Atomismi, toisin sanoen oppi pienimmistä jakamattomista hiukkasista, jotka muodostavat aineen, on syntynyt kauan ennen kuin tutkijat pystyivät todentamaan sen säännökset kokeellisesti. Kuitenkin kun he tekivät niin, kävi ilmi, että mikrokosmos ei ole täynnä vain atomeja, vaan myös vielä pienempiä hiukkasia, joilla on uskomattomia ominaisuuksia.
Herra Lubinin mikrokosmos
Manchesterin kouluopetaja John Dalton palautti "atomin" käsitteen takaisin tieteelliseen käyttöön. Hän loi vakuuttavan kemiallisen vuorovaikutuksen teorian 1800-luvun alkupuolella. Hän päätteli, että luonnossa on yksinkertaisia aineita, joita hän kutsui "alkioiksi", ja jokainen koostuu atomeista, jotka ovat vain hänelle ominaisia. Dalton esitteli myös atomipainon käsitteen, joka mahdollisti elementtien tilaamisen kuuluisassa jaksollisessa taulukossa, jonka Dmitri Mendelejev ehdotti maaliskuussa 1869.
Se, että atomien lisäksi on joitain muita hiukkasia, tutkijat alkoivat arvata tutkiessaan sähköisiä ilmiöitä. Irlantilainen fyysikko George Stoney ehdotti vuonna 1891 hypoteettisen varautuneen hiukkasen nimeämistä elektroniksi. Kuuden vuoden kuluttua englantilainen Joseph Thomson havaitsi, että elektroni on paljon kevyempi kuin kevyimmän elementin (vedyn) atomi, tosiasiallisesti löydettyään ensimmäisen perushiukkasista.
Vuonna 1911 Ernest Rutherford ehdotti kokeellisiin tietoihin perustuvaa planeetan mallia atomista, jonka mukaan tiheä ja positiivisesti varautunut ydin sijaitsee sen keskellä, jonka ympärillä negatiivisesti varautuneet elektronit pyörivät. Sellaista subatomista hiukkasta, jolla on positiivinen varaus, josta ytimet muodostuvat, kutsuttiin protoniksi.
Pian uusi yllättävä löytö odotti fyysikoita: protonien lukumäärä atomissa on yhtä suuri kuin jaksollisen taulukon elementin lukumäärä. Sitten nousi hypoteesi siitä, että atomiytimien koostumuksessa on joitain muita hiukkasia. Vuonna 1921 amerikkalainen kemisti William Harkins ehdotti, että ne kutsutaan neutroneiksi, mutta neutronisäteilyn kirjaamiseen ja kuvaamiseen kului vielä 10 vuotta, jonka löytämisellä, kuten tiedämme, oli avainasemassa ydinenergian kehityksessä.
Mainosvideo:
Antimaailman fantomit
Fyysikot tunsivat 1930-luvun alkupuolella neljä perustavanlaatuista hiukkasta: fotoni, elektroni, protoni ja neutroni. Näytti siltä, että ne olivat tarpeellisia kuvaamaan mikrokosmia.
Tilanne muuttui dramaattisesti, kun Paul Dirac osoitti antielektronien olemassaolon teoreettisen mahdollisuuden. Jos elektroni ja antielektroni törmäävät yhteen, tuhoaminen tapahtuu vapauttamalla korkeaenergiainen fotoni. Aluksi Dirac uskoi, että protoni on antielektroni, mutta hänen kollegansa nauravat hänen ajatustaan, koska silloin kaikki maailman atomit tuhoutuvat heti. Syyskuussa 1931 tiedemies ehdotti, että siellä on oltava erityinen hiukkas (jota kutsutaan myöhemmin positroniksi), joka syntyy tyhjöstä, kun kovat gammasäteet törmäävät. Pian kävi selväksi, että tutkijat olivat rekisteröineet tällaisen hiukkasen aikaisemmin, mutta eivät pystyneet antamaan sen ilmenemismuodoille kohtuullista perustaa. Positronin löytö ehdotti, että protonilla ja neutronilla on oltava samat analogit.
Venäläinen fyysikko Vladimir Rozhansky meni vielä pidemmälle ja julkaisi vuonna 1940 artikkelin, jossa hän väitti, että jotkut aurinkokunnan elimet (esimerkiksi meteoriitit, komeetat ja asteroidit) koostuvat antimateriaalista. Koulutetut yleisöt, ennen kaikkea tieteiskirjailijat, ottivat idean uskoen jossain lähellä olevan anti-maailman fyysiseen todellisuuteen.
Hiukkasten keinotekoinen hankkiminen osoittautui melko työläkseksi: tätä varten oli tarpeen rakentaa erityinen kiihdytin "Bevatron". Antiprotonit ja antineutronit havaittiin siitä 1950-luvun puolivälissä. Siitä lähtien huolimatta kasvavista työvoimakustannuksista on ollut mahdollista saada vain vähäisiä määriä antimateriaa, joten sen luonnollisten "esiintymien" etsiminen jatkuu.
Rozhansky-hypoteesin kannattajien toiveita lisää rekisteröidyillä eroilla (100 kertaa!) Antiprotonivuojen teoreettisesti ennustetun ja todellisen intensiteetin välillä kosmisissa säteissä. Tämä ristiriita voidaan selittää muun muassa oletuksella, että galaksin (tai jopa Metagalaksin) ulkopuolella on todella valtava alue, joka koostuu antimateriaalista.
Elukevä hiukkanen
Fyysikot totesivat vuonna 1900, että radioaktiivisen hajoamisen tuottama beeta-säteily on todella elektronia.
Lisähavaintojen aikana kävi ilmi, että emittoituneiden elektronien energia osoittautuu erilaiseksi, mikä rikkoi selvästi energian säilyttämislakia. Mikään teoreettinen ja käytännöllinen temppu ei auttanut selittämään tapahtuvaa, ja vuonna 1930 kvanttifysiikan patriarkka Niels Bohr kehotti luopumaan tästä laista suhteessa mikromaailmaan.
Sveitsiläinen Wolfgang Pauli löysi tietä ulospääsyä: hän ehdotti, että atomiytimien hajoamisen aikana vapautuu toinen subatominen hiukkanen, jota hän kutsui neutroniksi ja jota käytettävissä olevat instrumentit eivät pysty havaitsemaan. Koska tuolloin aikaisemmin ennustettu neutroni löydettiin lopulta, päätettiin kutsua hypoteettista Pauli-hiukkasta neutrinoksi (myöhemmin kävi ilmi, että beetahajoamisen aikana ei muodostu neutriinoa, vaan syntyy antineutrino).
Vaikka idea neutriinoista otettiin alun perin skeptisesti, ajan myötä se otti mielen valtaan. Samalla syntyi uusi ongelma: hiukkanen on niin pieni ja sen massa on niin vähäinen, että sen käytöstä poistaminen on käytännössä mahdotonta edes tiheimpien aineiden läpi. Tutkijat eivät kuitenkaan luopuneet: kun ydinreaktorit ilmestyivät, niitä onnistui käyttämään voimakkaan neutriinovuon generaattoreina, mikä johti sen löytämiseen vuonna 1956.
"Ghost" -hiukkaset oppivat rekisteröimään ja jopa rakensivat valtavan neutrino-observatorion "Ice Cube" Antarktikaan, mutta ne itsekin pysyvät suurelta osin mysteerinä. Esimerkiksi on olemassa hypoteesi, että antineutrinot ovat vuorovaikutuksessa aineen kanssa kuin tavallinen neutriino. Jos hypoteesi vahvistetaan kokeilulla, käy selväksi, miksi maailmankaikkeuden muodostumisen aikana syntyi globaali epäsymmetria ja aine on nykyään paljon suurempi kuin antimateria.
Tutkijat yhdistävät lisätutkimukseen neutriinojen saamisen vastauksiksi liikkumisen mahdollisuudesta superluminalinopeudella, "tumman aineen" luonteesta, varhaisen maailmankaikkeuden olosuhteista. Mutta, mikä tärkeintä, äskettäin todistettu massan esiintyminen neutriinoissa tuhoaa standardimallin ja tunkeutuu modernin fysiikan perusteisiin.
Vakiomallin ulkopuolella
Kosmisen säteilyn tutkimus ja voimakkaiden kiihdyttimien rakentaminen auttoivat löytämään kymmeniä aiemmin tuntemattomia hiukkasia, joille oli luotava lisäluokitus. Esimerkiksi, nykyään kaikkia subatomisia hiukkasia, joita ei voida jakaa osiinsa, kutsutaan alkeisiksi ja vain niitä, joilla ei katsota olevan sisäistä rakennetta (elektroneja, neutriinoja jne.), Kutsutaan perustavoiksi.
1960-luvun alkupuolella standardimalli alkoi muotoutua - teoria, joka ottaa huomioon kaikki tunnetut hiukkaset ja voimien vuorovaikutukset painovoimaa lukuun ottamatta. Nykyinen versio kuvaa 61 alkuainehiukkasta, mukaan lukien legendaarinen Higgs-bosoni. Vakiomallin menestys on, että se ennustaa hiukkasten ominaisuuksia, joita ei ole vielä löydetty, mikä helpottaa niiden löytämistä. Ja silti on syytä puhua, jos ei muutosta, sitten mallin laajentamista varten. Juuri tätä uuden fysiikan kannattajat tekevät, ja sitä kehotetaan ratkaisemaan kertyneet teoreettiset ongelmat.
Standardimallin ylittämiseen liittyy uusien alkuainepartikkeleiden löytäminen, jotka ovat edelleen hypoteettisia. Ehkä tutkijat löytävät takyonit (liikkuvat superluminal nopeudella), gravitonit (kantavat gravitaation vuorovaikutusta) ja vimpsit (jotka muodostavat "tumman" aineen). Mutta on yhtä todennäköistä, että he kompastuvat jotain vielä upeaa. Silloinkin ei kuitenkaan ole mitään takeita siitä, että olemme tunnistaneet mikrokosmin kokonaisuutena.
Anton Pervushin