Рубрика «Matt Strassler» - 2

в 14:47, , рубрики: Matt Strassler, глюоны, кварки, Научно-популярное, нейтроны, протоны, физика

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:

  • 0,93827 ГэВ/с2 у протона,
  • 0,93957 ГэВ/с2 у нейтрона.

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 »

в 9:33, , рубрики: Matt Strassler, глюоны, кварки, Научно-популярное, протоны, физика
Что такое протон, и что у него внутри? - 1

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 »

в 7:49, , рубрики: Matt Strassler, атомы, Научно-популярное, нейтроны, нуклоны, протоны, физика, физика частиц, электроны, ядра

Ядра атомов: в самом сердце материи - 1
Рис. 1

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.
Читать полностью »

в 16:43, , рубрики: Matt Strassler, атомы, Научно-популярное, физика, электроны

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. По пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!
Читать полностью »

в 7:31, , рубрики: Matt Strassler, взаимодействия, гравитация, Научно-популярное, силы, физика

В этой статье я хочу обсудить основные свойства известных нам взаимодействий – четырёх наблюдаемых и пятого – нового – о чьём существовании мы делаем вывод из открытия частицы Хиггса.

Конкретно я хочу обсудить, что имеют в виду специалисты по физике частиц, описывая взаимодействия, как слабые или сильные. Такую терминологию вы можете встречать часто, но если её никто вам не объяснял, невозможно догадаться, что она означает. Так что вот вам объяснение – хоть и длинное, но, надеюсь, оно откроет вам глаза на то, как работает природа, а также поднимет много новых вопросов, на которые я надеюсь ответить позже.

«Слабые» против «сильных»

Что означают эти термины? В обычной жизни мы представляли бы, что сильное взаимодействие может поднять нас в воздух, а со слабым мы можем справиться, немного напрягши мускулы. Но специалисты по физике частиц имеют в виду вовсе не это.

Говоря о сильных и слабых, физики не имеют в виду абсолютную силу или слабость взаимодействия. Речь не идёт о том, сможет ли взаимодействие разбить окно или удержать золотой слиток. В этом контексте термины «сильный» и «слабый» не совсем абсолютные, в том смысле, в котором мы используем их в повседневной жизни или даже в начальных классах по физике. Эта терминология появилась благодаря глубокому пониманию квантовой теории поля, современного математического языка, используемого для описания известных элементарных частиц и сил. Но он фундаментален для современного обсуждения этих проблем физиками. Так что я начну с обоснования причин появления таких терминов.
Читать полностью »

в 7:21, , рубрики: Matt Strassler, астрономия, Научно-популярное, нейтрино, сверхновые, физика

Сверхновые и нейтрино - 1Сверхновые – самые распространённые и мощные ядерные бомбы природы. А также это одни из самых полезных явлений для физики частиц и астрофизики.

В сверхновых, у которых коллапсирует ядро, огромное количество протонов через поглощение электронов превращается в нейтроны, с последующим выходом наружу нейтрино. Осуществление этого процесса – одна из важнейших ролей слабого ядерного взаимодействия в природе. Каким-то образом – учёные пока работают над этим вопросом – результирующие ударные волны (возможно, им помогает неизвестная пока нам сила?) разрывают звезду на части.

Одним из наиболее захватывающих событий, произошедших в истории астрономии, был взрыв гигантской голубой звезды в крупнейшей из наших спутниковых галактик, Большом Магеллановом Облаке, произошедший в 1987 году. Это яркое пятно легко увидеть к югу от экватора. Астрономы, смотревшие на небо невооружённым глазом в феврале 1987 года, увидели в Облаке звезду, которой там не должно было быть. Это простое наблюдение породило величайшую волну астрономической активности, прокатившуюся по южной половине Земли, поскольку каждый астроном, у которого были такие возможности, спешил воспользоваться таким случаем, возникающим раз в жизни.
Читать полностью »

в 14:52, , рубрики: IceCube, Matt Strassler, Научно-популярное, нейтрино, физика, физика частиц

IceCube: гигантский замороженный детектор нейтрино - 1

IceCube – один из крупнейших экспериментов мира. Он состоит из кубического километра (почти миллиард тонн) льда, расположенного глубоко под снежной поверхностью южного полюса нашей планеты. Он предназначен для обнаружения нейтрино из глубокого космоса, которые смогут столкнуться с чем-то внутри, или в непосредственной близости от этой глыбы. В этой статье я немного расскажу о том, как он работает.

Неуловимые нейтрино

Чтобы понять мотивацию этого эксперимента, неплохо будет начать с небольшого обзора нейтрино. Их бывает три типа, а также три типа антинейтрино, но пока, вместо того, чтобы обсуждать их различия, давайте сконцентрируемся на том, что у них общего.

Я не буду каждый раз писать «нейтрино и антинейтрино». IceCube не отличит нейтрино и антинейтрино, так что, если не указано обратное, я буду называть их просто «нейтрино». То же верно и для мюонов, под которыми я буду подразумевать мюоны и антимюоны.
Читать полностью »

в 7:48, , рубрики: Matt Strassler, детектор нейтрино, Научно-популярное, нейтринный луч, нейтрино, физика

Как сделать нейтринный луч

Простое объяснение для непрофессионалов того, как сделать луч из нейтрино (детали зависят от конкретной экспериментальной лаборатории).

Сначала создайте луч из протонов – точно так же, как если бы вы нагружали Большой адронный коллайдер (это отдельная история, а пока примем, как данность, существование луча протонов).

Затем столкните протонный луч с мишенью – тонким листом материала. Протоны будут сталкиваться с ядрами атомов материала и разбивать их – не только разделяя на протоны и нейтроны, но и порождая множество других частиц, включая пионы (пример адронов) как с положительным, так и отрицательным электрическим зарядом. Все эти частицы будут вылетать с обратной части листа материала, в результате чего мы получим луч из протонов, нейтронов, пионов и некоторых других частиц.

image
Читать полностью »

в 9:22, , рубрики: Matt Strassler, излучение черенкова, Научно-популярное, физика, эффект вавилова-черенкова

Излучение Черенкова можно назвать физикой XIX века, случайно пробравшейся в XX-й. Его могли предсказать (и до какой-то степени это сделал физик Хевисайд) в 1880-х, но этот эффект был обнаружен случайно, возможно, Марией и Пьером Кюри. Его тщательно изучал Павел Черенков в 1930-е годы, а через несколько лет эффект подробно объяснили Илья Михайлович Франк и Игорь Евгеньевич Тамм. Три этих физика получили за изучение этого явления нобелевскую премию в 1958 году.

Прим. перев.: в англоязычных источниках почти всегда при описании излучения Черенкова авторы спешат упомянуть чету Кюри и то, что они ещё в начале XX века вроде бы наблюдали некое голубое свечение в своих опытах с радием. При этом обычно источника этой информации они не указывают; в редких случаях пишут, что информация получена на основании прочтения художественной книги, биографией четы Кюри, написанной их дочерью, Евой.

А в самой биографии о голубом свечении сказано только вот что:

«И среди темного сарая стеклянные сосудики с драгоценными частицами радия, разложенные, за отсутствием шкафов, просто на столах, на прибитых к стенам дощатых полках, сияют голубоватыми фосфоресцирующими силуэтами, как бы висящими во мраке.» // «Пьер и Мария Кюри», пер. с французского С. А. Шукарев, Евгений Федорович Корш, изд. 1959 г.
Читать полностью »

в 10:33, , рубрики: Matt Strassler, Научно-популярное, симметрия, физика, физика частиц

В XX-м веке специалисты по физике частиц обнаружили, что очень важно учитывать все возможные симметрии, которые могут демонстрировать законы природы, управляющие элементарными частицами. Наличие или отсутствие симметрии может открыть нам аспекты природы, иным образом неочевидные.

Из множества возможных симметрий можно выделить три, играющие уникальные роли: зарядовое сопряжение (С), пространственная чётность (Р) и симметрия по отношению к обращению времени (Т). Три этих преобразования, влияющих на частицы, пространство, и время, включают:

• С: замена всех частиц на частицы с противоположным зарядом (как электрический заряд, так и менее знакомые заряды; заменяются даже некоторые нейтральные частицы. К примеру, нейтрино меняются на антинейтрино, а нейтроны – на антинейтроны).
• Р: помещение мира в зеркало (точнее, смена ориентации трёх измерений на противоположные).
• Т: запуск мира в обратном направлении времени (точнее, изменение направления временной эволюции).
Читать полностью »

123
Главная   |  Архив новостей  |   Android  |   Google  |   Apple  |   Microsoft  |   Информационная безопасность  |   Веб – разработка
Публикации RSS  |  Комментарии RSS
https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js