Mis on tuuma sees. Maa tuum

8. peatükk Aatomi ülikoolis 1900. aastal õpetati üliõpilastele, et tavaline aine – tellised, teras, uraan ja kõik muu – koosneb ise pisikestest osakestest, mida nimetatakse aatomiteks. Keegi aga ei teadnud, millest aatomid koosnevad. Üldine arvamus

Liftist väljas ja sees Inertsiseadus on esimene suur edu füüsikas, tegelikult selle tõeline algus. See avastati mõeldes idealiseeritud eksperimendile, kehale, mis liigub pidevalt ilma hõõrdumiseta ja ilma muude väliste teguriteta.

33. Vedelike külgetõmme Elektrifitseeritud asjad ei tõmba ligi mitte ainult tahkeid esemeid, vaid ka vedelikke. Pole midagi lihtsamat, kui tuvastada näiteks veejoa elektriline külgetõmme: viige läbi juuste tõmmatud kamm õhukese veejoa juurde, mis voolab

17. Miks on Maa sees sula? See on vale. Vähemalt mitte päris planeedi keskel. Maal on tahke sisemine tuum ja vedel välimine tuum. Mõlemad koosnevad rauast ja niklist Normaaltingimustes sulab raud 1536 °C juures. Kuid materjali sulamistemperatuur tõuseb koos

37. Mis on Päikese sees? Päike on tohutu gaasipall, läbimõõduga 1,4 miljonit km. See koosneb peamiselt vesinikust (75%) ja heeliumist (24%), mille tihedus ja temperatuur suurenevad märkimisväärselt. Aatomituumad (positiivne laeng)

13 MUSTAD AUGUD SEES peatükk, kus füüsikud maadlevad Einsteini võrrandiga ja püüavad mõista, mis on mustade aukude sees peidus: teekond teise universumisse? Singulaarsus lõpmatute loodete gravitatsioonijõududega? Ruumi ja aja lõpp ning kvanti sünd

Kerneli sees

Pärast seda, kui Rutherford aatomi sügavustes selle tillukese tuuma ära nägi, tundus paljudele, et teadus on lõpuks jõudnud looduse põhja – sellest polnud midagi sügavamat. Kuid möödus vaid kakskümmend aastat ja avastati neutron - osake kõigis oma omadustes sama mis vesinikuaatomi tuum - prooton, kuid ainult ilma elektrilaenguta. Neutraalne prooton. Füüsikutele on avanenud järjekordne, nüüdseks neljas samm mikromaailma sügavustes.

See oli sama Rutherford, kes tegi ettepaneku nimetada kõige kergema ja väikseima aatomi tuuma prootoniks. Ta tuletas selle termini kreeka sõnast "protos" - kõigepealt. Samal ajal meenutab see valku - kõige lihtsamat valku, mille alusel ehitatakse kõigi elusorganismide rakud. Rutherford oli kindel, et ka raskete aatomite tuumad peavad olema kuidagi prootoniga seotud. Selle neutraalse venna nimi neutron peegeldab selle osakese peamist eristavat omadust - laengu puudumist. Seda ei tõrju tuuma elektriväli ja tungib nagu noaga sooja või sisse aatomituumadesse, lõhkudes need laiali või moodustades uusi tuumasid. Neutron osutus äärmiselt mugavaks "sondiks" tuumade sisemuse uurimiseks. Pärast selle avastamist liikus tuumafüüsika hüppeliselt edasi.

A. Tolstoi kuulsas muinasjutus avasid pika ninaga Pinocchio ja tema sõbrad Papa Carlo kapis võluukse väikese kuldse võtmega, mille tark kilpkonn Tortila sügavast mudasest tiigist leidis. Füüsikute jaoks muutus neutron selle abil nii vapustavaks kuldvõtmeks, et neil õnnestus aatomienergia ladu lahti teha. Aga see on hoopis teine ​​lugu...

Tuleme aga tagasi aatomituuma juurde. Varsti pärast neutroni avastamist esitasid kaks teoreetikut, sakslane Werner Heisenberg – sama, kes hiljem juhtis tööd Natsi-Saksamaa aatomipommi loomisel – ja nõukogude füüsik Dmitri Dmitrijevitš Ivanenko, kes on praegu Moskva ülikooli professor. hüpotees, et aatomituum koosneb prootonitest ja neutronitest. Nende teooria kohaselt meenutab see välimuselt granaatõuna vilja, mille marjaosakesed on tihedalt kokku surutud. Vesiniku tuumas on ainult üks selline osake - üks prooton raskete elementide tuumades - näiteks pliis või uraanis - neid on juba üle kahesaja; Katsed kinnitasid seda teooriat suurepäraselt. Kuid see jäi saladuseks, millised jõud seovad laetud ja neutraalseid osakesi nii tihedalt tuumapiiskadeks.

Rosa Khatskelevitš: Tahaksin teile tutvustada Igor Ivanovit – just temast me Iljaga nii kaua rääkisime. Ja... mõned reeglid. Igor ütles meile kohe, kui hakkasime loengut korraldama, et ma ei taha, et inimesed istuksid saalis nagu sõdurid ja vaataksid mulle otsa, kuulaksid ja... lahkuksid. Ma tahan, et inimesed, kes tuppa tulevad, segaksid mind ja esitaksid mulle küsimusi kohtades, kus see on nende arvates sobiv.

Meile see idee väga meeldis, kuid nüüd, kui näeme nii palju inimesi saali tulemas, mõtleme: "Kuidas me saame seda teha?" Ja nii otsustasime lasta kõigel kulgeda omasoodu. See tähendab, et Igor räägib, ootame teilt ikkagi küsimusi, mis tema kõne katkestavad, aga kui selgub, et küsimusi on nii palju ja Igor ei saa oma kõnet jätkata, siis jätame endale õiguse seda spontaanset protsessi kuidagi sujuvamaks muuta. See tähendab, et me ütleme: "Poisid, see on kõik. Kõik küsimused. Las Igor räägib meile kõik, mida ta tahab, ja pärast loengut vastake palun - ma ei tea, kaua me siin olla saame? "Ta vastab teie küsimustele kuni ööni."

Kas sa nõustud? Tahaksime väga, et oleksite aktiivne, me tõesti tahame, et tunneksite täna huvi ja oleme peaaegu kindlad - või isegi üsna kindlad -, et see nii läheb. Palun alustame.

Igor Ivanov: Tänud. Mul on tõesti väga hea meel teid kõiki siin peaaegu täis saalis näha. (Kas kuulete mind hästi? Olgu. Siin. Kas näete pilti? Kas te ei pea valgust välja lülitama? Kas saate selle välja lülitada? See on parem, eks?)

Tegelikult ma seda slaididel näitangi - tuleb üsna vähe, tulevad sellised põhiväited. Aga põhimõtteliselt on see loeng selline, kätega vehkimine: jälgi oma käsi, ma näitan sulle kõike, mis on sõrmedel. Siin.

Esiteks räägin teile, noh, mõned kaasaegses füüsikas eksisteerivad ideed, mis uurivad, mis toimub aatomituumade sees ja veelgi sügavamal - osakeste sees, ja siis päris lõpus näitan mõnda slaidi füüsikute tehtud katse kohta. on oodanud palju aastaid. Seda eksperimenti on hakatud juba 10 aastat tagasi tükikaupa kokku panema ja järgmisel aastal käivitatakse. Nüüd valmistatakse ette maailma suurima eksperimentaalinstallatsiooni elemente – suure hadronite põrgataja Šveitsis. Ja see järgmisel aastal käivitatav eksperiment annab vastuse paljudele küsimustele ja tõukab tegelikult füüsikat edasi arenema. Seetõttu näitan selle katse kohta mõnda tehnilist ja eksperimentaalset slaidi. Noh, lähme.

Kuidas prooton elab?

Olete siia kogunenud ja kuna olete kogunenud, tähendab see, et olete huvitatud füüsikast. Tõenäoliselt olete lugenud mõnda populaarteaduslikku raamatut või artiklit ja tunnete seetõttu natuke maailma ülesehitust. Kui esimesed kaks või kolm minutit tunduvad teile tuttavad, pole midagi, sest ma alustan lihtsatest asjadest. Aga ole ettevaatlik, sest varsti jõuan asjadeni, millest koolis ei räägita. Kuid need on üsna lihtsad, nii et ma tahan teile ka neist rääkida. (Kui teil on küsimusi, küsige.)

Niisiis, alustame kõige lihtsamatest asjadest, mida ilmselt kõik või peaaegu kõik teavad. Kõik, mis on meie ümber – lühter, näiteks põrand, õhk – kõik see koosneb molekulidest. Molekulid koosnevad aatomitest. Sa tead seda kõike väga hästi, ilmselt õpetatakse seda isegi kesk- või algkoolis. Maailmas on palju molekule. Ma ei tea, kui palju aineid on keemikud sünteesinud – ma arvan, et miljoneid. Ja iga aine on eriline, kuna sellel on oma eriline molekul. Need miljonid erinevad molekulid on tegelikult ehitatud aatomitest, mida pole palju. Ilmselt tunnete ka teie perioodilisustabelit: seal on nüüdseks avastatud veidi üle saja aatomi ja sadu elemente. Veel vähem leidub looduses tegelikult.

Nii et sellest väikesest aatomite arvust saate neid kombineerides luua palju erinevaid molekule. Aatomid - noh, te teate ka seda hästi - ei ole elementaarsed: need koosnevad kompaktsest tuumast, mis asub seal, keskel, see on väga raske, ja elektronkestadest, mis istuvad. (Ma räägin teile neid lihtsaid asju nüüd lihtsalt sõnade sissejuhatuseks. Hiljem on need sõnad olulised.) Ja lõpuks see tuum, mis asub iga aatomi sees, mis on aatomiga võrreldes väga väike, kuid väga raske, - see pole ka elementaarne: see koosneb prootonitest ja neutronitest. Sa tead seda ka väga hästi.

Seda kõike õpetatakse koolis ja tunduks, et need on kõik väga lihtsad asjad, aga tegelikult saab seda olukorda vaadata veidi teise külje pealt, millele tavaliselt tähelepanu ei pöörata. Sõnastan selle nii: kõigis neis siinsetes olukordades – molekulides, aatomites ja tuumades – toimib kõikjal põhimõte, mida ma nimetasin "kombinatsiooniprintsiibiks".

Mis see on? Las ma seletan. Tegelikult on idee väga lihtne, esmapilgul isegi liiga lihtne. Seal on kirjas, et lihtsamatest saab keerulisemad ja raskemad esemed lihtsalt mõne lisajupi lisamisega. Mida raskem objekt, seda rohkem tükke see sisaldab. Ja seetõttu on objekti komplikatsioon paratamatult seotud tükkide arvu suurenemisega. See toimib ka tavalistes molekulides (kas kujutate ette, missuguseid molekule on - osad on väga väikesed, aga kui need omavahel kokku liita, siis saad suured ja on ka täiesti hiiglaslikke suurest hulgast aatomitest koosnevaid molekule). Sama asi toimib ka aatomites ja aatomituumades (seal on väga väikesed tuumad; näiteks alfaosake on väga väike tuum, aga kui lisada sellele veel prootoneid ja neutroneid, on tulemuseks rasked tuumad).

Näib, miks sellest nii palju rääkida? See kõik on täiesti elementaarne. Näib, kuidas saaks teisiti? See on nii ilmne. Niisiis, kui me sukeldume prootoni sügavustesse, on see täiesti erinev. Seal see ei tööta.

Kuid see juhtub viie minuti pärast, kuid praegu vaatame, milleni füüsika on jõudnud.

Ehk tead ka seda pilti, vähemalt 11. klassis käivad nad füüsikas läbi. Kaasaegne füüsika on "roninud" mateeria sügavatesse sügavustesse. See pole nii lihtne, kui võib tunduda, sest väikseid osakesi ei saa sõrmedega tunda ja te ei saa neid väikeste tangide abil võtta ega valguse abil näha. Selle tulemusena on füüsikud pikka aega püüdnud välja mõelda, kuidas mõne osakese sisse "vaadata", ja leidnud, et lihtsaim viis on need lihtsalt üksteise sisse lükata.

Nüüd tehakse neid katseid maailma erinevates keskustes – need on kiirendid, mis kiirendavad osakesi ja põrkuvad neid omavahel. Kui teil on küsimusi, räägin teile üksikasjalikult hiljem ja lõpus räägin teile ka veidi nendest katsetustest. Praegu on meie jaoks oluline teada, et need katsed on olemas, et osakesed põrkuvad üksteisega ja kui uurite kokkupõrgete tulemusi, saate lihtsalt aru, millest need koosnevad.

Pärast seda kõike analüüsides – ja need katsed algasid umbes 40 aastat tagasi – jõudsid füüsikud kiiresti järeldusele, et ka prooton pole elementaarne. Sellel on ka struktuur ja see struktuur on üsna lihtne: seal on kolm väikest kompaktset objekti, mida nimetatakse kvarkideks...

I.I.: Oota oota...

I.I.: See on selge. Kas ma võin kohe vastata?

I.I.: Usun kergesti, et saate seda selgitada. Fakt on see, et loomulikult on kõigil neil slaididel tohutult palju lihtsustusi, see tähendab, et teaduslikust vaatenurgast on seal palju ebatäpsusi. Aga kuna see loeng on ebateaduslik, siis jätan need ebatäpsused lihtsalt välja, ei aruta neid.

I.I.: Nii et arvate, et see kõik on vale?

I.I.: Niisiis. Noh, jätkame ja siis saame arutada...

Tegelikult tahan ma lihtsalt öelda seda: see teema on üsna ohtlik, sest on palju inimesi, kes pole selle teemaga hästi kursis. Tõsiselt, tegelikult. Tõepoolest, teaduses on mitu peent punkti, mille ümber on vaidlusi. Sellegipoolest on eksperimentaalseid andmeid - neid on palju -, mis on tänapäeval üldiselt aktsepteeritud sellisel kujul: on kolm kompaktset objekti (igaks juhuks puhkeolekus prootonis), mis on sellistega ligikaudu ümbritsetud. .. midagi, mis neid ümbritseb, mida võib tinglikult nimetada "gluonipilveks". Gluoonid on osakesed, mis tegelikult viivad nende kvarkide ligitõmbamiseni. Ja siin toimub tegelikult üks väga huvitav asi - pealegi ütlen ma isegi julgelt: asi, millega inimkond pole varem kokku puutunud. Need gluoonjõud on väga ebatavalised.

See, mis juhtub, näeb välja umbes selline. Jällegi, suurte lihtsustustega, väga lühidalt, kuid see näeb välja umbes selline. Need jõud, mis tõmbavad kvarke, lakkavad ühtäkki olemast lihtsalt jõud – need realiseeruvad. See tähendab, et nad kukuvad setetena välja, ümbritsevad neid kvarke ja asuvad nende kõrval. Suudad sa ettekujutada? See tähendab, et seal ei ole mitte ainult mingid jõududega ühendatud osakesed, vaid need väljad, mis neid ühendavad, hakkavad järsku oma elu elama. Neil on materiaalne olemus.

Näiteks nad kaaluvad - neil on mass. Ja nad lakkavad olemast lihtsalt nende kvarkide "käelikud", nad ei tõmba neid lihtsalt ligi - nad hakkavad meelitama näiteks iseennast. See tähendab, et siin skemaatiliselt joonistatud gluoonpilve erinevad osad tunnetavad ka üksteist ja ei lase sellel pilvel laieneda, vaid hoiavad seda tagasi. Tänu sellele selgub, et meie prooton (tegelikkuses on see kõik prooton) on üsna kompaktne.

Tänu sellele selgub, et kvark ei saa väga kaugele lennata. Kujutage vaid ette, et see pole lihtsalt pilv ja seal on kvarke – see on kvarkide tekitatud pilv. See tähendab, et kõigepealt hakkavad kvargid tõmbuma ja siis see jõud, mis neid ohjeldab, sadestub, justkui kondenseerub. Ja kujutage ette, et kui te nüüd proovite neid kvarke üksteisest lahti nihutada – tegelikult selliseid katseid tehakse –, võin sõna otseses mõttes öelda: nad võtavad ühe ja klõpsavad mõnele sellisele kvargile. Need on lihtsalt tõelised katsed - loomulikult ei kasuta nad klõpsuks sõrme, vaid mingit elektroni: nad kiirendavad elektroni suure energiaga - pauk! - otse kvargi peal. Kvark püüab nii palju kui võimalik ära lennata, kuid ta ei saa gluoonipilvest minema lennata: ta ise genereerib selle pilve. Selle tulemusena selgub, et gluoonpilv püüab venitada, see paisub, paisub, muutub raskemaks ja selle tulemusena laguneb see kõik osakesteks. Kvark lihtsalt ei saa sellest välja - see on üks gluoonjõudude ebatavalisuse ilminguid.

Tegelikult läheb edasi veelgi huvitavamaks. Tänu sellele selgub, et – mäletate kombineerimise põhimõtet, mis aatomituumades suurepäraselt töötas? ta töötas aatomites ja molekulides - seega, ta ei tööta üldse prootonis. Kuidas see välja näeb? Kujutagem ette näiteks analoogia põhjal aatomituumaga. Olgu prooton, mis koosneb kvarkidest. Lisame sellele veel paar kvarki – 9, 12, mida iganes. Tahame saada ühe suure ja paksu megaprootoni. Võite proovida seda teha eksperimentaalselt - tegelikult pole raskusi. Eksperimendid on tehtud ja mis juhtub? Selgub, et need lisakvargid ei taha sisse pääseda. Püüame neid sisse suruda, kuid nad ei taha sisse saada – nad tahavad end eraldada. See on keeruline üleminek, mida füüsikud praegu täielikult ei mõista. Täpsemalt on see muidugi teoreetiliselt või numbriliselt kuidagi välja arvutatud, aga kahjuks sellist üldist arusaadavat pilti veel pole. Kuid tulemus on see, et paljusid kvarke pole võimalik omavahel kombineerida.

Näib, okei - ei, ei, proovime uurida, mis seal on. Hakkame osakesi uurima ja äkki näeme, et tegelikult on prootoni raskeid analooge. Seal on prooton, ja on ka teisi osakesi – ma olen siin loetlenud neist mitu, mis on eksperimentaalselt avastatud, katseliselt uuritud – need kõik on prootoniga väga sarnased. Neid on kümmekond; võib-olla peaaegu kaks tosinat on nüüd avatud. Ja mis kõige huvitavam, neil on suur mass. See tähendab, et seal on mitu erineva massiga osakest - see aina suureneb ja suureneb...

Teadlasi hakkas huvitama – kuidas see võimalik on? Millest need osakesed siis koosnevad? Tegime katseid ja leidsime, et need kõik koosnevad samast kolmest kvargist. Ja seal on kolm kvarki ja seal on kolm kvarki. Need kvargid on kõik ühesugused. Tegelikult ma ei öelnud - kvarkidel on oma nimed, mitu erinevat sorti, kuid see kõik on zooloogia - see on kvarkide klassifikatsioon, mis nende kohta palju ei ütle. See on see, mis on tõeliselt huvitav – see on nende elu: kuidas nad on üksteisega seotud, suhtlevad – seda ma räägin. Võite kuskilt klassifikatsiooni lugeda, see pole nii oluline.

Mis siis saab? Selgub, et neis osakestes on ka kolm kvarki, kuid erinevus seisneb selles, et nemad nad istuvad erinevalt. Need asuvad üksteise suhtes keerulisel kujul ja liiguvad veidi erinevalt. Kui järele mõelda, siis see on ka väga ebatavaline asi, sest no vaata, tavalises igapäevaelus on nii, et kui võtta ja ümber paigutada näiteks Rubiku kuubiku osad, siis sellest ei saa midagi uut. - mis tahes raskem ese. Ja siin selgub täpselt nii: kui kvarke kuidagi ümber korraldada, siis selle tulemusena gluoonipilv paisub ja kuna see ka kaalub, osutub mass suuremaks. See tähendab, et kombineerimise põhimõtet on täielikult rikutud, kuid sellegipoolest on prootonite raskemaid analooge.

Ma isegi ei tea, millist eeskuju tavaelust tuua, et sa tunneksid, kui palju see on... ( Publikult: “Veekeetja”.) Hmm.... Noh, olgu, las ma räägin teile, mille poolest erineb gluoonipilv näiteks veest või millestki muust. Näete, selles gluoonpilves pole kindlat arvu osakesi, pole "pilveaine" jäävuse seadust. Kui võtate sellest pilvest tüki ja tõmbate selle välja - seda saab teha ka katseliselt -, siis pole seda üldse. Kui võtta ja välja tõmmata pool pilve, kasvab see sinna uuesti, sest kvargid ei saa ilma selleta elada - kvargid levitavad neid jõude erinevatesse suundadesse ja need jõud siis materialiseeruvad. Väga oluline on tunda, et see pole lihtsalt mingi mateeriapilv, vaid isetervenev struktuur, mis kaalub, toimib iseendale.

küsimus:Kuidas see taastatakse?

Seda saab kirjeldada umbes nii. Lubage mul seda kahe minuti pärast öelda. On jõude, mida te teate – elektromagnetilised jõud. Need on elektrilaengute vahelised tõmbejõud. Ja teatud mõttes võib neid käsitleda kui osakeste vahetust – neid osakesi nimetatakse "footoniteks". Kõige tähtsam on see, et footonid ei suhtleks üksteisega. Kui näiteks kuskil on hulk footoneid ja lisate sinna veelgi rohkem footoneid, siis see ei mõjuta neid eelmisi footoneid üldse. Seda nimetatakse näiteks elektrostaatikas "superpositsiooniprintsiibiks". Elektri- ja magnetväljad lihtsalt liidetakse kokku ja kõik. Kuid see ei tööta gluooniväljadega. Kui suurendate gluoonide kontsentratsiooni, kipuvad nad tootma veelgi rohkem gluoone. Iga gluoon võib tekitada rohkem gluoone, nad võivad rekombineeruda ja põrkuda. Selle tulemusena, kui pilves on liiga vähe gluuone (näiteks võtke pilv ja eemaldage pool pilvest), siis ülejäänud gluoonid eraldavad uusi ja settivad prootoni ümber, nii et kõik on stabiilne, paigal. See on vara, mida inimesed varem üldse ei teadnud.

Nii et siin see on. Siin ei tööta ei kombineerimise põhimõte ega isegi normaalne seisukoht, kust mass tuleb. Tavaliselt koosneb mass mõne tellise massist. Kui meil on kolm tellist, siis on kolmest tellisest koosneva hunniku kogumass võrdne kolmekordse ühe tellise massiga. Tuumafüüsikas on prootonite ja neutronite kombineerimisel ka tuuma mass ligikaudu proportsionaalne nukleonite arvuga, ainult seal on väike sidumisenergia. Ja kõik prootonite sees absoluutselt muud.

Tegelikult tegid füüsikud matemaatikat – kontrollisid teoreetilisi arvutusi eksperimentaalsete andmetega – ja arvutasid välja seal asuvate kvarkide, nende väikeste kompaktsete objektide massi. Ja selgus, et nende mass on umbes 2% - ainult! - kujutate ette kogu prootoni massist? Kujutage vaid ette: siin on inimene, tema mass on 60 kg ja ainult 1 kg temas on tegelik aine: kõikvõimalikud elektronid, kvargid - see tähendab, mida me tegelikult nimetame mateeriaks. Ja ülejäänud 59 on gluoonpilved, mis istuvad korralikult igas prootonis ja neutronis ning kaaluvad, kaaluvad ja tõmbavad maa poole ning annavad kehale inertsi. Seda on lihtsalt huvitav ette kujutada.

Tahtsin nende osakeste kohta öelda ka järgmist. Siin selgub, et kvarkide erinev paigutus üksteise suhtes näib tekitavat lisamassi ja degenereerivat osakest uuel viisil. Selle põhjal, mis mulle pähe tuleb, võin soovitada teil mõelda neist kui transformeerivatest robotitest – teate, neid on koomiksites. Nii nad korraldasid ümber, väänasid kuidagi ja sellest tuli midagi täiesti uut ja see tundus veelgi parem. Siin juhtub midagi sarnast, ainult et see pole mingi väljamõeldud transformeeriv robot, vaid see on midagi, mis meie maailmas, igaühes meist, tõesti eksisteerib. Kõik see realiseerub igas molekulis ja aatomis. Selgub – ja see on oluline väide –, et praktiliselt kogu mass – vähemalt 90 paaritu protsenti – igas prootonis ja tegelikult ka kehas üldiselt koosneb gluoonipilvest. Gluoonipilv annab inertsi.

Füüsikud ise olid sellest kõigest pisut üllatunud ja hämmeldunud, kui nad selle avastasid. Pean ütlema, et see ei olnud nii järsku lahti - see sai järk-järgult selgemaks, tehti erinevaid katseid, arvulisi arvutusi, oli mõned lihtsad mudelid. Alguses olid nad üksteisega veidi eriarvamusel, siis hakkasid järk-järgult sildu ehitama ja see kõik jõudis järk-järgult arusaamisele. Ja füüsikud mõtlesid: kuna selline pilt on olemas, siis äkki peaks seda katseliselt katsetama? See on gluoonipilv, sest kvargid on, noh, see on arusaadav, mingisugused osakesed. Gluoonipilv on aga midagi uut. Ja nii nad mõtlesid: kuidas saab neid gluoonipilve omadusi uurida?

Üldiselt, nagu ma juba ütlesin, uuritakse neid nii: nad võtavad osakesi ja põrkuvad nendega kokku, selle käigus lendavad nad laiali, võib sündida midagi uut, on detektorid, mis kõik kinni püüavad ja taastavad. Niisiis, see meetod töötab suurepäraselt, kui soovite näiteks teada saada, milline energia nendes kvarkides on. See on kvarkides, kuna need kannavad suuremat osa energiast. Kuid kahjuks ei aita see pilve struktuuri selgeks saada. Lõppude lõpuks pole see lihtsalt mingi gluoonide tihedus - see on uus struktuur, mis näib olevat kondenseerunud ja tekkinud iseenesest. Kordan veel kord – see on väga huvitav objekt. Seda pilve tuleb mingil muul moel uurida.

Ja nii leidsid füüsikud välja viisi: me peame ka osakesi kokku põrgatama, ka suurel kiirusel, suure energiaga, kuid me peame pöörama tähelepanu mitte laupkokkupõrgetele, kui palju asju sünnib, vaid kokkupõrgetele. kui nad üksteist kergelt puudutavad - niimoodi Siin nad mööduvad, lendavad mööda ja kriibivad üksteist kergelt. Siis need kvargid, kes siin lendavad, seda kokkupõrget ei tunne – mõelge vaid, nad lendasid mööda ja lendasid mööda. Aga siin on pilved, mis üksteist kergelt puudutavad – nendega juhtub sel hetkel midagi keerulist. Neid võib ette kujutada vahutükina. Siin lendavad kaks vahutükki ja sel hetkel, kui need üksteist puudutavad, libiseb nende vahele vahutükk.

Seda objekti, mis siit läbi lipsab, nimetatakse "pomeroniks". See on väga keeruline objekt ja füüsikud uurivad seda praegu. See tähendab sõna otseses mõttes, kui lähete nüüd konverentsile, on tõenäoliselt pooled ettekannetest Pomeroni eksperimentaalse või teoreetilise uuringu kohta. Tahan veel kord rõhutada, et see objekt ei ole lihtsalt mingisugune võetud ja vahetatud osake, näiteks footon. See on väga keeruline objekt: see tekib dünaamiliselt ja ei näe välja nagu lihtsalt osake.

Kümmekond aastat tagasi – nüüdseks on nad maha rahunenud – vaidlesid inimesed konverentsidel sõna otseses mõttes omavahel, sest neil kõigil olid erinevad Pomeronide mudelid. On lihtsaid mudeleid, on keerulisi mudeleid ja millegipärast ei olnud need omavahel nõus. No tegelikult olid mõned mudelid ikka päris kohmakad. Aga sellegipoolest. See oli periood, mil inimesed ei teadnud üldse, mis on pomeron. Ja nad proovisid seda asja mõista erinevatel viisidel. Rünnakuni asi ei jõudnud, aga vähemalt tülitsesid inimesed omavahel. Nüüd nad ka vannuvad, kuid erinevatel põhjustel - nad ei vannu enam Pomeroni pärast, ilmselt seetõttu, et said aru, et see on juba kasutu. Eksperimente tehakse, eriti viimase 10 aasta jooksul. Hamburgis tehti eksperiment, mis uuris väga hästi pomeroni omadusi ja nüüd saame sellest vähemalt natuke aru.

Niisiis, pomeron on objekt, mis ilmub siis, kui proovime prootonist välja tõmmata tükikese gluoonipilve. See objekt peab kuhugi minema. Näiteks võib ta hüpata ühelt osakeselt teisele. Ülehüppamise käigus eksisteerib see omaette. Näete: ta pole seal haakunud ühegi kvarki külge, vaid näib olevat ruumis lokaliseeritud, justkui elaks ta ise. Ja on isegi ettepanekuid, et ta võiks eraldi elada. Kui tabate prootonit, võib pomeron teatud tingimustel välja murda, minema lennata ja seal mõnda aega iseseisvalt elada, ilma kvarkideta. Seda on tegelikult huvitav ette kujutada.

See tähendab, et see, mis varem oli lihtsalt jõud, on nüüd materialiseerunud ja isegi oma algkvarkidest lahku löönud ning istub kosmoses. Inimesed on otsinud selliseid objekte pikka aega, kuid kahjuks pole nad neid leidnud. Neid nimetatakse "liimipallideks" - sõnadest "liim" ja "pall", see tähendab "liimitükk". "Gluons" tuleneb sõnast "liim", mis näib liimivat need kvargid kokku. See tähendab, et põhimõtteliselt on võimalik, et see gluoonivälja tükk eksisteerib eraldi, kuid kahjuks pole seda veel eksperimentaalselt leitud. Võib-olla pole see nii või võib-olla on - see pole selge, me peame seda uurima.

Noh, füüsikud tulid selle kõigega loomulikult välja - eriti teoreetikud - ja nad ütlevad: see on suurepärane, nüüd saate sel viisil pomeroni uurida. Kuid tegelikult on see eksperimenteerijatele väga raske. Sest kui kaks prootonit teineteise vastu kergelt pintseldades mööda lendavad, ei toimu nende vahel tugevat kokkupõrget. Prooton kaldub veidi kõrvale – alla kraadi.

küsimus:Kui kaks prootonit läbivad, kvargid - neil on ka mass, eks? - kas nad suhtlevad ka omavahel?

Jah, lubage mul seda uuesti korrata. Kui purustate prootoneid üksteise vastu, ei saa te tegelikult isegi kontrollida, kuidas nad põrkuvad – kui nad põrkuvad, põrkuvad kokku. See tähendab, et teiega võib kõike juhtuda. Selle tulemuseks võib olla vägivaldne laupkokkupõrge, kus üks kvark põrkab kokku teisega; nad lendavad laiali ja juhtub midagi kujuteldamatut. Kokkupõrkeid esineb siis, kui kaks kvarki ühest prootonist ja kaks kvarki teisest prootonist üksteisest sõltumatult põrkuvad – ka see võib juhtuda. Ja see tavaliselt juhtub - seda nimetatakse "kõvadeks kokkupõrgeteks", kui hunnik asju sünnib suure energiaga. Kuid nendes kokkupõrgetes ei saa te pomeroni uurida - seda pilvetükki on raske uurida. Sellepärast teevad füüsikud seda: nad suruvad kõik kokku. Sellel põrkajal põrkuvad prootonid mitu aastat 40 miljonit korda sekundis. Nad koguvad kokku kõik need kokkupõrked ja siis otsivad sealt välja need, mis on näiteks seda või muud tüüpi.

See tähendab, et kvargid suhtlevad omavahel – kõik toimib. See loob kõikvõimaliku mitmekesisuse, kuid kui füüsikud püüavad seda välja mõelda, tõmbavad nad välja täpselt selle, mida nad vajavad.

küsimus:Kuidas nad üldse nägid kõiki neid kvarke, gluoonpilvi ja nii edasi? Kas see on eksperimentaalselt tõestatud?

Jah. Selline eksperiment on Rutherfordi poolt 1905. aastal. Siis avastati aatomid, kuid nad ei teadnud veel nende struktuuri – nad lihtsalt teadsid, et elektronid on mingil kujul olemas. Niisiis, ta tegi selle katse.

Ta võttis mõned osakesed – alfaosakesed – ja käivitas need aatomi poole. Tal oli nii õhuke kuldfoolium, ta lasi osakesi otse sellele fooliumile ja vaatas, millise nurga all need kõrvale kaldusid. Niisiis, me usume klassikalist füüsikat ja siis oli klassikaline füüsika; See klassikaline füüsika ennustab seadust, mille järgi osakesed üksteisest mööda lennates elektrilise külgetõmbe või tõrjumise tõttu kõrvale kalduvad. See seadus ennustab selgelt, milline saab olema hajumise muster (seda nimetatakse hajumiseks – kui osakesed kalduvad erinevatesse suundadesse) sõltuvalt aatomi konkreetsest mudelist, sõltuvalt konkreetsest seadmest. Näiteks kui aatom on "lahti", lendavad nad peamiselt edasi ja kalduvad väikese nurga all kõrvale. Kui, nagu selgub, on aatomi keskel väga väike ja kompaktne tuum, siis on pilt täiesti erinev. See tähendab, et katsetajad näevad seda, et nad näevad, millise nurga all osakesed hajuvad, ja pärast seda, kasutades klassikalise elektrodünaamika seadusi, taastavad selle aatomi struktuuri.

Eksperimentaalsest vaatenurgast on prooton peaaegu sama. Ainuke asi on see, et loomulikult on valemid keerulisemad. Kuid parim viis konkreetselt kvarke näha on nii: kui põrkate kokku kaks prootonit, saate sõltuvalt energiast erinevaid pilte. Kui prootonite energia on väike, lendavad prootonid lihtsalt lahku ja see on kõik. Kui energiat on natuke rohkem – ütleme, kui kiirus on valguse kiirusele lähedane, aga mitte väga lähedane –, siis on tulemuseks see, et saad luua osakeste paari. Seda kõike on uuritud, kuid selle meetodi abil on prootoni struktuuri raske kindlaks teha. Saate määrata selle omadused ja kuidas need üksteisega suhtlevad. Väikese struktuuri nägemiseks tuleb osakesi üha enam kiirendada, lihtsalt seetõttu, et nagu mikroskoobis, tulevad nähtavale järjest väiksemad vahemaad.

Kui põrkate omavahel kokku osakesi – noh, prootoneid – energiaga, mis on 50–100 korda suurem nende puhkeenergiast, selgub, et need kvargid võivad kokku põrgata ja järsult lahku lennata. Kui nad lahku lendavad, on tulemuseks reaktiivlennuk. See joa on osakeste voog, mis läheb ligikaudu algsete kvarkide suunas. See tähendab, et kvargid lendavad, koputavad, hajuvad ja eksperimendi tulemusena näeme selles suunas osakeste voolu, selles suunas osakeste voolu. Me ei saa seda kirjeldada muul viisil kui oletades, et seal on kompaktne väike objekt, mis tuli väga lähedale ja lükati väga tugevalt eemale. See tähendab, et võib-olla saavad mõned inimesed kogu füüsika täielikult ümber kirjutada, kuid kahjuks pole sellist teist teooriat veel olemas.

Kuid kvarkide olemasolu prootonis saab määrata ka mitmel muul viisil. Näiteks kui prooton on liikumatu, siis on sellel staatilised omadused, see tähendab liikumatu prootoni omadused - noh, mass, see on arusaadav; sellel võib olla spin, spin on kvantasi; sellel on magnetmoment. Sellel on mitmeid omadusi, mida saab katseliselt suure täpsusega mõõta mitte ainult prootonites, vaid ka teistes seda tüüpi osakestes. Selgub, et kui rakendada seda lihtsat kvargimudelit statsionaarsele prootonile, tundub tulemus olevat väga sarnane sellega, mida me tegelikkuses jälgime.

Noh, on ka kolmandat ja neljandat tüüpi katseid ja nii edasi...

Tegelikult need kvargid – siin on muidugi kõik peen, sest statsionaarses prootonis olevad kvargid on samad kvargid ja kiiresti liikuvas prootonis olevad kvargid on täiesti erinevad objektid. See kõik on väga raske, kuid ärge pöörake sellele tähelepanu. Uskuge vaid, et tegelikult tekib erinevatest katsetest pilt, et on olemas kompaktsed osakesed, mida ühendavad erinevad jõud. Ja kõik see on sukeldatud gluoonipilve. Mingi teine ​​pilt, mis sama hästi kirjeldab katseandmeid, mida on kahjuks palju. Kahjuks – sest huvitav oleks, kui tekiks hoopis teistsugune pilt, mis seda asja sama hästi kirjeldaks.

küsimus:Prooton on kaugelt nähtav magnetmomendi ja elektrilaenguna. Kui väga lähedale jõuda, siis võib-olla on neil kvarkidel, mis seda moodustavad, ka oma magnetmomendid? Kaugelt näeb see struktuur välja nagu baklažaan, kuid lähemalt vaadates tundub, et need on nõeltega kaetud nagu kaktus.

See on tegelikult minu öeldu kordus. Seal on prooton, mida me varem nägime prootonina, mingi osakesena tuumas ja siis, kui tegime katseid ja vaatasime sisse, nägime mingit peent struktuuri. Järgmine küsimus on: kas kvarkil on peen struktuur? Seni kõrgeimate energiatega tehtud katsed näitavad, et see struktuur pole nähtav. Võib-olla on see olemas, kuid seda pole veel näha. Noh, teoreetikud on muidugi väga loomingulised, nad on juba hulga mudeleid välja mõelnud.

Hiljuti nägin ühte artiklit - seal tuleb selline osake, Higgsi boson, huvitav osake, kõik räägivad sellest - nii et tavaline teadusartikkel, aga see pole päris tavaline: seal pole midagi erilist. See on artikkel, mis lihtsalt loetleb 200 viidet erinevatele uurimisrühmadele, kes ennustasid sellist massi, sellist massi, sellist... Tulemus on see, et ükskõik kumb avastatakse, midagi juba tuleb. See tähendab, et teoreetikud pakuvad välja sadu erineva õigsusastmega mudeleid. Lõplik vastus peitub muidugi katses.

Ise esilekerkivad nähtused

“Isetekkivad nähtused on nähtused, mis ei olnud algselt omased, vaid tekkisid iseenesest. Leitud kõikjal füüsikas. Õudselt huvitav nähtus!”

Olen selle osa lõpetanud, aga nüüd tahan teha väikese pausi, väikese kõrvalepõike. Mulle tundub, et praegu on kasulik laias kontekstis rääkida nähtusest, mis tekib justkui millestki massist. Sest see on üsna lihtne asi, kuid füüsikas väga oluline. Minu arvates on see teoreetilise füüsika üks peamisi avastusi. Avastus on see, et on nähtusi, mis võivad tekkida omapead, neid pole vaja esialgu panna mõnesse detaili, tellistesse ja valemitesse. Nad ise ilmuvad täpselt sellisel kujul, nagu me neid looduses näeme. See on kõige hämmastavam asi. See, mida ma teile varem rääkisin, on tegelikult mass (näiteks prootoni), mis oli 90% spontaanselt, tema enda poolt. Seda tüüpi isetekkivaid nähtusi leidub füüsikas kõikjal.

Võtame näite hoopis teisest piirkonnast. On selline nähtus – ülijuhtivus. Võib-olla tead isegi. Ülijuhtivus on siis, kui keha kaotab täielikult elektritakistuse ja vool saab sellest läbi voolata ilma igasuguse takistuseta. Kui ülijuht on ringis suletud ja läbi selle lastakse vool, ilma igasuguse pingeta, siis see pöörleb tunde, päevi, aastaid – selliseid katseid on tehtud. See ei tuhmu, see pöörleb, see pöörleb... Seda nimetatakse ülijuhtivuseks. See nähtus on muidugi tähelepanuväärne ja füüsikud on püüdnud välja mõelda, kuidas see tekib.

Kui läheneda looduse mõistmisele täiesti naiivselt, võib öelda: kuna see nähtus on sellises aines olemas, jagagem see aatomiteks ja süvenegem igasse aatomisse või igasse molekuli, proovige leida päritolu - midagi, mis annab sellele ülijuhtivuse. Muidugi saate seda teha: lõigata see aatomiteks, pihustada, uurida üksikuid aatomeid – teoreetiliselt, eksperimentaalselt, mida iganes soovite. Ja te ei näe seal midagi! Ülijuhtivusele ei jää vähimatki vihjet, sest ülijuhtivus ei tea aatomitest midagi – peaaegu mitte midagi – ja aatomid ei tea ülijuhtivuse kohta midagi – peaaegu mitte midagi.

Kui võtta üks aatom, siis selles ülijuhtivust ei ole, seal on lihtsalt aatom ja see on kõik. Kui on kaks, kolm aatomit - sama asi. Noh, see osutub mingiks väikeseks molekuliks. Kui võtta palju aatomeid, siis äkki ilmub see. Noh, muidugi, mitte äkki, mitte järsult – see ilmub sujuvalt, see on nagu pungast tõusev lill, kui võtta palju-palju aatomeid. Kuid sellised nähtused tekivad iseenesest, lihtsalt osakeste vastasmõju tõttu. Neid ei pidanud esmalt laduma.

Ma räägin sulle ühe loo. Lapsena – mul polnud siis veel arvutimänge – meeldis mulle fantaseerida. Mõtlesin enda jaoks välja igasuguseid virtuaalmaailmu ja kuna arvuteid polnud, siis joonistasin need. Mõtlesin välja planeedi ja otsustasin: olgu sellel loomad, ja joonistasin selle planeedi zooloogia. Siis tulin veel ühele mõttele: olgu sellel oma keemia. See on muidugi rumalus, sest me mõistame, et keemia kogu universumis on sama ja keemilised elemendid on kõikjal ühesugused. Kuid ma tahtsin olla loominguline ja joonistasin Ivanovi nimelise perioodilise elementide süsteemi ja asustasin selle lihtsalt uute elementidega. Vaatasin ümbritsevat maailma ja mõtlesin: mida ma võiksin välja mõelda? Otsustasin, et näiteks sellise ja sellise seeria elemendid on magnetilised. See tähendab, et ma otsustasin, et aatomi sees on selline väike magnet, spetsiaalne, mis viib magnetismi, kui sellest elemendist luuakse aine.

See on ka väga naiivne vaade asjadele, sest juhindub sellest, et kui on magnetism (täpsemalt füüsikas nimetatakse seda “ferromagnetismiks” – et magnet tõmbab metallasju), siis peaks see jääma ka siis, kui me lõigake see üksikuteks aatomiteks. See tähendab, et kui me võtame sõna otseses mõttes üksikud aatomid, siis raud, mis, nagu me teame, on ferromagnetiline, peab teistest kuidagi erinema, kuna sellel on nii tugev magnetism.

Tegelikult on magnetismi – ferromagnetismi – juba ammu uuritud ja selgub, et ferromagnetism rauas tekib just interaktsiooni tõttu. Rauaaatomites – täpsemalt aatomites – pole midagi erilist ega spetsiifilist. Kõik see tekib pärast seda, kui paned palju neid aatomeid ja võtad arvesse, kuidas nad üksteisega suhtlevad – siin tuleb trikk sisse – ja võtad suure mahu ning siis raua ja ülejäänud elementide erinevus järk-järgult väheneb. ilmuvad. Muidugi on ka teisi aineid, mis on magnetilised, kuid raud on kõige kuulsam.

Tahan ka öelda, et see asi ei teki ainult füüsikas ja selle erinevates valdkondades. Matemaatikas on iseeneslikud nähtused, majanduses on iseeneslikud nähtused, isegi bioloogias on need olemas. Soovi korral saab paljut tõlgendada isetekitava nähtusena – nähtusena, mis tekib interaktsiooni tõttu.

Tegelikult on see jube huvitav, sest nii töötab teoreetiline füüsik sellega tegelikult? Kui ta soovib objekti uurida, siis ta teab sellest midagi – näiteks ainet uurides teab ta, et aine koosneb aatomitest. Ta kirjutab võrrandid: on aatomid ja nendevahelised vastasmõjujõud – see on nagu algandmed. See on väga lihtne ja te ei näe neis midagi. Siis aga püüab ta neid võrrandeid lahendada. Nii nagu kooliski, on neid võrrandeid väga raske lahendada, kuna need on omavahel väga segaduses. Kuid sellegipoolest püüame seda lahendada. Ja kui me hakkame neid lahendama, ilmuvad mingid valemid ja sealt see kõik äkki ilmubki. Ja see on väga põnev vaatepilt, sest te ei pannud alguses midagi maha, kuid valemitest sünnib äkki mingi nähtus, mida meie maailmas näete. See on väga muljetavaldav, kui näete seda kõike päriselt.

Higgsi väli

"Veel üks massiallikas: kogu universum on täidetud nähtamatu Higgsi väljaga. Osakesed "kleepuvad" selle külge ja muutuvad massiivseks. LHC põrkur uurib, kuidas see väli täpselt tekib.

Massiallikas, millest ma rääkisin – prootoni mass – on tegelikult vaid üks võimalikest. Tegelikult tegutsevad looduses vähemalt kaks - võib-olla on neid rohkem, me ei tea. Teine massiallikas annab massi kergetele osakestele nagu elektronid, kvargid jne. Ja see on täiesti erinev mehhanism ja ka seda kirjeldav teooria on täiesti erinev. Seda teooriat ei ole veel täielikult testitud, kuid paljud selle ennustused on juba tõeks saanud ja seda uuritakse väga aktiivselt sellel suurel, tohutul põrkajal, sellel suurel eksperimendil.

Lühidalt öeldes on teooria selline. Tegelikult on seal palju detaile, rangelt matemaatilisi teoreeme, kuid põhiväide on järgmine. Algselt olid kõik osakesed – kvargid, elektronid ja nii edasi – absoluutselt massita. See tähendab, et näiteks lendab elektronparv, sellele mõjus väike jõud ja see lendas kuhugi kõrvale. See tähendab, et need on osakesed, millel praktiliselt puudub inerts, nad lendavad väikeste jõudude mõjul kergesti kuhugi kõrvale. Siis on mingi mehhanismi tõttu mingid tunnused – seda kõike ka uuritakse – kogu Universum on täidetud mingi nähtamatu Higgsi väljaga. “Higgs” - selle asja leiutanud inglise teadlase Peter Higgsi nimest, inglise teadlane, see kõik on nimetatud tema järgi.

See väli täidab ühtlaselt kogu Universumi, see pole nähtav, sest kõik osakesed liiguvad sellest läbi. Aga kui nad sellest läbi liiguvad, jäävad nad sellest veidi maha klammerduma. Seda on raske ette kujutada, aga uskuge mind, teatud mõttes nad klammerduvad selle külge. See tähendab, et väli takistab osakeste liiga kiiret kiirendamist. Osakesed lendasid mööda, mingi jõud mõjus neile, nad püüdsid minema lennata, kuid väli takistas neid. Selle tulemusena lendavad nad muidugi minema, kuid kuidagi vastumeelselt, nagu oleks neil lisainerts, nagu nad lihtsalt ei tahaks liikuda. Selle tulemusena näib valemites, et neil on mass. See on täiesti erinevat tüüpi massiilme. Siin puudub algenergia, mis näib olevat kondenseerunud. Lihtsalt toimub liikumine läbi mingi meediumi, mida me ei näe, aga sellel meediumil on mõju, nimelt annab see neile osakestele massi.

Selles mehhanismis on palju detaile, ma ei räägi neile, aga ma tahan, et te tunneksite seda mehhanismi. Selleks ütlen teile analoogia, mida saate isegi kodus läbi viia, lihtsalt tõeline eksperiment. Võtke tükk vahtu ja murendage see. Kui see mureneb väikesteks tükkideks, saate väikesed vahupallid. See on väga kerge. Saate need laual murendada ja peale puhuda - need lendavad laiali. See on analoogia massitute osakeste jaoks - see tähendab osakeste jaoks, millel on väga väike inerts.

Nüüd vala ettevaatlikult lauale vesi ja murenda peale vaht. Oodake, kuni see veidi märjaks saab, ja puhuge sellele uuesti kergelt. Näete, et pallid hõljuvad minema, kuid kuidagi vastumeelselt. Kui me poleks seda vett näinud, siis meile tunduks, et neil on mingi imelik inerts, mida varem polnud. See inerts tekib seetõttu, et nad peavad liikudes keskkonnast läbi suruma. Sel juhul - läbi vee, aga tegelikkuses - läbi Higgsi välja.

küsimus:Kust Higgsi väli üldse pärineb?

See on tegelikult keeruline asi, kust see tuleb. Mikromaailma mudeleid konstrueerides tutvustate asju, mis pole veel selged – kas need on pärit kuskilt või mitte. See võib hiljem selguda. Näiteks võib selguda, et see on tõepoolest paratamatult võetud mõnest sügavamast teooriast. Füüsika ajaloos oli omal ajal näiteid, kui midagi postuleeriti, ja siis tuletati see sügavama teooria põhjal välja. Mis Higgsi väljast saab, pole veel selge. Rõhutan, et see pole veel tõestatud. See tähendab, et see teooria, mida juba peetakse üldtunnustatud, näib töötavat kaudsete tõendite põhjal, kuid selle lõplikuks tõestamiseks on vaja läbi viia eksperiment Suures hadronite põrgatis ja leida see osake - Higgsi boson, osake, mille eest inimesed tahavad Nobeli preemiat saada (ja suure tõenäosusega ka saavad).

küsimus:Selgub, et osakesed ei kaota Higgsi välja läbides energiat?

Oluline on mõista erinevust Higgsi välja ja minu vee analoogia vahel: Higgsi väli segab kiirendada ja vesi takistab liikumist. Saate ohutult lennata läbi Higgsi välja püsiva kiirusega ja see ei sega; see ei lase sul kiirendada. Tõepoolest, tavaelust on näiteid, kui tekib mingi jõud, mis kiirendamist takistab.

Erinevad osakesed klammerduvad selle Higgsi välja külge erineval viisil: mõni tugevam, mõni nõrgem. Mõned osakesed ei kleepu üldse. Näiteks elektromagnetlained ja valgus ei interakteeru, mistõttu neid toodetakse ilma massita. Need osakesed, mis kleepuvad väga tihedalt, muutuvad väga massiivseks.

küsimus:Täpsustaksin: kas Higgsi väli on ainus, mis annab osakestele massiivsuse ja inertsi või on sellel muid põhjuseid?

Olen juba öelnud, et see on teine ​​mehhanism, kuid oli ka esimene, mille järgi prootonid muutusid massiliseks. Asjaolu, et prootonid muutusid massiliseks, ei ole Higgsi väljaga kuidagi seotud. Võib ette kujutada maailma, milles poleks üldse Higgsi välja. Siis oleksid elektronid massita, kvargid massita ja prootonid sama massiivsed, kui nad meie maailmas kaaluvad, sest see on täiesti erinev mehhanism.

Esimest mehhanismi kirjeldab gluoonpilve kondenseerumine. Üsna keeruline matemaatiliselt, kuid sisu on umbes selline. Siin kirjeldatakse seda kui mingit põldu, millest tuleb läbi kahlata. On ka teisi mehhanisme - tõenäoliselt on, kuid ma ei räägi neist.

küsimus:Selgub, et massi tekkeks on kaks mehhanismi. Kas Higgsi väli mõjutab gluoonipilve?

Higgsi väli ei toimi otseselt gluoonidele. Seda tuleb aga ettevaatlikult öelda, sest see ei mõju gluoonidele kui osakestele, küll aga kondensaadile. See pole lihtne. Seal on palju peensusi, kuid lihtsalt öeldes ei mõjuta see otseselt gluoonivälja. Ja ometi on see virtuaalsete muudatuste tõttu sellega seotud.

küsimus:Arvan, et valguse kiirust saab seletada Higgsi välja kaudu. Kuna Higgsi väli annab kehale massi, siis selgub, et selle energia jagatud valguse kiirusega on mass? Higgsi väljal peab olema mingisugune mõju valgusele, muidu poleks sellel energiat.

Need asjad pole omavahel seotud. Füüsika ajaloost on selline termin – eeter. "Hendav eeter" See on teatud postuleeritud meedium, mille vibratsiooniks on elektromagnetlained. Nii arvasid nad rohkem kui sada aastat tagasi. Tegelikult arvatakse nüüd, et see eeter on täiesti ebavajalik, kaasaegne elektromagnetiliste nähtuste teooria saab ilma selleta hakkama.

Higgsi väli võib tunduda pisut eetri moodi, kuna see läbib ka kogu universumit. Tegelikult pole sellel eetri jaoks vajalikke omadusi. Näiteks ei avalda see üldse mingit mõju footonitele. Footonid lihtsalt tulevad ja lähevad ega hooli. Ja seda saab kergesti mõista, noh, tegelikult ei saa aru - see on lihtsalt eksperimentaalne fakt. Asjaolu, et näeme väga kaugeid kvasareid, mille valgusel kulus meieni jõudmiseks 10 miljardit aastat, tähendab, et selle aja jooksul ei juhtunud footonitega midagi. Muidu jagataks neid kuidagi laiali, määritaks, aga me näeme nendest kvasaritest selget pilti. Ja kogu selle aja jooksul käib valgus tegelikult läbi Higgsi välja. Noh, kui see teooria muidugi vastab tõele - ja see on 99% tõsi.

See tähendab, et tegelikult on need kaks erinevat nähtust – elektromagnetlained ja Higgsi väli –, mis ei ole omavahel seotud.

LHC Collider disain

Nüüd mõned pildid.

Põrkur on põrkuvate osakeste kiirendaja. Seal kiirendavad osakesed mööda kahte rõngast ja põrkuvad üksteisega kokku. Tegemist on maailma suurima eksperimentaalinstallatsiooniga, sest selle rõnga – tunneli – pikkus on 27 km. See tähendab, et tal on vaja veel mägedesse mahtuda. See asub Šveitsi ja Prantsusmaa piiril, sealt algavad Alpid, sellest kohast on näha Mont Blanc ja teisel pool on teised mäed, seega tuleb ikka hoolikalt nendesse tektoonilistesse kihtidesse mahtuda, et kõik oleks hästi. Tegelikult pole see pilt mõõtkavas, sest läbimõõt on peaaegu 9 km ja sügavus on seal 100 m. Sellegipoolest annab see üldpildi.

Seal on rõngas, mida mööda osakesed lendavad. Neid kiirendatakse, kiirendatakse - seal on spetsiaalsed kiirenduslõigud. Nad kiirendatakse kohutavate energiateni ja seejärel põrkuvad. Need surutakse kokku teatud kohtades, mille ümber on tundlikud andurid. Need on väga suured andurid, neid nimetatakse "detektoriteks", ma näitan neid hiljem.

LHC kiirendab need prootonid kohutavate energiateni. Kujutage vaid ette: osakesed lendavad läbi vaakumtoru, selle läbimõõt on sõna otseses mõttes paar sentimeetrit ja see ulatub piki perimeetrit eri suundades 27 km. Osakesed, mis seal lendavad – neid reguleerivad magnet- ja elektriväljad – on eraldi tükid, nagu nõelad. Nad on väga õhukesed, vähem kui juuksekarva paksused ja nende pikkus on mitu sentimeetrit või mitukümmend sentimeetrit. Nad lendavad nii kohutava kiirusega, et toodavad palju energiat. Kui võtta nende osakeste kogu energia, on see ligikaudu sama kui liikuva reaktiivlennuki energia. Tundub nagu mingi pisiasi: kui kõik need osakesed ja prootonid kokku koguda ja paigutada, siis ei näe te midagi, sest neid on väga vähe, jääb ainult üks nanogramm. Aga kui nad kiirendavad selliste energiateni, kui nad kuhugi tabavad, ei hävita nad lihtsalt kõike – nad rändavad palju kilomeetreid.

Selline näeb tunnel seest välja. Sees on mingi inimene – tööline või füüsik, ma ei tea. Tunnel pole muidugi eriti avar. Siin on vaakumtoru, mis on varustatud hulga seadmetega, sest esiteks tuleb tala jälgida ja juhtida. Siis juhtub see kõik väga madalatel temperatuuridel: seal on ainult 2 kraadi Kelvinit, sest heelium peab olema ülivedelas olekus. Tulemuseks on selline paks bandura, millesse kõik topitud. Ja see kõik ulatub 27 km pikkuseks. See pole lihtsalt mingi riistvara – see on üsna täpne tehnoloogia. Näiteks kui neid sektsioone võrreldakse üksteisega, joondatakse need kõrguselt mikroni täpsusega. See ei ole lihtsalt torutüki võtmine ja teise tüki külge kinnitamine. See installatsioon on väga pikk, nii et nagu näete, ei liigu inimesed jalgsi. Kujutage vaid ette, et eksperimentaalse seadistuse teise otsa jõudmiseks peate tegema üsna pika rattasõidu. Mõnikord sõidavad nad väikeste autodega, eriti kui mõni osa kohale tuuakse.

Siin on näiteks see, kuidas sektsioon ristlõikes välja näeb. See on vaid üks osadest, millel on oma spetsiifiline funktsioon. Siin ei saa isegi kohe aru, kust toru lendab, kust kiir lendab. Tegelikult on siin sellised väikesed kollased tutid (see on muidugi joonistatud, kõik on ebareaalne), need lendavad läbi nende torude. Aga siis on need torud juba varustatud magnetitega, isolatsiooniosadega jne. Nii et kõik on keeruline ja väga kallis.

Siin on detektori tüüpiline vaade. See on ATLAS-detektor, mis töötab LHC-s. Kas ta on sinu arvates suur või väike? See on suur, sest siinseid inimesi tõmbab mastaap. Kujutage ette, see on 4-5-korruselise hoone suurune. Kogu see bandura lastakse võlli sisse - mitte täielikult, vaid tükkidena - ja paigaldatakse sinna... Tegelikult on ATLAS juba praktiliselt paigaldatud ja see tõesti töötab. Tõsi, ta ei uuri nüüd mitte kiirte, vaid kosmiliste kiirte kokkupõrget. Siin saabuvad kiired kosmosest, need jätavad jälje ka detektorisse, see lihtsalt kontrollib neid – tõepoolest, kõik töötab nii nagu peab. Kõige tähtsam on see, et siia pole installitud ainult riistvara – see kõik on väga keerukas varustus. See on sõna otseses mõttes täis elektroonikat ja siin kasutatav aine on väga haruldane ja keeruline. Kui te ette kujutate, on see hämmastav, kui palju raha see kõik nõuab. Loomulikult ei loonud seda vaid üks rühm, mitu tuhat inimest töötas selle kallal mitu aastat.

küsimus:Mitu ATLAS-detektorit neisse põrkuritesse paigaldatakse?

ATLAS on õige nimi, nii seda konkreetset detektorit kutsuti. Mis puutub detektoritesse üldiselt, siis siin on näidatud: seal on kaks suurt detektorit, mis on mõeldud kõige jaoks maailmas - ATLAS ja CMS (need on sellised tohutud bandurad), pluss kaks väiksemat detektorit - ALICE ja LHCb. No ja veel mõned väga väikesed. See tähendab, et tegelikult töötab seal seitse katset, kuid selliseid suuri on kaks.

Ma räägin teile ühe minuti pärast, kuidas seda kõike tehakse. Tuled mõnda uurimisrühma – näiteks Lõuna-Itaaliasse. On füüsikaga tegelejaid, on väike grupp – kaks inimest pluss kolm tudengit, kes ka tegelikult ATLASe kallal töötavad. Kuidas nende konkreetne töö välja näeb? Neil on labor ja seal nad lõid, panid kokku, katsetasid, ühendasid mingi väikese jupi näiteks selle nurga jaoks. Nad uurivad seda hoolikalt – aasta, võib-olla kaks. Peate täielikult mõistma, kuidas see seade töötab, et hiljem, kui kõik on ühendatud, oleks kõik tipptasemel. Õpilased kaitsevad oma kursusetööd või diplomit jne.

Siis, kui kõik need asjad on läbi uuritud ja lõpetatud sõna otseses mõttes kümnetes, võib-olla isegi sadades laborites üle maailma, kogutakse need kõik ühte kohta kokku ja siis kogutakse kokku suured osad. Näiteks siin kesklinnas on väga oluline keskdetektor, see on kokku pandud ühte kohta. Mujal kogutakse nende jaoks tükke jne. Pärast seda, kui see kõik on kokku korjatud, tuuakse need kõik CERNi, kus see installatsioon asub, lastakse šahtidesse ja pannakse kohapeal kokku. Nii et see on väga vaevarikas töö.

Kas näete seda keskdetektorit, mis ma ütlesin, et see on väga oluline? Tundub väga väike, aga tegelikult on see inimese mõõtu. Siin on pilt. Siin istub mees ja paneb selle suure (selles skaalas) keskdetektori viimaseid osi kokku. See on keerulist elektroonikat täis täidetud silinder. Siin on tehtud väike laiendus, et näidata, kui palju juhtmeid sinna läheb. Ja iga juhtme ääres tuleb signaal, et selline ja selline osake lendas siia, jättis nii palju laengut jne. Kui kõike seda koos analüüsida – kümnetest, sadadest tuhandetest juhtmetest – annab see kõik kokku pildi juhtunust.

Ja siin on näide ainest, mis loodi spetsiaalselt osakeste füüsika katsete jaoks (mitte selles LHC katses, vaid varem). See on aerogeel, mida mõnikord nimetatakse "tahkeks suitsuks". See on väga kerge ja üsna habras aine, mis on ka vahtpolüstüreenist kergem. See on vaid mitu korda õhust raskem, kaalutu, läbipaistev. Selle eripära on see, et selle murdumisnäitaja on selline, mida looduses üheski aines ei esine – 1,05. Millegipärast seda looduses ei eksisteeri. Või nagu vesi - 1,3 või nagu gaasid - 1,00002. Kuid sellist ainet ei olnud olemas ja see tuli luua. Sest selle tüki abil on väga mugav mõõta osakese kiirust.

Kuid umbes selline see välja näeb – see on muidugi simulatsioon – meie püütava osakese (Higgsi bosoni) lagunemine. Ütlesin, et kokkupõrkeid tuleb ette väga sageli, saadakse miljardeid, triljoneid andmeid. Kui need arvutiga läbi käia, siis vahel tuleb selliseid sündmusi ette. Iga sellist pilti nimetatakse sündmuseks. No mida siin näha on? See on CMS-detektori simuleeritud otsavaade. Siin on näha, et on osakesi, mis niimoodi laiali lendasid, on osakesi, mis lendasid siiamaani ja vabastasid palju energiat, ja on neid, mis lendavad väikselt. Selline näeb välja Higgsi bosoni sünd ja lagunemine; Inimesed hakkavad selliseid sündmusi jahtima.

Sündmused ei ole alati nii lihtsad, mõnikord on need keerulised. Siin on näidatud veel üks kokkupõrge: mitte prooton prootonil, vaid kahe tuuma kokkupõrge ALICE detektoris (see on samuti simulatsioon). Kujutage ette: põrkasid kokku kaks pliituuma, need sisaldavad juba koos 400 osakest ja sündis veel hunnik ning need tuhanded osakesed hajuvad ühest punktist erinevatesse suundadesse. Detektor ei peaks lihtsalt vaatama ja ütlema: "Oh, nii palju osakesi!" Ta peab mõõtma kõiki neid trajektoore, loendama osakeste arvu, nende energiaid, kõik kokku võtma ja mõistma, kuidas need osakesed hajuvad. See tähendab, et esimesel hetkel, kui nad lihtsalt kokku põrkasid, kuidas see kõik liikuma hakkas. Kõik see on vajalik, mistõttu luuakse selline keeruline tehnoloogia.

Sina ja mina teame, et massi tekkeks on kaks mehhanismi, mille olemasolu kohta me teame kindlalt. Sellega aga lugu ei lõpe, sest võimalik, et massi genereerimiseks on ka teisi võimalusi. See, mida me näeme massiivse kehana, võib tegelikult saada oma massi väga erinevatest mehhanismidest.

See suur põrkur ei anna vastuseid ainult küsimustele, mis on füüsikuid pikki aastaid piinanud, sest teoreetikud ei tea enam, mida leiutada, sest loodus vajab neile vastamist liiga palju. See avab ka uue tee edasistele teooriatele. Füüsikud saavad aru, kuhu edasi liikuda ja mida edasi arendada.

Küsimused pärast loengut

küsimus: Seda öeldi Higgsi bosoni kohta. Higgsi väli... Kas... Higgsi bosonid on omavahel seotud – kas see... mille vastu huvi täpselt on...?

Tegelikult unustasin öelda. Niisiis, vaata. Higgsi boson on selle Higgsi välja võnkumine, see on täiesti uut tüüpi osake. Aga seda saab ka illustreerida – see analoogia veega. Pidage meeles, mida ma teile ütlesin: vaht lauale ja natuke vett. Sellele veele peale puhudes ei näe sa mitte ainult seda, et osakesed ise on kuskil hõljunud, vaid vahel, eriti veele tugevalt puhudes, näed veepinnal laineid, mis hajuvad. Niisiis on lained osakesi piirava keskkonna vibratsioon. Kas sa saad aru? Ja nende olemasolu on oluline tõend selle kohta, et mingi keskkond on tõesti olemas. Seega on Higgsi boson samuti Higgsi välja võnkumine. Selle sünnitamiseks tuleb osakesel kokku põrgata suure kiiruse ja suure energiaga. Ja sellepärast tuleb see avada. Kui seda ei avata, tähendab see tegelikult, et see teooria on vale.

küsimus:Kui suur on Higgsi bosoni hinnanguline mass?

Kuid see on kõige raskem. Sest ma ütlen, et erinevad mudelid ennustavad täiesti erinevaid asju. Mõned ei ennusta üldse midagi. Mõned ennustavad midagi. Eksperimentaalsed piirangud on olemas – noh, mõned, mitte eriti olulised. Probleem on selles, et pole veel selge, milline on selle mass.

küsimus:Rääkisite massi tekkimise Higgsi mehhanismist. On selge, miks osakesed muutuvad inertseks, kuid pole selge, miks peaksid nad sellise massi saavutamisel üksteise külge tõmbama? Noh, ma mõtlen, gravitatsiooniline. Kust gravitatsioon siis tuleb?

See on selge. Niisiis, vaata. Teeme seda nii. Higgsi mehhanism ei ole gravitatsiooniga otseselt seotud. Gravitatsioon, kui väga ettevaatlikult väljenduda, ei esine masside vahel - Newtoni puhul toimub see masside vahel, aga relatiivsusteoorias üldises relatiivsusteoorias tekib see objektide vahel, millel on energiat. Kas sa saad aru? Seega, kui sul on massitu osake, aga see lendab kuhugi, siis on tal ka energiat. Ja põhimõtteliselt ta ka meelitab. Lihtsalt kui osakesel on mass, saab selle peatada ja siis jääb tema energiast alles ainult mass. Kuid see on erijuhtum. Tegelikult eksisteerib gravitatsioon ka massitute osakeste vahel. Higgsi mehhanism lihtsalt näitab seda teistmoodi, aga gravitatsioon on nagunii olemas.

küsimus:Ütlesite, et neutron ja prooton, eriti prooton, koosnevad kolmest kvargist, mis tekitavad gluoonivälja. Kuidas nad arvutasid kvarkide arvu neutronis ja prootonis ning üldse – kuidas saab nende olemasolu katseliselt kontrollida, kuidas seda tõestada?

Kordan nüüd, ma põhimõtteliselt juba ütlesin, et kui neid poleks, kui kõik oleks täis tahkeid aineid, siis osakeste kokkupõrkel lendaks kõik enam-vähem isotroopselt laiali. Erinevates suundades, kuid ligikaudu sama. Katsed näitavad, et kui hakata osakesi suurel energial kokku põrkama, on tulemuseks joad, väga kitsalt suunatud joad. Arvutused näitavad, et need võivad ilmneda ainult olukorras, kus teil on väikesed kompaktsed objektid, mis lendavad laiali ja tekitavad joad. Nende arv on seotud ka eksperimentaalsete andmetega – need on tehnilised asjad ehk neid saab ka taastada.

küsimus:Ütlesite, et prootonid erinevad ainult kvarkide erineva paigutuse poolest...

Mitte prootoneid, aga on palju prootonite vendi – prootonitele sarnaseid osakesi. Ja kõik need selles seerias erinevad üksteisest mitte koguse, vaid ainult kvarkide asukoha poolest.

...ja samas sa ütlesid ka, et kvarke on erinevaid. See tähendab, et see sõltub ka kvarkide erinevusest?

Jah, see tähendab, et on lihtsalt kvarke, ütleme raskeid, mis on iseenesest rasked. Nad on ebastabiilsed, kuid elavad mõnda aega. Ja neist saate teha ka prootoni analoogi. Need osakesed on teada, need on lahtised, need on lihtsalt raskemad osakesed – neis istuvad teised kvargid.

küsimus:Ma tahaksin küsida pigem mitte loengu enda, vaid küsimuse kohta üldiselt. Millised muud võimalikud mehhanismid massi tekkeks?

See on selge. Noh, las ma ütlen veel paar. Esiteks on superühinemise teooria, mis ühendab kolm teadaolevat vastastikmõju – nõrk, tugev ja elektromagnetiline. See kõik juhtub veelgi väiksematel vahemaadel, kuhu tänapäevased katsed pole veel üldse jõudnud. Kaasaegsetel teooriatel, mis seda kirjeldada püütakse, on ka Higgsi välja analoog, ainult et see on raskem. Nii et tõenäoliselt on osakesi, mis ei omanda oma massi mitte selle Higgsi välja tõttu, mis on justkui "meie oma", mida LHC-s uuritakse, vaid raskema välja tõttu. Tõenäoliselt on see sama mehhanism, sellegipoolest on selliseid osakesi.

Täiesti erinev viis on superstringiteooria. On selline moekas superstringide teooria. Seal ei ole stringi vibratsioon Higgsi väli, mitte energia kontsentratsioon – see on lihtsalt uus mehhanism massi genereerimiseks.

Üldiselt ma ei tea, kuidas te massi ette kujutate. Võib-olla tundub see teile midagi erilist. Tegelikult, kui kirjutate võrrandi, kuvatakse siin lihtsalt mõni lisatermin. See termin näeb välja nagu mass. Me nimetame seda massiks. See tähendab, et selles, et mass mingil moel ilmub, pole midagi eriti üllatavat.

küsimus:Ütlesite, et kui nad kokku põrkuvad, hajuvad tuumad mitmesajateks osakesteks. Nad lendavad laiali kvarkideks – ja mis veel?

Need hajuvad sõltuvalt energiast erinevalt. Nad saavad palju ära teha. Kuid nad ei lenda laiali kvarkideks. Seal on olukord selline. Olen juba öelnud, et prootonist ei saa lihtsalt kvarki välja tõmmata. Kui proovite seda teha, hakkab teie gluooniväli "paisuma" ja ühel hetkel see puruneb - see on lihtsalt energeetiliselt kasulik niimoodi murda. Kui see puruneb, sünnib katkemise kohas kvark-antikvark paar (kui olete terminoloogiaga veidi tuttav). Selgub, et nad üritasid prootonist välja rebida kvarki – aga see, mis maha tuli, polnud mitte kvark, vaid pi-meson (see on kvargist ja antikvargist koosnev osake). Kui need osakesed protsessi käigus tegelikult sünnivad, näeb see välja umbes selline: esiteks põrkuvad esimesed kvargid, nad püüavad lahku lennata. Kui nad mõnele kaugusele lendavad, puruneb see pilv, siia ilmub "kvark + antikvark" ja siia "kvark + antikvark", seejärel puruneb erinevates kohtades. Ja kui see kõik on katki läinud ja energia juba maha rahunenud (sest energia oli alguses liiga kõrge), siis lendavad osakesed minema: pi-mesonid, K-mesonid, erinevad hadronid jne.

küsimus:Miks, kui võtame Higgsi väljateooria, on erinevatel osakestel erinev mass?

Ja see on ka ebaselge. Sellele küsimusele selle teooria raames vastust ei leia. Kahjuks on küsimusi, millele see teooria vastust ei anna. Ilma selle teooriata teame, et on olemas erinevad osakesed erineva massiga. See teooria ütleb sama asja, ainult erinevate sõnadega: need osakesed klammerduvad väljale erineval viisil. Aga miks nad nii väga klammerduvad, on täiesti teadmata. Füüsikud loodavad, et see hakkab selgemaks saama pärast seda, kui nad selle Higgsi bosoni lõpuks avastavad, sest võimalusi on palju ja nad hakkavad välja mõtlema, missugune Higgsi väli see on, milline konkreetne mehhanism seda kogu universumis genereerib. Kuid see on endiselt lahtine küsimus.

küsimus:Kas dualismi nähtus on seotud gluoonpilvega?

Ei, see ei ole seotud. Dualism - laine-osakeste dualismi tähenduses - tekib lihtsalt kvantmehaanikas, ilma lisaosakesteta, ilma gluoonideta.

küsimus:Stringiteooria püüab selgitada mitte ainult kuidas, vaid ka miks. Kuid kas Higgsi väljateooria selgitab, miks on nii palju osakesi?

Ei, ei, see muidugi ei selgita. See Higgsi teooria versioon (selle ametlik nimi on "elektronõrgete jõudude spontaanse rikkumisega elektrinõrga teooria") seda ei selgita. Tegelikult pole see stringiteooria alternatiiv. Need on teooriad, mis töötavad nii-öelda "erinevatel korrustel". Ka superstringiteooria ei ütle selle Higgsi mehhanismi kohta veel midagi.

küsimus:Kas need teooriad võivad kattuda?

Nad ei ristu, nad võivad üksteisele järgneda. Superstringiteooria on sõnastatud väga suure energiaga. Pärast seda, kui kõik on tihendatud, saadakse madalad energiad. Superstringiteooria ei saa veel vastata, mis juhtub madalate energiate korral. Nüüd, kui ta suudab Higgsi välja tuua, on see suur edu, kuid siiani ei saa ta seda teha.

küsimus:Ütlesite, et midagi Higgsi teooriast on juba kinnitust leidnud. Mida täpsemalt?

Sellest sai kinnitust järgmine. On osakesi, mis taluvad nõrka vastastikmõju: W- ja Z-bosonid. Neil on mass ja selle massi genereerib ka Higgsi mehhanism. Kuid erinevalt tavalisest ainest – elektronidest ja kvarkidest – pole seal mingit määramatust, kõik on teoreetiliselt selgelt määratletud. See tähendab, et teooria suudab lihtsalt selgelt välja arvutada näiteks nende osakeste masside suhte. See väärtus arvutati ja ennustati 70ndatel. Pärast seda hakkasid nad neid W- ja Z-bosoneid eksperimentaalselt jahtima. Need avastati ja nende massid langevad 1-2% ulatuses kokku selle teooria ennustusega. Raske on välja mõelda teisi mudeleid, mis tagaksid sama hea kokkuleppe. Aga minu arvates on need olemas ehk põhimõtteliselt on veel alternatiive. Seekord. Teiseks, osakesi, mida pole veel avastatud, on tunda isegi siis, kui te neid ei näe. Kvantmehaanikas on sellised virtuaalsed parandused - raskete osakeste kõikumised, kui rasked osakesed ei sünni, vaid tekivad korraks vaakumis ja siis jälle kaovad (aga need on lihtsalt sõnad, tegelikult pole vaja kujutage seda pilti visuaalselt ette). See mehhanism mõjutab osakeste omadusi ja nende hajumise reaktsioone - noh, tavalised osakesed, prootonid näiteks. Need parandused, parandustegurid, arvutati Higgsi teooria raames ja need näivad olevat eksperimendiga nõus. See tähendab, et Higgsi bosonit pole veel avastatud, kuid seda on justkui juba kaudselt tunda.

küsimus:Olen kuulnud teooriast – võib-olla on see superstringiteooria –, mis väidab, et meie universum on pulseeriv laine ja suure suurenduse korral koosnevad neist lainetest ka aatomid. Kas teie versioonis on universumi pesastumine võimalik?

Ma ei saa öelda, et see on võimatu, kuid ma ei tea sellist teooriat, mis tegelikult toimiks.

küsimus:Kas kokkupõrkega juhtub õnnetusi? Ilmselt on seal tohutu kiirgus?

Neid on, jah. Harva, aga neid juhtub. Tavaliselt püütakse neid ennetada. LHC ehitamisel hukkus ohutusnõuete rikkumise tõttu üks töötaja. Mõnes kaevanduses tõstsid nad koormat, mis osutus lahtiseks. Tööline oli allpool ja ta oli lihtsalt kinni löödud. Räägitakse ka (ma ei tea, kui palju te seda uskuda võite), et mõni mees sai talaga pähe. Tal oli auk otse läbi, kuid ta elas ikkagi pärast seda.

Loomulikult on seal tohutud energiad ja need ei jäta tõesti midagi sinna, kuhu nad langevad. See tähendab, et nad võivad kergesti sellest kanalist kõikjal läbi murda. Kuid see ei tähenda, et nad rebivad kõik tükkideks, nagu filmides näidatakse. Põhimõtteliselt on see võimalik, kuid kui realistlik see on - ma ei tea.

Kuid oli lihtsalt kergeid vigastusi, näiteks kui inimesed unustasid magnetvälja välja lülitada. Mööda minnes ja näiteks mutrivõti taskus on, lendab see sellise survega lihtsalt taskust välja ja võib vigastada.

küsimus:Mis takistab osakesel "kvark + antikvark" lihtsalt hävimast?

Miski ei sega, nad tõesti hävitavad. Tegelikult sõltub see sellest, millise osakese te võtate. Siin on pi-null meson – see koosneb kvargist ja samast antikvargist. Need võivad hävitada ja lõpuks lagunevad footoniteks. Pi meson laguneb tegelikult footoniteks.

Kuidas nad teavad, et ta on olemas?

On osakesi, mis elavad üsna kaua – näiteks mikrosekundeid. Mikrosekundites võivad nad valguse kiirusel lennata üsna kaugele. Need jätavad tuvastusseadmetesse jäljed: näete lihtsalt, et osake liikus ja jaguneb seejärel kaheks osaks. See kõik näeb välja tõeline. Kuid pi-zero meson elab väga lühikest aega ja seetõttu pole tal aega kuhugi lennata. Seda tüüpi osakesed rekonstrueeritakse nende muutumatu massi, st lagunemissaaduste koguenergia järgi. Kui teil on osake - näiteks pii-null meson -, mis võib laguneda kaheks footoniks, siis jälgite selle reaktsioone mingis kokkupõrkes. Mitte ühes, vaid paljudes: lihtsalt tuhandetes sarnastes kokkupõrgetes. Ja koostage nende kahe footoni koguenergia jaotus. Tavaliselt on pilt selline: erinevate energiate juures saad paar footonit, aga teatud energia juures palju. Selgub, et see on selline tipp. Kui me usume kvantelektrodünaamikasse, kvantteooriasse, siis see juhtub ainult seetõttu, et tekkis osake, mis lagunes. Nii need taastatakse.

küsimus:Kõlama jäi mõte, et vaiksed kvargid ja liikuvad kvargid on erinevad asjad. Palun selgitage, kui erinevad need on. Kas need on tõesti erinevad asjad? Kas need triviaalsed erinevused – nagu paigal olev objekt ja liikuv objekt kokku tõmbuvad – on või mitte?

Ei, need on keerulisemad erinevused.

Kas relativistliku teooria muutumatus on säilinud? Kõik peab ju olema kooskõlas relatiivsusteooriaga.

Seal on kõik järjekindel. Nüüd ma ei julge seda sellel tasemel seletada. See on keerulisem suhe. Kui soovite, saame sellest eraldi rääkida.

küsimus: Mul on paar täpsustavat küsimust.
1. Kas LHC on pp või anti-pp põrkur?

Jah, see on pp, see tähendab prootoni-prootoni põrkur. Seda seetõttu, et sellistes kogustes on antiprootoneid väga raske saada. Neid ei ole looduses olemas; Põrgutis on palju väga kontsentreeritud osakesi ja neid tuleb toota väga kiiresti.

2. Rääkisite ülijuhtivusest ja sellest, et see efekt eksisteerib suurtes kogustes. Kas on tõsi, et samades tingimustes vaakumis olevad nanoosakesed ei oma ülijuhtivust?

See pole selge. Tegelikult ma ütlesin, et pole piiri, millest allpool see täielikult puudub ja millest kõrgemal on see täiesti olemas. On lihtsalt nähtus, mis osakeste suurenedes järk-järgult sisse lülitub.

3. Püüame prootonis olevast gluoonipilvest tükikese maha rebida. Ütlesid, et kui tükk ära rebitakse, kasvab pilv. Kuidas prooton teab, kui palju seda on vaja suurendada?

Pole vaja ette kujutada gluuone, nagu nad lihtsalt istuksid omal kohal ja kõik. Tegelikult pole iga gluoon midagi nii väikest, vaid asub korraga kogu prootonis. Nad lihtsalt segavad üksteist mingil kavalal moel. Kui rebite gluoonipilvest tüki ära, tunnevad kõik osakesed, et midagi on juhtunud, ja hakkavad paljunema, et kõik täita.

Kuni nad seda teevad?

Sel määral, et kõik on täidetud. Siin saan tuua lihtsama analoogia kiiruste Maxwelli jaotusega. Kui võtate gaasi vaikses olekus toatemperatuuril ja mõõdate kiirusi, on see Maxwelli jaotus. Nüüd eemaldame suure energiaga osakesed (põhimõtteliselt saab seda teha - mitte eemaldada, vaid järsult aeglustada). Tulemuseks on selline moonutatud profiil. Mida ülejäänud osakesed teevad? Kas nad liiguvad samamoodi? Ei: kui ootate mõnda aega, siis see kõik ühtlustub ja sellest saab jälle Maxwelli distributsioon, noh, võib-olla pisut nihutatud. Interaktsiooni käigus muutuvad ebaõiged ebastabiilsed seisundid järk-järgult stabiilseteks. Gluoonipilvega on sama lugu.

4. Kui gluoonid otsustavad paljuneda ja ruumala täita, kas nende koguenergia suureneb?

Ei, kui üks gluoon kiirgab teist, jagatakse energia nende vahel.

See tähendab, et arv suureneb energia säästmise ajal?

Kvantosakesed on sellised: nende arv ei ole fikseeritud, kuid nende energia on .

küsimus:Gluoonipilvest tükikese maha rebides võtame ka mingi massi ära. Pärast seda pilv taastatakse. Ma võin selle mitu korda ära rebida. Kas see kunagi lõpeb?

Kui rebid tüki ära, siis mõjutad sa seda prootonit. Sa ei saa lihtsalt tükki võtta ja lahti haakida. Prooton ise ei lagune alamprootoniks ja teiseks gluoonivälja tükiks, sest need tõmbavad üksteist ligi. Kui tahad sealt tükikese guunipilve ära võtta, siis pead seda kuidagi tõmbama. Ja sel hetkel panete sellesse prootonisse lisaenergiat. See energia kulub täielikult uue homotuumapilve ülesehitamiseks. See tähendab, et peate lihtsalt hoolikalt ette kujutama, kuidas see tegelikult juhtub.

küsimus: Kas katseliselt on avastatud pöördprotsesse – gluooniväljadest kvarkideni?

Jah, gluooniväljad võivad põrkuda ja tekivad paarid “kvark + antikvark”.

küsimus:Kas Higgsi väli aitab selgitada tumeenergia olemust?

Energia? Noh, mateeria võib muidugi aidata, aga kuidas on lood energiaga? See on keeruline asi. Jällegi, ma ei saa öelda, et see ei saa. Kuid tumeenergia on ikkagi segasem kui tumeaine. Tume energia peab arvestama Higgsi väljaga. Kui keegi kohustub kirjeldama tumeenergiat mõnes mudelis, peab ta arvestama ka Higgsi välja energiatihedusega. Midagi täpsemat ma veel öelda ei oska.

küsimus:Kuidas eristati teoreetiliselt erinevaid osakesi, millel polnud enne Higgsi välja massi?

Nad ei olnud teistsugused. Fakt on see, et siis – “siis” tähendab see vahetult enne selle sümmeetria katkemist – oli nende osakeste vahel täielik sümmeetria. Nad nägid välja samasugused. Nüüd on teada kolm leptonit: elektron, müüon ja tau lepton. Need erinevad massi poolest. Ja siis olid nad kõik massita ja nägid täiesti ühesugused välja. Ja siis läks sümmeetria katki, tekkisid massid jne.

küsimus:Kui suudame gluoonipilve tükke lahti rebida, kas meil on sama energia, kuid ilma sees olevate kvarkideta?

Jah, teoreetiliselt on see võimalik. Kuid seda pole veel eksperimentaalselt avastatud, kuigi nad on seda otsinud 40 aastat. Seda nimetatakse liimipalliks.

küsimus:Kas saaksite kirjutada nimekirja headest füüsikaraamatutest algajatele?

Noh, ma ei käsitle kogu füüsikat, kuid tõenäoliselt kirjutan valiku elementaarosakeste füüsikast ja kõigest, mis on seotud LHC-ga.

Teadlased hakkasid juba väga kaua aega tagasi oletama, et Maa sees on tahke ja kuum tuum, esitades planeedi päritolu kohta erinevaid hüpoteese. Kuid alles hiljuti suutsid teadlased täpselt kindlaks teha, et tuum on heterogeenne, selle välimine osa on vedela struktuuriga ja selle all on tahke aine. Raadius on ligikaudsete hinnangute kohaselt 1300 km.

Millest koosneb tuuma kõva osa?

Teadus saab sellele küsimusele vastata ainult hüpoteeside ja oletustega, kuna kaasaegne tehnoloogia ei võimalda otseproove võtta. Sisetuuma olemasolu tõestas esmalt Taanist pärit geofüüsik Inge Lehmann seismilisi laineid ja muid geoloogilisi protsesse analüüsides. Eeldatakse, et see kristalliseerub ja suureneb järk-järgult väliskihi jahutava aine mõjul, kuid selle suurenemise kiirus ei ületa 1 mm aastas.

Tuuma koostist saab hinnata meteoriitide uurimise põhjal, kuna need kosmilised kehad on asteroidide või muude planeetide tuumade fragmendid. Meteoriidid koosnevad peamiselt raua ja nikli sulamitest, nii et enamik teadlasi usub, et need elemendid moodustavad tahke tuuma aluse. Kosmoseobjektid on aga meie planeedist väiksema suurusega taevakehade killud. See tähendab, et keemiline koostis võib erineda.

Vähemlevinud seisukoht ütleb, et tuumal ei ole kristalset struktuuri, vaid see on amorfses olekus. Selle kõvadus on antud juhul tingitud väga kõrgest rõhust, sest tuuma sees oleva aine tihedus on arvutuste kohaselt umbes 13,1 g/cm3. Mõned teadlased väidavad, et lämmastik ja väävel hõivavad südamiku koostises suure koha. Ühine seisukoht selles küsimuses ei ilmu tõenäoliselt väga pikka aega.

Sisemise südamiku füüsikalised omadused

Arvutimudelid ja laboratoorsed katsed on võimaldanud teadlastel kujutleda meie planeedi keskpunktis toimuvat ja selgitada mõningaid saladusi, näiteks magnetvälja tekkimise nähtust. Nüüd on tõestatud, et välimine ja sisemine südamik pöörlevad ja vastupidises suunas. Selle pöörlemise kiirus muutub järk-järgult koos suunaga, nii et võib-olla mõne tuhande aasta pärast võivad põhja- ja lõunapoolused kohad vahetada.

Sisemise tuuma temperatuur läheneb Päikese pinna temperatuurile ja on umbes 6000 kraadi Celsiuse järgi. Kristalliseerumise käigus eraldub soojust väliskestadesse, tagades geodünaamika. Seismiline sondeerimine on võimaldanud tuvastada, et tektooniliste lainete kiirus võib erineda, mis toob kaasa muutusi kõigis Maa kihtides. Teadmised tuuma struktuuri kohta on vajalikud mitte ainult geofüüsikutele, vaid ka seismoloogidele, et oleks võimalik maavärinaid täpselt ennustada ja isegi ära hoida.

Maa sisemine tuum ootab uusi avastusi ja katseid, mis võimaldavad täpselt määrata selle koostist ja ennustada meie planeedi tulevikku.