Atomizm, czyli doktryna o istnieniu najmniejszych niepodzielnych cząstek tworzących materię, powstała na długo przed tym, zanim naukowcy byli w stanie zweryfikować jej postanowienia eksperymentalnie. Jednak gdy to zrobili, okazało się, że mikrokosmos jest wypełniony nie tylko atomami, ale także jeszcze mniejszymi cząstkami, które wykazują niesamowite właściwości.
Pan Lubin mikrokosmos
Pojęcie „atomu” zostało przywrócone do użytku naukowego przez Johna Daltona, nauczyciela z Manchesteru, który na początku XIX wieku stworzył przekonującą teorię interakcji chemicznych. Doszedł do wniosku, że w przyrodzie istnieją proste substancje, które nazwał „pierwiastkami”, z których każdy składa się z atomów, które są charakterystyczne tylko dla niego. Dalton wprowadził również koncepcję masy atomowej, która pozwoliła na uporządkowanie pierwiastków w słynnym układzie okresowym, zaproponowanym przez Dmitrija Mendelejewa w marcu 1869 roku.
Fakt, że oprócz atomów istnieją inne cząstki, naukowcy zaczęli się domyślać, badając zjawiska elektryczne. W 1891 roku irlandzki fizyk George Stoney zasugerował nazwanie hipotetycznej naładowanej cząstki elektronem. Po 6 latach Anglik Joseph Thomson odkrył, że elektron jest znacznie lżejszy od atomu najlżejszego pierwiastka (wodoru), w rzeczywistości odkrywając pierwszą z podstawowych cząstek.
W 1911 roku Ernest Rutherford na podstawie danych eksperymentalnych zaproponował planetarny model atomu, zgodnie z którym w jego centrum znajduje się gęste i dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą ujemnie naładowane elektrony. Cząstkę subatomową o ładunku dodatnim, z której zbudowane są jądra, nazwano protonem.
Niebawem fizyków czekało kolejne zaskakujące odkrycie: liczba protonów w atomie jest równa liczbie pierwiastka w układzie okresowym. Wtedy powstała hipoteza, że w składzie jąder atomowych są jeszcze inne cząstki. W 1921 roku amerykański chemik William Harkins zaproponował nazwanie ich neutronami, ale zarejestrowanie i opisanie promieniowania neutronowego zajęło kolejne 10 lat, którego odkrycie, jak wiemy, miało kluczowe znaczenie dla rozwoju energetyki jądrowej.
Film promocyjny:
Phantoms of the Antiworld
We wczesnych latach trzydziestych fizycy znali cztery podstawowe cząstki: foton, elektron, proton i neutron. Wydawało się, że wystarczyły do opisania mikrokosmosu.
Sytuacja zmieniła się dramatycznie, gdy Paul Dirac udowodnił teoretyczną możliwość istnienia antyelektronów. Jeśli elektron zderzy się z antyelektronem, nastąpi anihilacja z uwolnieniem fotonu o wysokiej energii. Początkowo Dirac uważał, że proton jest antyelektronem, ale jego koledzy wyśmiewali jego pomysł, ponieważ wtedy wszystkie atomy na świecie natychmiast unicestwiłyby. We wrześniu 1931 roku naukowiec zasugerował, że musi istnieć specjalna cząstka (później nazywana pozytonem), która rodzi się z próżni, gdy zderzają się twarde promienie gamma. Wkrótce stało się jasne, że naukowcy zarejestrowali taką cząstkę wcześniej, ale nie byli w stanie podać rozsądnych podstaw do jej manifestacji. Odkrycie pozytonu sugeruje, że proton i neutron muszą mieć te same analogi.
Rosyjski fizyk Vladimir Rozhansky poszedł jeszcze dalej, publikując w 1940 roku artykuł, w którym argumentował, że niektóre ciała w Układzie Słonecznym (na przykład meteoryty, komety i asteroidy) składają się z antymaterii. Wyedukowana publiczność, przede wszystkim pisarze science fiction, podjęła ten pomysł, wierząc w fizyczną rzeczywistość anty-świata, który istnieje gdzieś w pobliżu.
Proces sztucznego otrzymywania antycząstek okazał się dość pracochłonny: w tym celu konieczne było zbudowanie specjalnego akceleratora „Bevatron”. Antyprotony i antyneutrony wykryto na nim w połowie lat pięćdziesiątych. Od tego czasu, pomimo rosnących kosztów pracy, udało się pozyskać jedynie znikome ilości antymaterii, więc poszukiwania jej naturalnych „złóż” trwają.
Nadzieję zwolenników hipotezy Rożańskiego podsyca zarejestrowana rozbieżność (100-krotnie!) Między teoretycznie przewidywanym a rzeczywistym natężeniem strumieni antyprotonów w promieniowaniu kosmicznym. Rozbieżność tę można wytłumaczyć między innymi założeniem, że gdzieś poza naszą Galaktyką (a nawet Metagalaktyką) naprawdę istnieje rozległy obszar składający się z antymaterii.
Nieuchwytna cząstka
W 1900 roku fizycy ustalili, że promienie beta powstające w wyniku rozpadu radioaktywnego są w rzeczywistości elektronami.
W toku dalszych obserwacji okazało się, że energia emitowanych elektronów okazała się inna, co wyraźnie naruszyło prawo zachowania energii. Żadne teoretyczne i praktyczne sztuczki nie pomogły wyjaśnić, co się dzieje, aw 1930 roku Niels Bohr, patriarcha fizyki kwantowej, wezwał do porzucenia tego prawa w odniesieniu do mikroświata.
Wyjście znalazł Szwajcar Wolfgang Pauli: zasugerował, że podczas rozpadu jąder atomowych uwalnia się kolejna cząstka subatomowa, którą nazwał neutronem i której nie można wykryć za pomocą dostępnych instrumentów. Ponieważ to wtedy w końcu odkryto przewidywany wcześniej neutron, zdecydowano się nazwać hipotetyczną cząstkę Pauliego neutrinem (później okazało się, że podczas rozpadu beta nie rodzi się neutrino, ale antyneutrino).
Chociaż początkowo idea neutrin została przyjęta ze sceptycyzmem, z czasem zawładnęła umysłem. W tym samym czasie pojawił się nowy problem: cząstka jest tak mała i ma tak niewielką masę, że praktycznie niemożliwe jest jej naprawienie nawet podczas przechodzenia przez najgęstsze substancje. Jednak naukowcy nie poddali się: kiedy pojawiły się reaktory jądrowe, udało się je wykorzystać jako generatory potężnego strumienia neutrin, co doprowadziło do jego odkrycia w 1956 roku.
Cząsteczki „duchów” nauczyły się rejestrować, a nawet zbudowały ogromne obserwatorium neutrin „Ice Cube” na Antarktydzie, ale same w sobie pozostają w dużej mierze tajemnicą. Na przykład istnieje hipoteza, że antyneutrina oddziałują z materią jak zwykłe neutrino. Jeśli hipoteza zostanie potwierdzona eksperymentalnie, stanie się jasne, dlaczego podczas formowania się Wszechświata powstała globalna asymetria i dzisiejsza materia jest znacznie większa niż antymateria.
Naukowcy wiążą się z dalszymi badaniami neutrin, uzyskując odpowiedzi na temat możliwości ruchu z prędkością ponadświetlną, natury „ciemnej materii”, warunków panujących we wczesnym Wszechświecie. Ale, co być może najważniejsze, niedawno udowodniona obecność masy w neutrinach niszczy Model Standardowy, naruszając podstawy współczesnej fizyki.
Poza modelem standardowym
Badanie promieni kosmicznych i budowa potężnych akceleratorów przyczyniły się do odkrycia kilkudziesięciu nieznanych wcześniej cząstek, dla których należało wprowadzić dodatkową klasyfikację. Na przykład obecnie wszystkie cząstki subatomowe, których nie można podzielić na części składowe, nazywane są elementarnymi, a tylko te, które uważa się za pozbawione struktury wewnętrznej (elektrony, neutrina itp.) Nazywane są fundamentalnymi.
We wczesnych latach sześćdziesiątych zaczął nabierać kształtu Model Standardowy - teoria, która bierze pod uwagę wszystkie znane cząstki i oddziaływania sił, z wyjątkiem grawitacji. W aktualnej wersji opisano 61 cząstek elementarnych, w tym legendarny bozon Higgsa. Sukces modelu standardowego polega na tym, że przewiduje on właściwości cząstek, które nie zostały jeszcze odkryte, co ułatwia ich znalezienie. A przecież są powody, by mówić, jeśli nie o rewizji, to o rozszerzeniu modelu. Właśnie to robią zwolennicy Nowej Fizyki, która ma rozwiązać nagromadzone problemy teoretyczne.
Wyjściu poza Model Standardowy towarzyszyć będzie odkrycie nowych cząstek elementarnych, które wciąż są hipotetyczne. Być może naukowcy odkryją tachiony (poruszające się z prędkością ponadświetlną), grawitony (przenoszące oddziaływanie grawitacyjne) i vimpy (tworzące „ciemną” materię). Ale jest równie prawdopodobne, że natkną się na coś jeszcze bardziej fantastycznego. Jednak nawet wtedy nie będzie żadnej gwarancji, że poznaliśmy mikrokosmos jako całość.
Anton Pervushin