Podíl:
10 Podivné teoretické subatomové částice
Fyzika částic je jednou z nejzajímavějších oblastí fyziky. Přestože již existuje mnoho různých částic, výzkumníci nadále postulují nové a vzrušující částice. Většina těchto nových částic je spojena s výzkumem temné hmoty a temné energie a fyzici se v současné době snaží najít to nejlepší.
10 Black Hole Electron
Na počátku 20. století Albert Einstein představil špičkovou fyziku o černých dírách, který podporoval jeho teorie obecné relativity. Mezi jeho nejzajímavější práce byla teorie elektronu černé díry. Černé díry mohou přijít v různých tvarech a velikostech v závislosti na tom, jak se tvoří. Einsteinův černý díra elektron byl určená černá díra, která měla stejnou velikost a hmotnost jako elektron.
V Einsteinových dokumentech diskutoval, jak by vypadala tato drobná černá díra. Podivně, bude mít stejné magnetické vlastnosti jako normální elektron. Kdyby někdo někdy pozoroval elektronový černou díru, vypadal to jako normální elektron. Za tím by byl elektron černé díry relativně stabilní a zůstal v celé jeho životnosti velikost elektronu.
Einsteinova práce na elektronu černých děr se v jeho dnech nestala hlavní částí částicové fyziky, ale nedávné inovace v teorii řetězců ji vracejí do popředí. Moderní teoretici strun postavili modely, které považují částice za miniaturní černé díry. Tyto modely pomáhají řešit výpočetní problémy, které existují v normální fyzice, takže je možné, že Einstein nebyl příliš daleko od značky.
9 Dark Photon
Výzkum temné hmoty je jednou z nejdiskutovanějších oblastí moderní fyziky částic. Nikdo přesně neví, jaká je tmavá hmota, a fyzici neustále navrhují nové kandidáty na tuto nepolapitelnou látku. V roce 2008 navrhl tým výzkumníků nový typ subatomové částice tzv. Temného fotonu. Tato částicka by se zdála jako normální foton, ale měla by interagovat pouze s temnou hmotou.
Tmavý foton je navrhovaným silovým nosičem pro elektromagnetickou sílu mezi temnou hmotou. Namísto toho, aby spoléhali na normální foton jako nosič síly, vědci navrhli, že tmavý foton je ten, který nese interakci. Aby vysvětlil, proč je temná hmota neviditelná pro pozorování, fyzici spekulovali, že na temné hmotě působí další základní síla. Tento "tmavý elektromagnetismus" je síla s dlouhým dosahem, ale je zprostředkována pouze temným fotonem.
Jak divné, jak se to může zdát, vědci částic měli důvod věřit, že tmavé fotony existovaly. Na začátku roku 2000 vědci provedli experiment nazvaný g-2. Tento experiment se pokoušel měřit mion (jiný typ subatomové částice), který "kolísal", když procházel magnetickým polem.
Během experimentu se muonové vlny nepracovaly na to, co předpovídal standardní model. Další experimenty byly prováděny u urychlovačů částic, aby zjistili, zda anomální četba může být známkou tmavých fotonů. Výsledky bohužel ukázaly, že tmavé fotony nejsou pachatelem. Ještě něco je.
Anomálie g-2 nebyla dosud vyřešena, i když vědci jsou si jisti, že tmavé fotony nejsou na vině. Přesto nejsou temné fotony nemožné. Mohou existovat v našem vesmíru.
8 Chameleonové částice
Přestože temná hmota je obrovské tajemství ve fyzice, temná energie je ještě větší. Všechna měření a modely ukazují, že vesmír se nejen rozšiřuje, ale stále zrychluje. Fyzici nevědí, co způsobuje zrychlení, a nespočet výzkumníků navrhuje různé vysvětlení pro "temnou energii", která vytváří náš rozšiřující se vesmír. Jedním z nejzajímavějších nápadů je chameleonová částice.
Teoreticky by chameleonová částice zprostředkovala páté pole v našem vesmíru nazývané pole chameleonu. Částice pro toto pole mají různé liché vlastnosti. Vědci navrhují, aby měla proměnnou účinnou hmotnost, která se mění s hustotou oblasti vesmíru, ve které žije.
Čím větší je efektivní hmotnost, tím silnější je síla. Například v naší sluneční soustavě by chameleonové částice nebyly detekovatelné, protože vysoká relativní hustota našeho slunečního systému by způsobila, že částice budou mít extrémně slabou sílu. Ale v mezigalaktickém prostoru, který je téměř prázdný, by chameleonové částice byly extrémně silné, protože hustota je tak nízká.
Tento návrh vysvětluje, proč vědci vidí univerzální expanzi. Vědci však chtějí detekovat částici. Ale je to obtížné, protože vědci jsou na Zemi v husté části vesmíru, kde by síla chameleonu byla extrémně slabá.
Tým v Berkeley postavil experimentální přístroj pro detekci částic chameleonu. Přestože test nebyl jednoznačný, nevylučoval existenci částic chameleonu. Takže vědci pracují na dalších experimentech a nástrojích, které detekují tyto nepolapitelné částice a objevují povahu temné energie.
7 sterilních neutrin
Dalším kandidátem na tmavou hmotu je sterilní neutrino. Normální neutriny jsou extrémně slabě interagující částice tvořené různými jadernými reakcemi. Tři typy neutrin v standardním modelu jsou dobře známy. Oni jsou tak slabě interagující, že vědci odkazují na ně jako částice duchů.
Sterilní neutriny jsou různé, protože se vzájemně ovlivňují pouze gravitační silou. Normální neutriny (aka aktivní neutriny) dostávají náboj ze slabé síly, ale sterilní neutriny jsou zcela nepoškozeny žádnou ze subatomických sil ve standardním modelu. Jsou to duchové částice duchů.
Sterilní neutrinové jsou možným kandidátem na tmavou hmotu. Jsou zajímavé, protože existují mimo standardní model částicové fyziky tím, že přidávají více neutrin na tři, které již vědci vědí.Pokud budou objeveny, sterilní neutrinové by přinutili vědce, aby změnili části standardního modelu. Co se týče temné hmoty, fyzici jsou stále na oplátku o tom, zda jsou tyto strašidelné částice dobrým kandidátem.
Nedávné objevy však poskytly důkazy, že sterilní neutriny mohou existovat. Problém spočívá v tom, že sterilní neutriny jsou extrémně obtížně detekovatelné, protože sotva komunikují s jinými formami hmoty. Vědci mají obtížnou dobu zjišťovat své aktivní bratrance, mnohem méně sterilní verze.
V roce 2014 astronomové zjistili liché rentgenové emisní linky z blízké galaxie, které se vešly do sterilní teorie neutrino. S využitím těchto údajů ukázal astrofyzik Kevork Abazajian, že sterilní model neutriny může vysvětlit strukturu ostatních blízkých galaxií. Tento objev je nejlepším současným důkazem sterilních neutrin, protože podzemní detektory pro aktivní neutrony nemají štěstí, že by zvedli podpisy této strašidelné částice.
6 Axion
Ze všech kandidátů, které navrhli vědci pro studenou temnou hmotu, získává nejvyšší publicita a zájem. Axion byl nejprve navržen tak, aby vyřešil obtížný problém zahrnující silnou nukleární sílu.
Ve standardní modelové matematice zahrnují fyzikové částic určité vstupní proměnné pro práci s matematikou. Nicméně jedna proměnná má hodnotu téměř nulovou, což ji činí neviditelnou. Když fyzici zapojili tuto hodnotu do svých rovnic, ukázalo se, že jeden ze základních kvarků by byl bezhmotný.
Pozorování kvarků bylo v rozporu s tímto modelem, takže vědci přišli s novým polem a částicemi, aby situaci napravili. Tato částice je axion. Má extrémně nízkou hmotnost, blíží se k jednomu triliónu hmoty elektronu.
Také axiony slabě interagují s jinou hmotou, ale mají zvláštní a zvláštní interakce se silnou nukleární silou. Teoreticky jsou tyto částice světlo zcela transparentní a neporušují se s hmotou podle standardního modelu.
To vše činí axion klíčovým kandidátem na temnou hmotu. Druhou vedoucí teorií je model WIMP (slabě interakční masivní částice), který navrhuje nové částice, které jsou mnohem těžší než proton a neutron. Modely Axion mají výhodu nad WIMP v tom, že jsou již součástí kvantové teorie.
Kosmologické teorie uvádějí, že axiony mohou v našem vesmíru představovat 85 procent temné hmoty. Zbytek by byly další částice. Vědci provádějí pokusy o nalezení těchto neviditelných částic, ale hledání není snadné.
5 Dilaton
Dilaton je divná částečka navržená teorií strun. Když teoretici řetězců pracují s teoriemi kompaktifikace Kaluza-Kleina, dilaton je částice, která musí existovat. Ale způsobuje kolísání základních konstant v přírodě.
Namísto našeho vesmíru, který má konstanty jako Newtonova konstanta nebo konstanta Planck, dilaton by dovolil, aby tato čísla kolísala v časném vesmíru. Poté by dilaton mohl zmrazit hodnotu, což také způsobilo zmrazení hodnot základních konstant.
Dilatony se mohou zdát divné, ale jsou důležité pro pochopení kosmologie teorie strun. Teorie řetězců se spoléhá na Kaluza-Kleinovy teorie a neexistuje žádný způsob, jak ignorovat dilaton v těchto teoriích. Ve skutečnosti se fyzici domnívají, že dilaton je v našem vesmíru základním skalárem, což znamená, že je nemožné ho ignorovat, pokud existuje.
Pokusy o detekci dilatonu by však byly velmi obtížné provést. Jeho vlastnosti dokonale odpovídají vlastnostem temné energie. Takže pokud je teorie strun správná, dilaton by mohl vyřešit přetrvávající tajemství temné energie.
4 Inflaton
Jedna z největších tajemství kosmologie velkého třesku je inflační období vesmíru. Ve zlomku sekundy po začátku velkého třesku vesmír zažil exponenciální růst. Nakonec se tento rychlý růst odrazil v míře rozšíření pozorované dnes.
Toto inflační období umožnilo vědcům pozorovat kosmické pozadí mikrovlnného záření a dalších zajímavých rysů vesmíru. Nicméně, nikdo neví, proč vesmír zažil inflační expanzi nebo proč to zastavilo.
Inflatón je navrhované pole, které by vysvětlovalo, proč se vesmír rozšířil tak, jak tomu bylo. Stejně jako každé pole inflaton má s ním spojenou částicu (nazývanou také inflaton).
Inflaton pracoval v několika základních krocích. Na počátku vesmíru byl ve vysokoenergetickém stavu a zažil náhodné kvantové výkyvy, jak se očekávalo od superdenzního vesmíru pro kojence. Nakonec se inflaton usadil v nízkoenergetickém stavu, který vyvolal masivní odpudivou sílu, která dovolila návratu inflatonu do svého vysoce energetického stavu. Zvláštní je, že inflaton nevyvíjí tuto odpudivou sílu, když má vysokou energii.
Inflatonové teorie se mohou zdát elegantní, ale jsou stále hojně diskutovány mezi fyziky, protože inflační model nebyl přijat všemi vědci. Nicméně nové teorie kolem prvního vesmíru ukazují, že pole inflatonu je dobrým kandidátem na popis toho, jak náš vesmír přišel vypadat tak, jak to dělá. Někteří vědci se domnívají, že nedávno objevený Higgsův boson je inflatonová částicí, pro kterou oni hledali. Možná jsou tyto dvě částice totéž.
3 Bateman Particle
Navržený týmem, vedeným Jamesem Batemanem, tato nepojmenovaná částicka je dalším kandidátem na černou hmotu. Batemanova částice je mnohem těžší než axion, ale stále jen zlomek hmotnosti elektronu. Stejně jako ostatní kandidáti na temnou hmotu by nová částicka byla zcela neviditelná, protože by se neměla vzájemně ovlivňovat světlem.Bude to však interagovat s normální hmotou, vysvětlující některé anomálie kolem temné hmoty.
Zajímavou vlastností této nové částice je to, že její interakce s normální hmotou je účinná pouze v dlouhých rozmezích nebo v silných gravitačních polích. Tak by nová Země byla zcela neovlivněna.
Bateman se domnívá, že jeho částice budou schopny cestovat po Zemi a její atmosféře, aniž by narazily na jiné částice nebo byly detekovatelné, protože mají tak malou hmotnost. Mnoho Batemanových částic by se mohlo protékat právě teď. Je-li částic skutečný, ukázalo by se, že tmavá hmota prostupuje vesmír mnohem víc, než se dříve domnívalo.
Nicméně, tato nenahraná částice je tak slabě interagující, že je extrémně obtížné navrhnout experiment, který by ji zjistil. Právě teď je výrok stále o existenci částice Bateman. Dokud nebudou existovat lepší experimenty, Batemanova částice prostě zůstane zajímavou možností.
2 Planckovy částice
Klíčovou hodnotou v kvantové mechanice je vlnová délka Compton charakteristikou částice, která závisí na jeho hmotnosti a ukazuje její vztah k energii fotonů. Pokud se vlnová délka částice částice Compton rovná jeho poloměru Schwarzschild, jedná se o planckovou částicu.
Poloměr Schwarzschild ukazuje, jak daleko můžete stlačit objekt předtím, než gravitace přemůže ostatní fyzické síly ve vesmíru a vytvoří černou díru. Při této velikosti by úniková rychlost z povrchu objektu byla větší než rychlost světla, která je definující charakteristikou černé díry. Planckovy částice jsou tak kompaktní, že se změnily v černé díry.
Planckovy částice mají vlastnosti rovnající se konstantám Planckovy hmotnosti a velikosti. Část této povahy by měla vážit tolik jako Planckova hmotnost (desetinásobek hmoty protonu) a být velmi malá (desetinásobek průměru protonu). To činí částice Planck extrémně hustou.
Tyto divné částice jsou pro fyzice zajímavé. Zpočátku byly právě zavedeny do rovnic jako způsob, jak vyčíslit rozměry výsledku. Nyní jsou zajímavé, protože mohou mít klíč k tomu, aby kvantová mechanika a obecná relativita pracovaly společně.
Kosmologové se také zajímají o Planckovy částice, protože mohly existovat ve velkém množství v raném vesmíru. Zahrnutím planktonové částice do kosmologických modelů vědci dokázali zjistit, že časný úpadek Planckových částic mohl mít za následek pozorované vlastnosti částic v naší éře vesmíru.
1 Negativní hmotnost
Většina lidí je obeznámena s myšlenkou antičástice, která má opačný náboj svého běžného společníka. Například elektron má náboj -1 a jeho antipartikul, pozitron, má náboj +1. Teoretickí fyzici rozšířili tuto myšlenku na hmotu a postulovali novou sadu částic, které mají opačný objem našich normálních částic.
To je docela zvláštní koncept. Pokud byste měli hmotnost 1 kilogramu, stejné množství záporné látky by bylo -1 kilogram. Antipartikuly mají kladné hmotnosti, ale opačné náboje. Negativní záležitost je ve své vlastní lize. Pokud by záporná záležitost existovala, pomohlo by to řešit některé z nejzajímavějších problémů ve fyzice. Například to by vedlo ke sjednocení obecné relativity a kvantové mechaniky.
Fyzikové zkoumají zápornou záležitost, protože by umožnili lidem objevit způsoby cestování vesmírem. Obecná relativita uvádí, že záporná hmota odrazí všechny ostatní záležitosti, a to jak negativní, tak pozitivní. Takže pokud by mohla být využita záporná hmota, dovolilo by to lidem, aby rozložili časoprostor a případně otevřeli červí díry, kterými by lodě mohly cestovat.
Výzkumní pracovníci také provádějí negativní masový výzkum, protože nám mohou pomoci pochopit šíp času a některé z nejasných konceptů o černých dírách. Záporná hmota by se také mohla použít k vytvoření plazmatu, která by absorbovala gravitační vlny. Bohužel, vytváření záporné hmoty je daleko, ale je jasné, že tyto nové subatomové částice by mohly způsobit revoluci v oblasti vědy a vesmírného cestování.