Atomisms, tas ir, doktrīna par mazāko nedalāmo daļiņu esamību, kas veido matēriju, radās jau ilgi pirms zinātnieki varēja ar eksperimenta palīdzību pārliecināties par tās noteikumiem. Tomēr, kad viņi to izdarīja, izrādījās, ka mikrokosms ir piepildīts ne tikai ar atomiem, bet arī ar vēl mazākām daļiņām, kurām ir pārsteidzošas īpašības.
Ļubina kunga mikrokosms
Jēdzienu "atoms" zinātniskajā lietošanā atgriezās Mančestras skolotājs Džons Daltons, kurš 19. gadsimta sākumā izveidoja pārliecinošu ķīmiskās mijiedarbības teoriju. Viņš nonāca pie secinājuma, ka dabā ir vienkāršas vielas, kuras viņš sauca par "elementiem", un katru no tām veido atomi, kas raksturīgi tikai viņam. Daltons arī ieviesa atomu svara jēdzienu, kas ļāva elementus pasūtīt slavenajā periodiskajā tabulā, kuru 1869. gada martā ierosināja Dmitrijs Mendelejevs.
Fakts, ka papildus atomiem ir arī dažas citas daļiņas, zinātnieki sāka uzminēt, pētot elektriskās parādības. 1891. gadā īru fiziķis Džordžs Stonejs ierosināja hipotētiski lādētu daļiņu saukt par elektronu. Pēc 6 gadiem anglis Džozefs Thomsons atklāja, ka elektrons ir daudz vieglāks par vieglākā elementa (ūdeņraža) atomu, patiesībā atklājot pirmo no pamata daļiņām.
1911. gadā Ernests Rutherfords, balstoties uz eksperimentāliem datiem, ierosināja atoma planētu modeli, saskaņā ar kuru tā centrā atrodas blīvs un pozitīvi lādēts kodols, ap kuru griežas negatīvi lādēti elektroni. Subatomisko daļiņu ar pozitīvu lādiņu, no kuras veidojas kodoli, sauca par protonu.
Drīz vien fiziķus gaidīja vēl viens pārsteidzošs atklājums: protonu skaits atomā ir vienāds ar periodiskā tabulas elementa skaitu. Tad radās hipotēze, ka atomu kodolu sastāvā ir vēl dažas daļiņas. 1921. gadā amerikāņu ķīmiķis Viljams Harkinss ierosināja tos saukt par neitroniem, taču neitronu starojuma reģistrēšanai un aprakstīšanai bija nepieciešami vēl 10 gadi, kuru atklāšanai, kā mēs zinām, bija galvenā nozīme kodolenerģijas attīstībā.
Reklāmas video:
Pretpasaules fantomi
30. gadu sākumā fiziķi zināja četras pamata daļiņas: fotonu, elektronu, protonu un neitronu. Likās, ka ar tiem pietiek, lai aprakstītu mikrokosmu.
Situācija dramatiski mainījās, kad Pols Diraks pierādīja antielektronu eksistences teorētisko iespējamību. Ja elektrons un antielektrons saduras, iznīcināšana notiks, atbrīvojot augstas enerģijas fotonu. Sākumā Diraks uzskatīja, ka protons ir antielektrons, bet viņa kolēģi izsmēja viņa ideju, jo tad visi pasaules atomi uzreiz iznīcināsies. 1931. gada septembrī zinātnieks ierosināja, ka jābūt īpašai daļiņai (vēlāk sauktai par pozitronu), kas dzimst no vakuuma, kad saduras cietie gamma stari. Drīz vien kļuva skaidrs, ka zinātnieki šādu daļiņu ir reģistrējuši jau agrāk, taču nespēja dot tās izpausmēm saprātīgu pamatu. Pozitrona atklāšana liecināja, ka protonam un neitronam jābūt vienādiem analogiem.
Krievu fiziķis Vladimirs Rožanskis gāja vēl tālāk, 1940. gadā publicējot rakstu, kurā viņš apgalvoja, ka daži Saules sistēmas ķermeņi (piemēram, meteorīti, komētas un asteroīdi) sastāv no antimatērijas. Izglītota publika, pirmkārt, zinātniskās fantastikas rakstnieki, šo ideju pārņēma, ticot kaut kur tuvumā esošās pretpasaules fiziskajai realitātei.
Pretdaļiņu mākslīgas iegūšanas process izrādījās diezgan darbietilpīgs: tam bija nepieciešams uzbūvēt īpašu paātrinātāju "Bevatron". Antiprotoni un antineutroni tam tika atklāti pagājušā gadsimta 50. gadu vidū. Kopš tā laika, neraugoties uz pieaugošajām darbaspēka izmaksām, ir bijis iespējams iegūt tikai nenozīmīgu daudzumu antimateriāla, tāpēc tā dabisko "atradņu" meklēšana tiek turpināta.
Rozhansky hipotēzes atbalstītāju cerības veicina reģistrētā neatbilstība (ar koeficientu 100!) Starp teorētiski prognozēto un reālo antiprotonu plūsmu intensitāti kosmiskajos staros. Šī neatbilstība cita starpā ir izskaidrojama ar pieņēmumu, ka kaut kur ārpus mūsu galaktikas (vai pat Metagalaxy) patiešām ir plašs reģions, kas sastāv no antimatērijas.
Eluzīva daļiņa
1900. gadā fiziķi konstatēja, ka radioaktīvās sabrukšanas radītie beta stari faktiski ir elektroni.
Turpmākos novērojumos izrādījās, ka izstaroto elektronu enerģija izrādās atšķirīga, kas nepārprotami pārkāpj enerģijas saglabāšanas likumu. Neviens teorētisks un praktisks triks nepalīdzēja izskaidrot notiekošo, un 1930. gadā kvantu fizikas patriarhs Nīls Bohrs aicināja atteikties no šī likuma attiecībā uz mikro pasauli.
Izeju atrada šveicietis Volfgangs Pauli: viņš ierosināja, ka atomu kodolu sabrukšanas laikā tiek atbrīvota vēl viena subatomiska daļiņa, kuru viņš sauca par neitronu un kuru nevar noteikt ar pieejamajiem instrumentiem. Tā kā tieši tajā laikā beidzot tika atklāts iepriekš prognozētais neitrons, tika nolemts hipotētisko Pauli daļiņu saukt par neitrīno (vēlāk izrādījās, ka beta sabrukšanas laikā rodas nevis neitrīns, bet gan antineutrīns).
Lai arī sākotnēji neitrīno ideja tika uztverta ar skepsi, laika gaitā tā pārņēma prātus. Tajā pašā laikā radās jauna problēma: daļiņa ir tik maza un tai ir tik nenozīmīga masa, ka to praktiski nav iespējams salabot, pat šķērsojot blīvākās vielas. Tomēr pētnieki nepadevās: parādoties kodolreaktoriem, tos izdevās izmantot kā spēcīgas neitrīno plūsmas ģeneratorus, kas 1956. gadā to atklāja.
"Spoku" daļiņas iemācījās reģistrēties un pat Antarktīdā uzcēla milzīgu neitrīno observatoriju "Ice Cube", taču tās pašas lielākoties paliek noslēpums. Piemēram, pastāv hipotēze, ka antineutrīni mijiedarbojas ar matēriju kā parasts neitrīno. Ja hipotēzi apstiprinās ar eksperimentu, kļūs skaidrs, kāpēc Visuma veidošanās laikā radās globāla asimetrija un matērija mūsdienās ir daudz lielāka nekā antimateriāls.
Zinātnieki asociējas ar turpmāku neitrīno pētījumu veikšanu, iegūstot atbildes par kustības iespējamību ar superluminālo ātrumu, par "tumšās vielas" raksturu, par agrīnā Visuma apstākļiem. Bet, iespējams, vissvarīgākais, nesen pierādītā masu klātbūtne neitrīnos iznīcina standarta modeli, iejaucoties mūsdienu fizikas pamatos.
Ārpus standarta modeļa
Kosmisko staru izpēte un spēcīgu paātrinātāju uzbūve veicināja desmitiem iepriekš nezināmu daļiņu atklāšanu, kurām bija jāievieš papildu klasifikācija. Piemēram, šodien visas subatomiskās daļiņas, kuras nevar sadalīt to sastāvdaļās, tiek sauktas par elementārām, un tikai tās, kurām tiek uzskatīts, ka tām nav iekšējas struktūras (elektroni, neitrīni utt.), Tiek sauktas par fundamentālām.
Sešdesmito gadu sākumā sāka veidoties Standarta modelis - teorija, kas ņem vērā visas zināmās daļiņas un spēka mijiedarbību, izņemot smagumu. Pašreizējā versijā ir aprakstīta 61 elementārā daļiņa, ieskaitot leģendāro Higsa bozonu. Standarta modeļa panākumi ir tādi, ka tas paredz vēl neatklātu daļiņu īpašības, tādējādi atvieglojot to atrašanu. Un tomēr ir iemesli runāt, ja ne par pārskatīšanu, tad par modeļa paplašināšanu. Tieši to dara Jaunās fizikas atbalstītāji, kas tiek aicināti risināt uzkrātās teorētiskās problēmas.
Pārsniedzot standarta modeli, tiks atklātas jaunas elementāras daļiņas, kas joprojām ir hipotētiskas. Iespējams, zinātnieki atklās tahikonus (pārvietojas ar superluminal ātrumu), gravitonus (kas veic gravitācijas mijiedarbību) un vimps (veido "tumšo" vielu). Bet tikpat iespējams, ka viņi paklups uz kaut ko vēl fantastiskāku. Tomēr pat tad nebūs garantijas, ka mēs esam izzinājuši mikrokosmu kopumā.
Antons Pervušins