Nanomachines, son!
Давненько я не писал ничего про нанотехнологии, но сегодня у нас на повестке дня куда более обширная тема — а что мы не знаем, но уже можем хотеть знать? Если брать физику — да тут куда не дернись, везде стены. И даже если что‑то начинает работать с учетом постулатов или еще каких костылей, то при копке поглубже обязательно уткнешься в очередной спин, который вроде и понятный, но что это и откуда не известно до сих пор.
Предупреждения начали приходить рано утром 17 августа. Гравитационные волны, порождённые столкновением двух нейтронных звёзд — плотных ядер умерших звёзд — омывали Землю. Более 1000 физиков обсерватории aLIGO (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) поспешили расшифровать вибрации пространства-времени, прокатившиеся по детекторам подобно долгому раскату грома. Тысячи астрономов боролись за право стать свидетелями послесвечения. Однако официально весь этот переполох держался в секрете. Нужно было собирать данные и писать научные работы. Внешний мир не должен был узнать об этом ещё два месяца.
Этот строгий запрет поставил Джоселин Рид и Катерино Чатциоаноу, двух членов коллаборации LIGO, в неловкое положение. Днём 17 числа они должны были вести конференцию, посвящённую вопросу о том, что происходит в невообразимых условиях внутренностей нейтронной звезды. А их темой как раз было то, как должно происходить слияние двух нейтронных звёзд. «Мы вышли на перерыв, сели и уставились друг на друга, — говорит Рид, профессор Калифорнийского университета в Фуллертоне. — Так как же мы это сделаем?»
Читать полностью »
Кварки, глюоны и антикварки — это составные части протонов, нейтронов и (по определению) других адронов. Удивительным физическим свойством нашего мира является то, что когда одна из этих частиц выбивается из содержащего её адрона, и летит с большой энергией движения, она остаётся ненаблюдаемой макроскопически. Вместо этого кварк высокой энергии (или глюон, или антикварк) превращается в «брызги» адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов). Эти брызги называют «струёй». Отметим, что это справедливо для пяти самых лёгких цветов кварка, но не для верхнего кварка, распадающегося на W-частицу и нижний кварк до того, как может появиться струя.
В статье я примерно опишу как и почему из обладающих высокой энергией кварков, антикварков и глюонов появляются струи.
Это поведение кварков, отличное от поведения заряженных лептонов, нейтрино, фотонов и прочих, происходит из того факта, что кварки и глюоны подвержены действию сильного ядерного взаимодействия, в то время как другие частицы ему не подвержены. Большая часть взаимодействий между двумя частицами становится слабее с увеличением расстояния. К примеру, гравитационное взаимодействие между двумя планетами падает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. То же выполняется для электрического взаимодействия между двумя заряженными объектами, оно также падает как квадрат расстояния. Вы самостоятельно можете потереть надувной шарик, зарядив его статическим электричеством, а потом поднести к голове. Если поднести его ближе, ваши волосы встанут дыбом, но этот эффект быстро исчезает, если отодвинуть шарик дальше.
Читать полностью »
В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.
Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:
Это ключ к их природе – они на самом деле очень похожи. Да, между ними существует одно очевидное различие: у протона положительный электрический заряд, а у нейтрона заряда нет (он нейтральный, отсюда и его название). Соответственно, электрические силы действуют на первый, но не на второй. На первый взгляд это различие кажется очень важным! Но на самом деле это не так. Во всех остальных смыслах протон с нейтроном почти близнецы. У них идентичны не только массы, но и внутреннее строение.
Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.
Читать полностью »
Рис. 1: атом водорода. Не в масштабе.
Вы знаете, что Большой адронный коллайдер в основном занимается тем, что сталкивает друг с другом протоны. Но что такое протон?
В первую очередь – ужасная и полная неразбериха. Настолько же уродливая и хаотичная, насколько прост и элегантен атом водорода.
Но что тогда такое атом водорода?
Это простейший пример того, что физики называют «связанным состоянием». «Состояние», по сути, означает некую штуку, существующую довольно долгое время, а «связанное» означает, что её компоненты связаны друг с другом, будто супруги в браке. На самом деле, пример супружеской пары, в которой один супруг гораздо тяжелее другого, сюда очень хорошо подходит. Протон сидит в центре, едва двигаясь, а по краям объекта движется электрон, движется быстрее, чем вы и я, но гораздо медленнее скорости света, всеобщего скоростного ограничения. Мирный образ брачной идиллии.
Или он кажется таким, пока мы не заглянем в сам протон. Внутренности самого протона больше напоминают коммуну, где плотно расположено множество холостых взрослых и детей: чистый хаос. Это тоже связанное состояние, но связывает оно не нечто простое, вроде протона с электроном, как в водороде, или хотя бы несколько десятков электронов с атомным ядром, как в более сложных атомах типа золота – но несметное количество (то есть, их слишком много и они слишком быстро меняются, чтобы их можно было подсчитать практически) легковесных частиц под названием кварки, антикварки и глюоны. Невозможно просто описать структуру протона, нарисовать простые картинки – он чрезвычайно дезорганизован. Все кварки, глюоны, антикварки, мечутся внутри с максимально возможной скоростью, почти со скоростью света.
Читать полностью »
Австрийские ядерные физики заявляют, что в одной из реакций им удалось пронаблюдать гипотетическую частицу "глюоний" (glueball). Теоретики предсказали её существование в рамках Стандартной модели. Глюоний состоит из одних глюонов и не содержит кварков.
Кварки и глюоны – гипотетические частицы, из которых состоят адроны. Считается, что их невозможно пронаблюдать по отдельности, они всегда комбинируются в какую-либо элементарную частицу. О присутствии общих одинаковых «кирпичиков» в строении адронов физики задумались примерно в 1950-х годах, когда поняли, что достаточно большое количество полученных ими при столкновениях элементарных частиц проявляют общие свойства. Физики решили считать, что любой адрон состоит из трёх кварков.
Однако эти кварки ведут себя довольно странно. Например, кварки не получается разделить (при увеличении расстояния между ними увеличивается и связующая их сила) и скомбинировать в количестве, большем, чем три (за исключением агрегатного состояния вещества под названием "кварк-глюонная плазма", в которой, теоретически, кварки свободно перемещаются по всему сгустку вещества).
Читать полностью »
«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл
Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.
Читать полностью »
Время подобно реке, несущей проходящие мимо события, и течение её сильно; только что-либо покажется вам на глаза — а его уже унесло, и видно что-то другое, что тоже вскоре унесёт.
Марк Аврелий
Каждый из нас стремится создать целостную картину мира, включая картину Вселенной, от мельчайших субатомных частиц до величайших масштабов. Но законы физики порою настолько странные и контринтуитивные, что эта задача может стать непосильной для тех, кто не стал профессиональными теоритическими физиками.
Читатель спрашивает:
Хотя это и не астрономия, но может быть вы подскажете. Сильное взаимодействие переносится глюонами и связывает кварки и глюоны вместе. Электромагнитное переносится фотонами и связывает электрические заряженные частицы. Гравитация, предположительно, переносится гравитонами и связывает все частицы с массой. Слабое переносится W и Z частицами, и … связано с распадом? Почему слабое взаимодействие описывают именно так? Ответственно ли слабое взаимодействие за притяжение и/или отталкивание каких-либо частиц? И каких? А если нет, почему тогда это одно из фундаментальных взаимодействий, если оно не связано ни с какими силами? Спасибо.
Давайте-ка разберёмся в основах. Во вселенной существует четыре фундаментальных взаимодействия – гравитация, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие.
Читать полностью »
Команда LHCb, занимающаяся на Большом Адроном Коллайдере исследованиями ассиметрии материи и антиматерии во взаимодействиях «прелестных кварков», 19 ноября объявила об экспериментальном подтверждении существованиях двух новых барионных частиц. Частицы Xi_b'- и Xi_b*- были предсказаны Стандартной моделью, но до сих пор их ни разу не наблюдали. Эти частицы из семейства кси-гиперонов — они, как и протоны, содержат в своём составе три кварка: один «прелестный» b, один «странный» s и один «нижний» d. Из-за массивности d-кварков частицы весят в шесть раз больше протонов. В Xi_b'- спины двух лёгких кварков направлены против спина b-кварка, а в Xi_b*- они все однонаправлены.
Читать полностью »
