obbedito. abituarsi fin dalla scuola.

Infine, non possiamo andare da nessuna parte senza la nostra sfrenata immaginazione. Immaginazione- è questo lo strumento di conoscenza di cui abbiamo bisogno, che ci permetterà, senza i più moderni microscopi, di vedere ciò che è molto più piccolo delle particelle più piccole già scoperte o solo ipotizzate dai ricercatori. L'immaginazione ci mostrerà tutti i processi che avvengono in un buco nero e nel tunnel universale, ci fornirà i meccanismi per l'emergere delle forze gravitazionali durante la formazione delle particelle e degli atomi, ci guiderà attraverso le gallerie del nucleo atomico e ci darà la l'opportunità di compiere un affascinante volo su un leggero elettrone rotante attorno a una solida ma goffa compagnia di protoni e neutroni nel nucleo atomico.

Purtroppo non potremo portare altro in questo viaggio nelle profondità dell’Universo: lo spazio è pochissimo e dobbiamo limitarci anche alle cose più necessarie. Ma questo non può fermarci! Per noi l’obiettivo è chiaro! Le profondità dell'Universo ci aspettano!

Questo mondo è strano: alcune persone si sforzano di creare qualcosa di monumentale e gigantesco per diventare famose in tutto il mondo e passare alla storia, mentre altre creano copie minimaliste di cose ordinarie e stupiscono nientemeno il mondo con loro. Questa recensione contiene gli oggetti più piccoli che esistono al mondo e allo stesso tempo non sono meno funzionali delle loro controparti a grandezza naturale.

1. Pistola SwissMiniGun

La SwissMiniGun non è più grande di una normale chiave inglese, ma è in grado di sparare minuscoli proiettili che volano fuori dalla canna a velocità superiori a 430 km/h. Questo è più che sufficiente per uccidere una persona a distanza ravvicinata.

2. Sbuccia 50 auto

Con un peso di soli 69 kg, la Peel 50 è la vettura più piccola mai omologata per l'uso stradale. Questo Pepelat a tre ruote poteva raggiungere una velocità di 16 km/h.

3. Scuola di Kalou

L'UNESCO ha riconosciuto la scuola iraniana Kalou come la più piccola del mondo. Ci sono solo 3 studenti e l'ex soldato Abdul-Muhammad Sherani, che ora lavora come insegnante.

4. Teiera del peso di 1,4 grammi

È stato creato dal maestro ceramista Wu Ruishen. Anche se questa teiera pesa solo 1,4 grammi e sta a portata di mano, puoi preparare il tè.

5. Prigione di Sark

La prigione di Sark fu costruita nelle Isole del Canale nel 1856. C'era spazio solo per 2 prigionieri, che erano in condizioni molto anguste.

6. Tumbleweed

Questa casa era chiamata "Perakati Field" (Tumbleweed). È stato costruito da Jay Schafer di San Francisco. Anche se la casa è più piccola dell'armadio di alcune persone (è solo 9 metri quadrati), ha uno spazio di lavoro, una camera da letto e un bagno con doccia e WC.

7. Parco dell'estremità dei mulini

Il Mills End Park di Portland è il parco più piccolo del mondo. Il suo diametro è di soli... 60 centimetri. Allo stesso tempo, il parco ha una piscina per farfalle, una ruota panoramica in miniatura e minuscole statue.

8. Edward Niño Hernandez

Edward Niño Hernandez dalla Colombia è alto solo 68 centimetri. Il Guinness dei primati lo ha riconosciuto come l'uomo più piccolo del mondo.

9. Stazione di polizia in una cabina telefonica

In sostanza non è più grande di una cabina telefonica. Ma in realtà era una stazione di polizia funzionante a Carabella, in Florida.

10. Sculture di Willard Wigan

Lo scultore britannico Willard Wigan, che soffriva di dislessia e di scarso rendimento scolastico, trovò conforto nella creazione di opere d'arte in miniatura. Le sue sculture sono appena visibili ad occhio nudo.

11. Batterio Mycoplasma Genitalium

12. Circovirus suino

Anche se si discute ancora su cosa sia considerato "vivente" e cosa no, la maggior parte dei biologi non classifica un virus come un organismo vivente perché non può riprodursi o non ha metabolismo. Un virus, tuttavia, può essere molto più piccolo di qualsiasi organismo vivente, compresi i batteri. Il più piccolo è un virus a DNA a filamento singolo chiamato circovirus suino. La sua dimensione è di soli 17 nanometri.

13. Ameba

L'oggetto più piccolo visibile ad occhio nudo ha una dimensione di circa 1 millimetro. Ciò significa che in determinate condizioni una persona può vedere un'ameba, una pantofola ciliata e persino un ovulo umano.

14. Quark, leptoni e antimateria...

Nel corso dell'ultimo secolo, gli scienziati hanno fatto grandi passi avanti nella comprensione della vastità dello spazio e dei microscopici "mattoni" che lo compongono. Quando si è trattato di capire quale fosse la particella più piccola osservabile nell’universo, le persone hanno incontrato alcune difficoltà. Ad un certo punto pensarono che fosse un atomo. Gli scienziati hanno poi scoperto un protone, un neutrone e un elettrone.

Ma non è finita qui. Oggi tutti sanno che quando si scontrano queste particelle l’una con l’altra in luoghi come il Large Hadron Collider, possono essere scomposte in particelle ancora più piccole come quark, leptoni e persino antimateria. Il problema è che è impossibile determinare cosa sia il più piccolo, poiché la dimensione diventa irrilevante a livello quantistico e tutte le consuete regole della fisica non si applicano (alcune particelle non hanno massa, mentre altre hanno addirittura massa negativa).

15. Stringhe vibranti di particelle subatomiche

Considerando quanto detto sopra riguardo al concetto di dimensione che non ha alcun significato a livello quantistico, si potrebbe pensare alla teoria delle stringhe. Questa è una teoria leggermente controversa che suggerisce che tutte le particelle subatomiche siano costituite da corde vibranti che interagiscono per creare cose come massa ed energia. Pertanto, poiché queste stringhe tecnicamente non hanno dimensioni fisiche, si può sostenere che siano in un certo senso gli oggetti "più piccoli" dell'Universo.

Dottore in scienze fisiche e matematiche M. KAGANOV.

Secondo una lunga tradizione, la rivista "Scienza e Vita" parla delle ultime conquiste della scienza moderna, delle ultime scoperte nel campo della fisica, della biologia e della medicina. Ma per capire quanto siano importanti e interessanti, è necessario avere almeno una conoscenza generale delle basi della scienza. La fisica moderna si sta sviluppando rapidamente e le persone della generazione più anziana, quelle che hanno studiato a scuola e all'università 30-40 anni fa, non hanno familiarità con molte delle sue disposizioni: semplicemente allora non esistevano. E i nostri giovani lettori non hanno ancora avuto il tempo di conoscerli: la letteratura scientifica popolare ha praticamente cessato di essere pubblicata. Pertanto, abbiamo chiesto all'autore di lunga data della rivista M.I. Kaganov di parlare degli atomi e delle particelle elementari e delle leggi che li governano, di cosa sia la materia. Moses Isaakovich Kaganov è un fisico teorico, autore e coautore di diverse centinaia di lavori sulla teoria quantistica dei solidi, sulla teoria dei metalli e sul magnetismo. Era un importante impiegato dell'Istituto per i problemi fisici da cui prende il nome. P. L. Kapitsa e professore all'Università statale di Mosca. M. V. Lomonosov, membro dei comitati editoriali delle riviste "Nature" e "Quantum". Autore di numerosi articoli e libri di divulgazione scientifica. Attualmente vive a Boston (USA).

Scienza e vita // Illustrazioni

Il filosofo greco Democrito fu il primo a usare la parola "atomo". Secondo il suo insegnamento gli atomi sono indivisibili, indistruttibili e in costante movimento. Sono infinitamente vari, hanno depressioni e convessità con le quali si incastrano, formando tutti i corpi materiali.

Tabella 1. Le caratteristiche più importanti di elettroni, protoni e neutroni.

Atomo di deuterio.

Il fisico inglese Ernst Rutherford è giustamente considerato il fondatore della fisica nucleare, della dottrina della radioattività e della teoria della struttura atomica.

Nella foto: la superficie di un cristallo di tungsteno, ingrandita 10 milioni di volte; ogni punto luminoso è il suo atomo individuale.

Scienza e vita // Illustrazioni

Scienza e vita // Illustrazioni

Lavorando alla creazione della teoria della radiazione, Max Planck nel 1900 arrivò alla conclusione che gli atomi della materia riscaldata dovrebbero emettere luce in porzioni, quanti, aventi una dimensione di azione (J.s) ed energia proporzionale alla frequenza della radiazione: E = hn .

Nel 1923, Louis de Broglie trasferì l'idea di Einstein sulla duplice natura della luce - dualità onda-particella - alla materia: il moto di una particella corrisponde alla propagazione di un'onda infinita.

Gli esperimenti di diffrazione hanno confermato in modo convincente la teoria di de Broglie, secondo la quale il movimento di qualsiasi particella è accompagnato da un'onda, la cui lunghezza e velocità dipendono dalla massa e dall'energia della particella.

Scienza e vita // Illustrazioni

Un giocatore di biliardo esperto sa sempre come rotoleranno le palline dopo essere state colpite e le spinge facilmente in buca. Con le particelle atomiche è molto più difficile. È impossibile indicare la traiettoria di un elettrone volante: non è solo una particella, ma anche un'onda, infinita nello spazio.

Di notte, quando non ci sono nuvole nel cielo, la luna non è visibile e non ci sono luci in mezzo, il cielo è pieno di stelle splendenti. Non è necessario cercare costellazioni familiari o cercare di trovare pianeti vicini alla Terra. Guarda! Prova a immaginare uno spazio enorme pieno di mondi e che si estende per miliardi di miliardi di anni luce. È solo a causa della distanza che i mondi sembrano punti, e molti di essi sono così lontani che non sono distinguibili individualmente e si fondono in nebulose. Sembra che siamo al centro dell'universo. Ora sappiamo che questo non è vero. Il rifiuto del geocentrismo è un grande merito della scienza. Ci sono voluti molti sforzi per rendersi conto che la piccola Terra si sta muovendo in un'area casuale, apparentemente non contrassegnata, di un vasto (letteralmente!) spazio.

Ma la vita ha avuto origine sulla Terra. Si è sviluppato con così tanto successo che è stato in grado di produrre una persona capace di comprendere il mondo che lo circonda, cercare e trovare le leggi che governano la natura. I risultati ottenuti dall'umanità nella comprensione delle leggi della natura sono così impressionanti che ti senti involontariamente orgoglioso di appartenere a questo pizzico di intelligenza, perso alla periferia di una galassia ordinaria.

Considerando la diversità di tutto ciò che ci circonda, l’esistenza di leggi generali è sorprendente. Non meno sorprendente è questo tutto è costruito da soli tre tipi di particelle: elettroni, protoni e neutroni.

Per ricavare dati osservabili e prevedere nuove proprietà di varie sostanze e oggetti, utilizzando le leggi fondamentali della natura, sono state create complesse teorie matematiche, che non sono affatto facili da comprendere. Ma i contorni del quadro scientifico del mondo possono essere compresi senza ricorrere a una teoria rigorosa. Naturalmente, ciò richiede desiderio. Ma non solo: anche la conoscenza preliminare richiederà un po' di lavoro. Dobbiamo cercare di comprendere fatti nuovi, fenomeni non familiari che a prima vista non concordano con l'esperienza esistente.

Le conquiste della scienza portano spesso all’idea che per essa “niente è sacro”: ciò che era vero ieri viene scartato oggi. Con la conoscenza arriva la comprensione di quanto la scienza tratta con riverenza ogni granello di esperienza accumulata, con quale cautela va avanti, soprattutto nei casi in cui è necessario abbandonare idee radicate.

Lo scopo di questa storia è introdurre le caratteristiche fondamentali della struttura delle sostanze inorganiche. Nonostante l'infinita varietà, la loro struttura è relativamente semplice. Soprattutto se li confronti con qualsiasi organismo vivente, anche il più semplice. Ma c'è anche qualcosa in comune: tutti gli organismi viventi, come le sostanze inorganiche, sono costituiti da elettroni, protoni e neutroni.

È impossibile coglierne l'immensità: per presentare, almeno in termini generali, la struttura degli organismi viventi, è necessaria una storia speciale.

INTRODUZIONE

La varietà delle cose, degli oggetti, di tutto ciò che usiamo, che ci circonda, è immensa. Non solo per il loro scopo e design, ma anche per i materiali utilizzati per crearli: sostanze, come si dice, quando non è necessario enfatizzare la loro funzione.

Le sostanze e i materiali appaiono solidi e il senso del tatto conferma ciò che vedono gli occhi. Sembrerebbe che non ci siano eccezioni. L'acqua che scorre e il metallo solido, così diversi tra loro, sono simili in una cosa: sia il metallo che l'acqua sono solidi. È vero, puoi sciogliere sale o zucchero nell'acqua. Trovano un posto per se stessi nell'acqua. Sì, e puoi piantare un chiodo in un corpo solido, ad esempio in una tavola di legno. Con uno sforzo considerevole è possibile ottenere che il posto occupato dall'albero venga occupato da un chiodo di ferro.

Lo sappiamo bene: puoi staccare un piccolo pezzo da un corpo solido, puoi macinare quasi tutti i materiali. A volte è difficile, a volte avviene spontaneamente, senza la nostra partecipazione. Immaginiamoci sulla spiaggia, sulla sabbia. Comprendiamo: un granello di sabbia è ben lungi dall'essere la più piccola particella della sostanza di cui è composta la sabbia. Se ci provi, puoi ridurre i granelli di sabbia, ad esempio, facendoli passare attraverso dei rulli, ovvero attraverso due cilindri di metallo molto duro. Una volta tra i rulli, il granello di sabbia viene frantumato in pezzi più piccoli. In sostanza, è così che viene prodotta la farina dal grano nei mulini.

Ora che l'atomo è entrato saldamente nella nostra percezione del mondo, è molto difficile immaginare che le persone non sappiano se il processo di frantumazione è limitato o se la sostanza può essere frantumata indefinitamente.

Non si sa quando le persone si sono poste per la prima volta questa domanda. Fu registrato per la prima volta negli scritti degli antichi filosofi greci. Alcuni di loro credevano che non importa quanto piccola sia una sostanza, può essere divisa in parti ancora più piccole: non c'è limite. Altri hanno espresso l'idea che esistano minuscole particelle indivisibili da cui tutto consiste. Per sottolineare che queste particelle sono il limite della frammentazione, le chiamarono atomi (in greco antico la parola “atomo” significa indivisibile).

È necessario nominare coloro che per primi hanno avanzato l'idea dell'esistenza degli atomi. Si tratta di Democrito (nato intorno al 460 o 470 a.C., morto in età molto avanzata) ed Epicuro (341-270 a.C.). Quindi, la scienza atomica ha quasi 2500 anni. Il concetto di atomi non fu subito accettato da tutti. Anche circa 150 anni fa, erano poche le persone che credevano nell’esistenza degli atomi, anche tra gli scienziati.

Il fatto è che gli atomi sono molto piccoli. Non possono essere visti non solo ad occhio nudo, ma anche, ad esempio, con un microscopio che ingrandisce 1000 volte. Pensiamoci: qual è la dimensione delle particelle più piccole che si possono vedere? Persone diverse hanno una visione diversa, ma probabilmente tutti concorderanno sul fatto che è impossibile vedere una particella più piccola di 0,1 millimetri. Pertanto, se usate un microscopio, potrete, anche se con difficoltà, vedere particelle che misurano circa 0,0001 millimetri, ovvero 10 -7 metri. Confrontando le dimensioni degli atomi e le distanze interatomiche (10 -10 metri) con la lunghezza che abbiamo accettato come limite della capacità di vedere, capiremo perché qualsiasi sostanza ci sembra solida.

2500 anni sono un tempo enorme. Qualunque cosa accadesse nel mondo, c'erano sempre persone che cercavano di rispondere alla domanda su come funziona il mondo che li circonda. In alcuni momenti, i problemi della struttura del mondo erano più preoccupanti, in altri meno. La nascita della scienza nel suo senso moderno è avvenuta relativamente di recente. Gli scienziati hanno imparato a condurre esperimenti, a porre domande sulla natura e a comprenderne le risposte, a creare teorie che descrivono i risultati degli esperimenti. Le teorie richiedevano metodi matematici rigorosi per raggiungere conclusioni affidabili. La scienza ha fatto molta strada. In questo percorso, iniziato per la fisica circa 400 anni fa con l'opera di Galileo Galilei (1564-1642), si sono ottenute infinite informazioni sulla struttura della materia e sulle proprietà dei corpi di diversa natura, un'infinità di informazioni vari fenomeni sono stati scoperti e compresi.

L'umanità ha imparato non solo a comprendere passivamente la natura, ma anche a usarla per i propri scopi.

Non considereremo la storia dello sviluppo dei concetti atomici negli ultimi 2500 anni e la storia della fisica negli ultimi 400 anni. Il nostro compito è raccontare nel modo più breve e chiaro possibile cosa e come è costruito tutto: gli oggetti che ci circondano, i corpi e noi stessi.

Come già accennato, tutta la materia è costituita da elettroni, protoni e neutroni. Lo sapevo fin dai tempi della scuola, ma non smette mai di stupirmi che tutto sia costruito con particelle di soli tre tipi! Ma il mondo è così vario! Inoltre, anche i mezzi che la natura utilizza per realizzare la costruzione sono piuttosto monotoni.

Descrivere in modo coerente come vengono costruiti i diversi tipi di sostanze è una scienza complessa. Usa alcuni calcoli seri. Va sottolineato che non esiste un'altra teoria semplice. Ma i principi fisici alla base della comprensione della struttura e delle proprietà delle sostanze, sebbene non banali e difficili da immaginare, possono ancora essere compresi. Con la nostra storia cercheremo di aiutare tutti coloro che sono interessati alla struttura del mondo in cui viviamo.

METODO DEI FRAMMENTI, O DIVIDERE E COMPRENDERE

Sembrerebbe che il modo più naturale per capire come funziona un certo dispositivo complesso (giocattolo o meccanismo) sia smontarlo e scomporlo nelle sue parti componenti. Devi solo stare molto attento, ricordando che piegare sarà molto più difficile. "Rompere non è costruire", dice la saggezza popolare. E ancora una cosa: possiamo capire in cosa consiste il dispositivo, ma difficilmente capiremo come funziona. A volte è necessario svitare una vite e basta: il dispositivo smette di funzionare. È necessario non tanto smontare quanto capire.

Dato che non stiamo parlando della decomposizione effettiva di tutti gli oggetti, cose, organismi che ci circondano, ma dell'immaginario, cioè dell'esperienza mentale e non reale, allora non devi preoccuparti: non devi devo raccogliere. Inoltre, non lesiniamo i nostri sforzi. Non pensiamo se sia difficile o facile scomporre il dispositivo nelle sue parti componenti. Solo un secondo. Come facciamo a sapere che abbiamo raggiunto il limite? Forse con più impegno possiamo andare oltre? Ammettiamolo: non sappiamo se abbiamo raggiunto il limite. Dobbiamo usare l'opinione generalmente accettata, rendendoci conto che questo non è un argomento molto affidabile. Ma se ricordi che questa è solo un'opinione generalmente accettata, e non la verità ultima, il pericolo è piccolo.

È ormai generalmente accettato che le parti da cui è costruito tutto siano particelle elementari. E questo non è tutto. Dopo aver guardato il libro di consultazione corrispondente, saremo convinti: ci sono più di trecento particelle elementari. L'abbondanza di particelle elementari ci ha fatto pensare alla possibilità dell'esistenza di particelle subelementari, particelle che compongono le stesse particelle elementari. È così che è nata l’idea dei quark. Hanno la straordinaria proprietà di non esistere apparentemente allo stato libero. Ci sono molti quark: sei, e ognuno ha la propria antiparticella. Forse il viaggio nelle profondità della materia non è finito.

Per la nostra storia l'abbondanza delle particelle elementari e l'esistenza di quelle subelementari non sono importanti. Elettroni, protoni e neutroni sono direttamente coinvolti nella costruzione delle sostanze: tutto è costruito solo da loro.

Prima di discutere le proprietà delle particelle reali, pensiamo a cosa vorremmo vedere nelle parti da cui è costruito tutto. Quando si tratta di ciò che vorremmo vedere, dobbiamo ovviamente tenere conto della diversità dei punti di vista. Selezioniamo alcune funzionalità che sembrano obbligatorie.

Innanzitutto, le particelle elementari devono avere la capacità di combinarsi in varie strutture.

In secondo luogo, mi piacerebbe pensare che le particelle elementari siano indistruttibili. Conoscendo la lunga storia del mondo, è difficile immaginare che le particelle di cui è composto siano mortali.

In terzo luogo, vorrei che non ci fossero troppi dettagli. Osservando i mattoni, vediamo quante strutture diverse possono essere create dagli stessi elementi.

Facendo conoscenza con elettroni, protoni e neutroni, vedremo che le loro proprietà non contraddicono i nostri desideri, e il desiderio di semplicità corrisponde indubbiamente al fatto che solo tre tipi di particelle elementari prendono parte alla struttura di tutte le sostanze.

ELETTRONI, PROTONI, NEUTRONI

Presentiamo le caratteristiche più importanti di elettroni, protoni e neutroni. Sono raccolti nella tabella 1.

L'entità della carica è espressa in coulomb, la massa in chilogrammi (unità SI); Le parole "spin" e "statistiche" verranno spiegate di seguito.

Prestiamo attenzione alla differenza nella massa delle particelle: protoni e neutroni sono quasi 2000 volte più pesanti degli elettroni. Di conseguenza, la massa di qualsiasi corpo è quasi interamente determinata dalla massa dei protoni e dei neutroni.

Il neutrone, come suggerisce il nome, è neutro: la sua carica è zero. E un protone e un elettrone hanno cariche della stessa grandezza, ma di segno opposto. Un elettrone è carico negativamente e un protone è carico positivamente.

Tra le caratteristiche delle particelle non c'è nessuna caratteristica apparentemente importante: la loro dimensione. Descrivendo la struttura di atomi e molecole, elettroni, protoni e neutroni possono essere considerati punti materiali. Le dimensioni del protone e del neutrone dovranno essere ricordate solo quando si descrivono i nuclei atomici. Anche rispetto alle dimensioni degli atomi, protoni e neutroni sono mostruosamente piccoli (nell'ordine di 10 -16 metri).

Essenzialmente, questa breve sezione si riduce a introdurre elettroni, protoni e neutroni come gli elementi costitutivi di tutti i corpi in natura. Potremmo semplicemente limitarci alla Tabella 1, ma dobbiamo capire come funzionano gli elettroni, i protoni e i neutroni viene eseguita la costruzione, cosa fa sì che le particelle si combinino in strutture più complesse e quali siano queste strutture.

L'ATOMO È LA PIÙ SEMPLICE DELLE STRUTTURE COMPLESSE

Ci sono molti atomi. Si è rivelato necessario e possibile sistemarli in modo speciale. L'ordinamento consente di enfatizzare le differenze e le somiglianze degli atomi. La ragionevole disposizione degli atomi è merito di D.I. Mendeleev (1834-1907), che formulò la legge periodica che porta il suo nome. Se ignoriamo temporaneamente l'esistenza dei periodi, il principio della disposizione degli elementi è estremamente semplice: sono disposti in sequenza in base al peso degli atomi. Il più leggero è l'atomo di idrogeno. L'ultimo atomo naturale (non creato artificialmente) è l'atomo di uranio, che è più di 200 volte più pesante.

La comprensione della struttura degli atomi spiega la presenza di periodicità nelle proprietà degli elementi.

All'inizio del XX secolo, E. Rutherford (1871-1937) dimostrò in modo convincente che quasi l'intera massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo - una piccola regione dello spazio (anche rispetto a un atomo): il raggio dell'atomo il nucleo è circa 100mila volte più piccolo della dimensione dell'atomo. Quando Rutherford effettuò i suoi esperimenti, il neutrone non era ancora stato scoperto. Con la scoperta del neutrone ci si rese conto che i nuclei sono costituiti da protoni e neutroni, ed è naturale pensare a un atomo come a un nucleo circondato da elettroni, il cui numero è pari al numero di protoni presenti nel nucleo - dopo tutto, l'atomo nel suo insieme è neutro. Protoni e neutroni, come materiale da costruzione del nucleo, hanno ricevuto un nome comune: nucleoni (dal latino nucleo - nucleo). Questo è il nome che useremo.

Il numero di nucleoni in un nucleo è solitamente indicato con la lettera UN. E' chiaro A = N+Z, Dove Nè il numero di neutroni nel nucleo, e Z- il numero di protoni è uguale al numero di elettroni in un atomo. Numero UNè chiamato massa atomica e Z- numero atomico. Gli atomi con lo stesso numero atomico sono detti isotopi: nella tavola periodica si trovano nella stessa cella (in greco iso- pari , topos - posto). Il fatto è che le proprietà chimiche degli isotopi sono quasi identiche. Se esamini attentamente la tavola periodica, puoi convincerti che, in senso stretto, la disposizione degli elementi non corrisponde alla massa atomica, ma al numero atomico. Se ci sono circa 100 elementi, allora ci sono più di 2000 isotopi, è vero, molti di loro sono instabili, cioè radioattivi (dal latino Radio- Irradio, attivo- attivo), decadono emettendo varie radiazioni.

Gli esperimenti di Rutherford non solo portarono alla scoperta dei nuclei atomici, ma mostrarono anche che nell'atomo agiscono le stesse forze elettrostatiche, che respingono l'uno dall'altro corpi con carica simile e attraggono tra loro corpi con carica diversa (ad esempio, sfere dell'elettroscopio).

L'atomo è stabile. Di conseguenza, gli elettroni di un atomo si muovono attorno al nucleo: la forza centrifuga compensa la forza di attrazione. Comprendere ciò ha portato alla creazione di un modello planetario dell'atomo, in cui il nucleo è il Sole e gli elettroni sono i pianeti (dal punto di vista della fisica classica, il modello planetario è incoerente, ma ne parleremo più avanti).

Esistono diversi modi per stimare la dimensione di un atomo. Stime diverse portano a risultati simili: le dimensioni degli atomi, ovviamente, sono diverse, ma approssimativamente pari a diversi decimi di nanometro (1 nm = 10 -9 m).

Consideriamo innanzitutto il sistema di elettroni di un atomo.

Nel sistema solare, i pianeti sono attratti dal sole dalla gravità. In un atomo agisce una forza elettrostatica. Viene spesso chiamato Coulomb in onore di Charles Augustin Coulomb (1736-1806), il quale stabilì che la forza di interazione tra due cariche è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. Il fatto che due accuse Q 1 e Q 2 si attraggono o si respingono con una forza pari a F C = Q 1 Q 2 /R 2 , Dove R- la distanza tra le cariche è chiamata "Legge di Coulomb". Indice " CON" assegnato alla forza F dalla prima lettera del cognome di Coulomb (in francese Coulomb). Tra le affermazioni più diverse, ce ne sono poche che possano essere giustamente chiamate legge come la legge di Coulomb: dopotutto, il suo campo di applicazione è praticamente illimitato. I corpi carichi, qualunque sia la loro dimensione, così come le particelle cariche atomiche e persino subatomiche, si attraggono o si respingono secondo la legge di Coulomb.

UNA SCOPERTA SULLA GRAVITÀ

Una persona acquisisce familiarità con la gravità nella prima infanzia. Cadendo impara a rispettare la forza di gravità verso la Terra. La conoscenza del movimento accelerato di solito inizia con lo studio della caduta libera dei corpi, il movimento di un corpo sotto l'influenza della gravità.

Tra due corpi di massa M 1 e M 2 atti di forza F N=- GM 1 M 2 /R 2 . Qui R- distanza tra i corpi, G- costante gravitazionale pari a 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , l'indice "N" è dato in onore di Newton (1643 - 1727). Questa espressione è chiamata legge di gravitazione universale, sottolineandone la natura universale. Forza F N determina il movimento delle galassie, dei corpi celesti e la caduta degli oggetti sulla Terra. La legge di gravitazione universale è valida a qualsiasi distanza tra i corpi. Non menzioneremo i cambiamenti nell'immagine della gravità introdotti dalla teoria della relatività generale di Einstein (1879-1955).

Sia la forza elettrostatica di Coulomb che la forza di gravitazione universale newtoniana sono la stessa cosa (come 1/ R 2) diminuiscono all'aumentare della distanza tra i corpi. Ciò consente di confrontare l'azione di entrambe le forze a qualsiasi distanza tra i corpi. Se si confronta in grandezza la forza di repulsione coulombiana di due protoni con la forza della loro attrazione gravitazionale, si ottiene che F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e P ; M 1 = =M 2 =M P). Pertanto la gravità non gioca alcun ruolo significativo nella struttura dell'atomo: è troppo piccola rispetto alla forza elettrostatica.

Rilevare le cariche elettriche e misurare le interazioni tra loro non è difficile. Se la forza elettrica è così grande, allora perché non è importante quando, ad esempio, si cade, si salta, si lancia una palla? Perché nella maggior parte dei casi si tratta di corpi neutri (privi di carica). Nello spazio ci sono sempre molte particelle cariche (elettroni, ioni di segni diversi). Sotto l'influenza di un'enorme forza elettrica attrattiva (su scala atomica) creata da un corpo carico, le particelle cariche si precipitano alla sua fonte, si attaccano al corpo e ne neutralizzano la carica.

ONDA O PARTICELLA? SIA ONDA CHE PARTICELLA!

È molto difficile parlare di particelle atomiche e anche di particelle subatomiche ancora più piccole, soprattutto perché le loro proprietà non hanno analoghi nella nostra vita quotidiana. Si potrebbe pensare che sarebbe conveniente pensare alle particelle che compongono atomi così piccoli come a punti materiali. Ma tutto si è rivelato molto più complicato.

Una particella e un'onda... Sembrerebbe che sia inutile persino confrontare, sono così diversi.

Probabilmente, quando si pensa a un'onda, si immagina innanzitutto una superficie del mare increspata. Le onde arrivano a riva dal mare aperto; le lunghezze d'onda, cioè le distanze tra due creste successive, possono essere diverse. È facile osservare onde aventi una lunghezza dell'ordine di diversi metri. Durante le onde la massa d'acqua ovviamente vibra. L'onda copre un'area significativa.

L'onda è periodica nel tempo e nello spazio. Lunghezza d'onda ( λ ) è una misura della periodicità spaziale. La periodicità del moto ondoso nel tempo è visibile nella frequenza con cui le creste delle onde arrivano a riva e può essere rilevata, ad esempio, dall'oscillazione di un galleggiante su e giù. Indichiamo con la lettera il periodo del moto ondoso - il tempo durante il quale passa un'onda T. Il reciproco del periodo si chiama frequenza ν = 1/T. Le onde più semplici (armoniche) hanno una certa frequenza che non cambia nel tempo. Qualsiasi moto ondoso complesso può essere rappresentato come un insieme di onde semplici (vedi “Scienza e Vita” n. 11, 2001). A rigor di termini, un'onda semplice occupa uno spazio infinito ed esiste per un tempo infinitamente lungo. Una particella, come la immaginiamo, e un'onda sono completamente diverse.

Sin dai tempi di Newton si discute sulla natura della luce. Ciò che è la luce è un insieme di particelle (corpuscoli, dal latino corpuscolo- corpicino) o onde? Le teorie hanno gareggiato a lungo. Vinse la teoria ondulatoria: la teoria corpuscolare non riusciva a spiegare i fatti sperimentali (interferenza e diffrazione della luce). La teoria ondulatoria si adattava facilmente alla propagazione rettilinea di un raggio luminoso. Un ruolo importante è stato giocato dal fatto che la lunghezza delle onde luminose secondo i concetti quotidiani è molto piccola: la gamma di lunghezze d'onda della luce visibile va da 380 a 760 nanometri. Le onde elettromagnetiche più corte sono gli ultravioletti, i raggi X e i raggi gamma, mentre quelle più lunghe sono gli infrarossi, il millimetro, il centimetro e tutte le altre onde radio.

Alla fine del XIX secolo la vittoria della teoria ondulatoria della luce su quella corpuscolare sembrava definitiva e irrevocabile. Tuttavia, il XX secolo ha apportato importanti cambiamenti. Sembrava luce, onde o particelle. Si è scoperto: sia onde che particelle. Per le particelle di luce, per i suoi quanti, come si suol dire, è stata coniata una parola speciale: "fotone". La parola "quanto" deriva dalla parola latina quantistico- quanti e "fotone" - dalla parola greca fotografie - leggero. Le parole che denotano i nomi delle particelle nella maggior parte dei casi hanno la desinenza Lui. Sorprendentemente, in alcuni esperimenti la luce si comporta come un'onda, mentre in altri si comporta come un flusso di particelle. A poco a poco, è stato possibile costruire una teoria che prevedesse come si sarebbe comportata la luce in ciascun esperimento. Oggigiorno questa teoria è accettata da tutti; il diverso comportamento della luce non sorprende più.

I primi passi sono sempre particolarmente difficili. Ho dovuto andare contro l'opinione consolidata della scienza e fare affermazioni che sembravano un'eresia. I veri scienziati credono veramente nella teoria che usano per descrivere i fenomeni che osservano. È molto difficile abbandonare una teoria accettata. I primi passi furono mossi da Max Planck (1858-1947) e Albert Einstein (1879-1955).

Secondo Planck-Einstein è in porzioni separate, i quanti, che la luce viene emessa e assorbita dalla materia. L'energia trasportata da un fotone è proporzionale alla sua frequenza: E = Hν. Fattore di proporzionalità H chiamata costante di Planck in onore del fisico tedesco che la introdusse nella teoria della radiazione nel 1900. E già nel primo terzo del XX secolo divenne chiaro che la costante di Planck è una delle costanti mondiali più importanti. Naturalmente, è stato attentamente misurato: H= 6.6260755.10 -34 J.s.

Un quanto di luce è tanto o poco? La frequenza della luce visibile è di circa 10 14 s -1 . Ricordiamo: la frequenza e la lunghezza d'onda della luce sono legate dalla relazione ν = C/λ, dove Con= 299792458.10 10 m/s (esattamente) - la velocità della luce nel vuoto. Energia quantistica Hν, come è facile vedere, vale circa 10 -18 J. Grazie a questa energia, una massa di 10 -13 grammi può essere sollevata fino all'altezza di 1 centimetro. A misura d'uomo è mostruosamente piccolo. Ma questa è una massa di 10 14 elettroni. Nel microcosmo la scala è completamente diversa! Naturalmente, una persona non può sentire una massa di 10-13 grammi, ma l'occhio umano è così sensibile da poter vedere i singoli quanti di luce - questo è stato confermato da una serie di sottili esperimenti. In condizioni normali, una persona non distingue il “grano” di luce, percependolo come un flusso continuo.

Sapendo che la luce ha sia natura corpuscolare che ondulatoria, è più facile immaginare che anche le particelle “reali” abbiano proprietà ondulatorie. Questo pensiero eretico fu espresso per la prima volta da Louis de Broglie (1892-1987). Non ha cercato di scoprire quale fosse la natura dell'onda, le cui caratteristiche aveva predetto. Secondo la sua teoria, una particella dotata di massa M, volando a velocità v, corrisponde ad un'onda con lunghezza d'onda l = hmv e frequenza ν = E/H, Dove E = mv 2/2 - energia delle particelle.

Ulteriori sviluppi della fisica atomica hanno portato alla comprensione della natura delle onde che descrivono il movimento delle particelle atomiche e subatomiche. Nacque una scienza chiamata “meccanica quantistica” (nei primi anni era più spesso chiamata meccanica ondulatoria).

La meccanica quantistica si applica al movimento delle particelle microscopiche. Quando si considera il movimento dei corpi ordinari (ad esempio, qualsiasi parte dei meccanismi), non ha senso tenere conto delle correzioni quantistiche (correzioni dovute alle proprietà ondulatorie della materia).

Una delle manifestazioni del moto ondoso delle particelle è la loro mancanza di traiettoria. Perché esista una traiettoria è necessario che in ogni istante la particella abbia una certa coordinata e una certa velocità. Ma proprio questo è proibito dalla meccanica quantistica: una particella non può avere contemporaneamente un certo valore di coordinate X e un certo valore di velocità v. Le loro incertezze Dx E Dv legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D X D v ~ h/m, Dove Mè la massa della particella, e H- Costante di Planck. La costante di Planck è spesso chiamata il quanto universale dell'"azione". Senza specificare il termine azione, presta attenzione all'epiteto universale. Sottolinea che la relazione di incertezza è sempre valida. Conoscendo le condizioni del moto e la massa della particella, si può stimare quando è necessario tenere conto delle leggi quantistiche del moto (in altre parole, quando le proprietà ondulatorie delle particelle e le loro conseguenze - le relazioni di incertezza) non possono essere trascurate , e quando è del tutto possibile utilizzare le leggi classiche del movimento. Sottolineiamo: se è possibile, allora è necessario, poiché la meccanica classica è significativamente più semplice della meccanica quantistica.

Tieni presente che la costante di Planck è divisa per la massa (sono incluse nelle combinazioni h/m). Maggiore è la massa, minore è il ruolo delle leggi quantistiche.

Per capire quando è certamente possibile trascurare le proprietà quantistiche, proveremo a stimare i valori delle incertezze D X e D v. Se d X e D v sono trascurabili rispetto ai loro valori medi (classici), le formule della meccanica classica descrivono perfettamente il moto; se non sono piccoli è necessario utilizzare la meccanica quantistica. Non ha senso tenere conto dell’incertezza quantistica anche quando altre ragioni (nell’ambito della meccanica classica) portano a un’incertezza maggiore rispetto alla relazione di Heisenberg.

Diamo un'occhiata a un esempio. Ricordando che vogliamo mostrare la possibilità di utilizzare la meccanica classica, consideriamo una “particella” la cui massa è 1 grammo e la cui dimensione è 0,1 millimetri. Su scala umana, questo è un granello, una particella leggera e piccola. Ma è 10 24 volte più pesante di un protone e un milione di volte più grande di un atomo!

Lasciamo che il “nostro” grano si muova in un recipiente pieno di idrogeno. Se un chicco vola abbastanza velocemente, ci sembra che si muova in linea retta ad una certa velocità. Questa impressione è errata: a causa dell'impatto delle molecole di idrogeno sul grano, la sua velocità cambia leggermente ad ogni impatto. Stimiamo esattamente quanto.

Sia la temperatura dell'idrogeno 300 K (misuriamo sempre la temperatura su scala assoluta, sulla scala Kelvin; 300 K = 27 o C). Moltiplicando la temperatura in Kelvin per la costante di Boltzmann K B = 1.381.10 -16 J/K, lo esprimeremo in unità di energia. La variazione della velocità di un grano può essere calcolata utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto. Ad ogni collisione di un granello con una molecola di idrogeno, la sua velocità cambia di circa 10 -18 cm/s. Il cambiamento avviene in modo completamente casuale e in una direzione casuale. Pertanto è naturale considerare il valore di 10 -18 cm/s come misura dell’incertezza classica della velocità del grano (D v) cl per questo caso. Zolla erbosa v) classe = 10 -18 cm/s. Apparentemente è molto difficile determinare la posizione di un grano con una precisione superiore a 0,1 della sua dimensione. Accettiamo (D X) cl = 10 -3 cm. Infine (D X) classe (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Sembrerebbe un valore molto piccolo. In ogni caso, le incertezze sulla velocità e sulla posizione sono così piccole che si può considerare il movimento medio del grano. Ma rispetto all’incertezza quantistica dettata dalla relazione di Heisenberg (D X D v= 10 -27), l'eterogeneità classica è enorme – in questo caso la supera un milione di volte.

Conclusione: quando si considera il movimento di un grano, non è necessario tenere conto delle sue proprietà ondulatorie, cioè dell'esistenza dell'incertezza quantistica delle coordinate e della velocità. Quando si tratta del movimento delle particelle atomiche e subatomiche, la situazione cambia radicalmente.

La più piccola particella di zucchero è una molecola di zucchero. La loro struttura è tale che lo zucchero ha un sapore dolce. E la struttura delle molecole d'acqua è tale che l'acqua pura non sembra dolce.

4. Le molecole sono costituite da atomi

E una molecola di idrogeno sarà la particella più piccola della sostanza idrogeno. Le particelle più piccole degli atomi sono le particelle elementari: elettroni, protoni e neutroni.

Tutta la materia conosciuta sulla Terra e oltre è composta da elementi chimici. Il numero totale di elementi presenti in natura è 94. A temperatura normale, 2 di essi sono allo stato liquido, 11 sono allo stato gassoso e 81 (compresi 72 metalli) sono allo stato solido. Il cosiddetto “quarto stato della materia” è il plasma, uno stato in cui gli elettroni caricati negativamente e gli ioni caricati positivamente sono in costante movimento. Il limite di macinazione è l'elio solido che, come stabilito nel 1964, dovrebbe essere una polvere monoatomica. La TCDD, o 2, 3, 7, 8-tetraclorodibenzo-p-diossina, scoperta nel 1872, è letale ad una concentrazione di 3,1 × 10–9 mol/kg, che è 150mila volte più potente di una dose simile di cianuro.

La materia è costituita da singole particelle. Le molecole di diverse sostanze sono diverse. 2 atomi di ossigeno. Queste sono molecole polimeriche.

Quasi il complesso: il mistero della particella più piccola dell'Universo, o come catturare un neutrino

Il Modello Standard della fisica delle particelle è una teoria che descrive le proprietà e le interazioni delle particelle elementari. Tutti i quark hanno inoltre una carica elettrica che è multipla di 1/3 della carica elementare. Le loro antiparticelle sono antileptoni (l'antiparticella dell'elettrone è chiamata positrone per ragioni storiche). Gli iperoni, come le particelle Λ, Σ, Ξ e Ω, contengono uno o più quark s, decadono rapidamente e sono più pesanti dei nucleoni. Le molecole sono le particelle più piccole di una sostanza che conservano ancora le sue proprietà chimiche.

Quale vantaggio finanziario o di altro tipo può essere derivato da questa particella? I fisici alzano le spalle. E davvero non lo sanno. Un tempo lo studio dei diodi a semiconduttore era puramente fisica fondamentale, senza alcuna applicazione pratica.

Il bosone di Higgs è una particella così importante per la scienza che è stata soprannominata la “particella di Dio”. È questo che, come credono gli scienziati, dà massa a tutte le altre particelle. Queste particelle iniziano a rompersi non appena nascono. La creazione di una particella richiede un'enorme quantità di energia, come quella prodotta dal Big Bang. Per quanto riguarda le dimensioni e il peso maggiori dei superpartner, gli scienziati ritengono che la simmetria sia stata rotta in un settore nascosto dell'universo che non può essere visto o trovato. Ad esempio, la luce è costituita da particelle con massa nulla chiamate fotoni, che trasportano una forza elettromagnetica. Allo stesso modo, i gravitoni sono particelle teoriche che trasportano la forza di gravità. Gli scienziati stanno ancora cercando di trovare i gravitoni, ma questo è molto difficile, poiché queste particelle interagiscono molto debolmente con la materia.