10 teoretických částic, které by mohly vysvětlit vše

Po celé věky se lidstvo vynořilo do tajemství, které obklopovalo přesné složení vesmíru. Starověcí Řekové byli první, kdo předpokládali existenci atomů, které věřili, že jsou to nejmenší částice ve vesmíru - "stavební kameny" všeho. Přibližně 1500 let to bylo nejvíce věcí o hmotě. Pak, v roce 1897, objev elektronů opustil vědecký svět v troskách. Stejně jako molekuly byly vyrobeny z atomů, zdálo se, že atomy mají své vlastní složky.

A čím hlouběji jsme se podívali, tím více odpovědí vypadalo, že prolétly prsty, vždy mimo dosah. Dokonce i protony a neutrony - stavební kameny atomů - jsou vyrobeny z stále menších kusů nazývaných kvarky. Každý objev jen zdánlivě vyvolává další otázky. Jsou čas a prostor jen svazky a hromady malých nabitých drobků příliš malých, aby je viděli dokonce? Možná - ale pak znovu, tyto deseti teoretické částice by mohly vysvětlit vše. Kdybychom je skutečně našli:

10

Strangelets

Začněme s něčím nejblíže tomu, co již známe - kvarky. Existuje více než jeden typ kvarků: šest, přesně. Kvarky "nahoru" a "dolů" jsou nejběžnější typy, a to jsou to, co staví do protonů a neutronů atomů. "Strange" kvarky, na druhé straně, nejsou tak běžné. Když se podivné kvarky kombinují se stejným počtem kvarků nahoru a dolů, vytvářejí částice nazývané cizí a divné útvary jsou chabé fragmenty, které se staví do podivné záležitosti.

Teď, podle hypotézy o podivných věcech, jsou v přírodě vytvořeny cizoložky, když masivní neutronová hvězda - vysoko-hromadná hvězdná hvězda - staví tolik tlaku, že elektrony a protony v jádře dohromady splynou, pak se zhroutí dále do hustého kvarková bublina, kterou nazýváme podivnou záležitostí. A protože teoreticky mohou existovat velké mimořádné hranice mimo prostředí s vysokým tlakem uprostřed hvězd, je pravděpodobné, že se od těchto hvězd odpluly a do jiných solárních systémů - včetně našich vlastních.

A to je místo, kde se zblázní. Pokud by tyto věci existovaly, velká cizinec by dokázala přeměnit atomové jádro na jinou cizí stranu tím, že se s ním střetne. Nový cizinec by se pak mohl srazit s dalšími jádry a přeměnit je na další podivné reakce v řetězové reakci, dokud se veškerá záležitost na Zemi nezměnila v podivnou záležitost. Ve skutečnosti zařízení Large Hadron Collider muselo vydat tiskové prohlášení, v němž uvedlo, že je nepravděpodobné, že náhodou vytvoří cizí věci, které by mohly zničit planetu. Tak vážně vědecká komunita zajímá záležitost cizích lidí.

9

Sparticles

Teorie supersymetrie uvádí, že každá částice ve vesmíru má opačnou dvojici částic - známou jako supersymetrickou částicí nebo částic. Takže kvůli každému kvarku je tam sestra - squark -, která s ním sdílí dokonalou symetrii. Pro každý foton je foton. A tak na všech šedesát jedna známých elementárních částic. Takže pokud je tolik z nich, proč jsme se nepoznali žádný z nich ještě?

Zde je teorie: v částicové fyzice se těžší částice rozpadají rychleji než lehčí částice. Pokud se částice dostane dostatečně těžké, rozpadne se téměř okamžitě, jakmile je vytvořena. Takže za předpokladu, že jsou ty skutky neuvěřitelně těžké, rozpadnou se v očích, zatímco jejich superpartéři - částice, které vidíme a pozorujeme - žijí dál. Mohlo by to také vysvětlit, proč je ve vesmíru tolik hmoty, ale vzácná malá tmavá hmota, protože tyto čaroděje by mohly obsahovat temnou hmotu a existují v oblasti, která je - tak daleko nepozorovatelná.

8

Antipartikuly

Materiál je vyroben z částic - a podobně, antihmoty jsou vyrobeny z antičástic. To všechno dává smysl, ne? Antipartikuly mají stejnou hmotnost jako normální částice, ale opačný náboj a protilehlý moment hybnosti (spin). Zní to jako supersymetrická teorie, ale na rozdíl od částic se antipartikly chovají stejně jako částice - dokonce se staví na anti-elementy, jako antihydrogen. V podstatě má každá záležitost odpovídající antihmotu.

Nebo alespoň, mělo by to být. To je ten problém - je tam spousta věcí, ale antihmota se prostě vůbec nezdá. (Kromě toho, že byly nalezeny antipartikuly a nejsou již teoretické), kromě velkého obsahu komplexního Hadrona.

Během Velkého třesku by mělo být stejné množství částic a antičástic. Myšlenkou je, že v tomto bodě byla vytvořena veškerá záležitost ve vesmíru. Takže ve výchozím nastavení musí být všechny antihmoty vytvořeny současně. Jedna teorie spočívá v tom, že existují další části vesmíru ovládané antihmotou. Všechno, co vidíme, i ty vzdálené hvězdy, je většinou záležitostí. Ale náš viditelný vesmír by mohl být jen malý úsek vesmíru, zatímco planety proti slunci a slunce a galaxie se rodí v jiné sféře vesmíru, jako naproti tomu nabité elektrony a protony, které se v atomu otáčejí kolem sebe.

7

Gravitons

Právě teď jsou antičástice obrovským problémem v teorii současné fyziky částic. Dávejte pozor na další problém? Gravitace. Ve srovnání s jinými silami, jako je elektromagnetismus, je gravitace slabší, než kýchání cestou pěstí. Zdá se také, že mění svou povahu založenou na hmotnosti objektu gravitace je snadné pozorovat na planetách a hvězdách, ale dostat se na úroveň molekul a zdá se, že dělá cokoliv chce. A kromě toho nemá dokonce ani částice, které by ji nesly, jako fotony, které nesou světlo.

To je místo, kde graviton přijde dovnitř. Graviton je teoretická částicová složka, která by určitě umožnila, aby gravitace odpovídala stejnému modelu jako každá jiná pozorovatelná síla.Protože gravitační síla působí na každý objekt slabým způsobem, bez ohledu na vzdálenost, bude muset být bez hromady. Ale to není problém - fotony jsou bez hromady a byly nalezeny. Došli jsme tak daleko, abychom definovali přesné parametry, které by graviton musel zapadnout, a jakmile najdeme částicu - nějakou částicu - která odpovídá těmto parametrům, budeme mít graviton.

Zjištění, že to bude důležité, protože v současné době je obecná relativita a kvantová fyzika neslučitelná. Ale na určité přesné energetické úrovni, známou jako Planckova stupnice, gravitace přestane po pravidlech relativity a proklouzne do kvantových pravidel. Řešení závažnosti by proto mohlo být klíčem k jednotné teorii.

6

Gravifotony

Existuje další teoretická gravitační část a je to naprosto krásné. Graviphoton je částice, která by vznikla, když je gravitační pole vzrušeno v páté dimenzi. Vychází z Kaluzy Kleinovy ​​teorie, která navrhuje, že elektromagnetismus a gravitace mohou být sjednoceny do jediné síly pod podmínkou, že ve vesmíru existují více než čtyři rozměry. Graviton bude mít vlastnosti gravitonu, ale také by přinesl vlastnosti fotonu a vytvořit to, co fyzici nazývají "pátou silou" (v současné době existují čtyři základní síly).

Jiné teorie uvádějí, že gravifoton by byl superpartner (jako skřetnice) gravitonů, ale že by ve skutečnosti přitahoval a odpuzoval zároveň. Díky tomu může graviton teoreticky vytvářet proti gravitaci. A to je pouze v pátém rozměru - teorie supergravity také předpokládá existenci gravifotonů, ale umožňuje jedenáct dimenzí.

5

Preons

Jaké jsou kvarky? Nejprve se podívejme na měřítko. Jádro zlata má sedmdesát devět protonů. Každý proton je tvořen třemi kvarky. Nyní je šířka jádra tohoto atomu zlata asi osm femtometrů. To je osm milionů nanometrů a nanometr je již jedna miliardtina metru. Takže jen souhlasíme s tím, že kvarky jsou malé a uvědomují si, že částice preons-sub-quarků by musely být tak nekonečně malé, že v současnosti neexistuje měřítko, které by mohlo měřit jejich velikost.

Existují další slova používaná k popisu teoretických stavebních kvarků, včetně primonů, subquarků, kvinčíků a tweedlů, ale obecně je nejpřijatelnější "preon". A preony jsou důležité, protože právě kvarky jsou základní částice - jsou tak nízké, jak můžete jít. Kdyby se zjistilo, že jsou složené nebo vyrobené z jiných kusů, mohou otevřít dveře tisíce nových teorií. Například, jedna teorie právě teď uvádí, že nepolapitelný antihmotný vesmír je ve skutečnosti obsažen v preonech, a proto má všechno v sobě zablokované části antihmoty. Podle této teorie jste součástí antihmoty sám - prostě to nemůžete vidět, protože části záležitosti se staví do větších bloků.

4

Tachyony

Nic se blíží průniku známých zákonů relativity než tachyon. Je to částice, která se pohybuje rychleji než světlo, a pokud by existovalo, naznačovalo by to, že bariéra rychlosti světla je ... no, už to není bariéra. Ve skutečnosti by to znamenalo, že rychlost, kterou známe jako rychlost světla, bude středem - stejně jako normální částice se mohou pohybovat nekonečně pomalu (vůbec se nepohybují), tachyon nacházející se na druhé straně bariéry by byl schopný se pohybovat nekonečně rychle.

Bizarně by se jejich vztah k rychlosti světla odrazil. Jednoduše řečeno, když se zrychlí normální částice, zvyšují se její energetické potřeby. Aby se skutečně prolomila světelná bariéra, její energetické potřeby se staly nekonečnými - potřebovala by to nekonečnou energii. Pro tachyon, čím pomalejší to jde, tím více energie potřebuje. Jak se zpomaluje a přiblíží se rychlosti světla z druhé strany, jeho energetické požadavky se stávají nekonečnými. Ale když se zrychlí, energetické nároky klesají, dokud nebude potřebovat vůbec žádnou energii k pohybu nekonečnou rychlostí.

Přemýšlejte o tom jako o magnetu - máte jeden magnet nalepený na zeď a druhý v ruce. Když zatlačíte magnet směrem ke stěně s vyrovnanými póly, váš magnet je odpuzován. Čím blíže to dáte, tím těžší je třeba tlačit. Nyní si představte, že na druhé straně stěny je další magnet, děláte totéž. Magnet na stěnu je rychlost světla a dva magnety jsou tachyony a normální částice. Takže i kdyby existovaly tachyony, byly by navždy uvězněny na opačné straně bariéry, kterou my sami nemůžeme projít. Ačkoli jsme zapomněli zmínit, že by mohli být technicky využit a posílat zprávy do minulosti.

3

Struny

Téměř všechny částice, o kterých jsme hovořili, se nazývají bodové částice; kvarky a fotony existují jako jediný bod - malá tečka, pokud to bude - s nulovými rozměry. Teorie řetězce naznačuje, že tyto elementární částice nejsou ve skutečnosti body - jsou to řetězce, jednosměrné částicové částice. Ve své podstatě je teorie strun teorií všeho, co dokáže koexistovat jak s gravitací, tak s kvantovou fyzikou (založené na tom, co právě teď víme, že tyto dva nemohou fyzicky existovat ve stejném prostoru - gravitace nefunguje v kvantovém úroveň).

Takže v širokém smyslu, teorie strun je vlastně kvantová teorie gravitace. A pro porovnání, struny nahradí preony jako stavební bloky kvarků, zatímco na vyšších úrovních zůstává vše stejné. A v teorii řetězců se řetězec může na základě způsobu, jakým se formuje, proměnit v něco. Pokud je řetězec otevřeným vláknem, stává se fotonem. Pokud se konce stejného řetězce spojují a vytvářejí smyčku, stává se gravitonem - v podstatě stejným způsobem, že se stejný kus dřeva může stát buď domem nebo flétnou.

Ve skutečnosti existují více teorií řetězců a zajímavě každý z nich předpovídá rozdílný počet rozměrů. Většina těchto teorií uvádí, že existuje deset nebo jedenáct dimenzí, zatímco teorie bionických strun (nebo superstringová teorie) vyžaduje ne méně než dvacet šest. V těchto dalších rozměrech by gravitace měla stejnou nebo větší sílu než jiné základní síly, vysvětlovat, proč je v našich třech prostorových rozměrech tak slabá.

2

Brány

Pokud opravdu chcete vysvětlit závažnost, musíte se podívat na M-teorii nebo teorii membrány. Membrány nebo bary jsou částice, které jsou schopné zahrnovat více rozměrů. Například 0-brane je bodovitá branka, která existuje v nulových rozměrech, jako je kvark. 1-brane má jednu dimenzi - řetězec. 2-brane je dvourozměrná membrána a tak dále. Vyšší rozměrové branky mohou mít jakoukoli velikost - což vede k teorii, že náš vesmír je opravdu jedna velká branka se čtyřmi rozměry. Ta branka - náš vesmír - je jen kus vícerozměrného prostoru.

A co se týče gravitace, naše čtyřdimenzionální branka nemůže jednoduše obsahovat, takže gravitační energie uniká do jiných bran, když je přenáší do vícerozměrného prostoru; máme jen ty dribly z toho, co zbylo, a proto se zdá být tak slabé ve srovnání s jinými silami.

Extrapolace to, to dává smysl, že tam je mnoho bran se pohybuje přes tento prostor-nekonečné branes v nekonečném prostoru. A odtud máme teorie multiverse a cyklického vesmíru. Druhý uvádí, že vesmír se cykluje: rozšiřuje se z energie Velkého třesku, pak gravitace vytáhne vše zpět do stejného prostoru pro Velký Crunch. Tato kompresní energie započne jiný Velký třesk, poskakuje vesmír do jiného cyklu, jako buňka, která se rozplývá do života a pak umírá.

1

Boží částice

Higgsův boson, běžněji známý jako božská částice, byl pokusně nalezen 14. března 2013 v Large Hadron Collider (9). Jako trochu pozadí, Higgsův boson byl nejprve hypotéz v šedesátých létech jako částice, která dává hmotu jiným částicím.

V podstatě se Božská částice vyrábí v oblasti Higgsa a byla navržena jako způsob, jak vysvětlit, proč některé částice, které by měly mít hmotu, byly ve skutečnosti bez hmoty. Higgsovo pole - které nikdy nebylo pozorováno - by muselo existovat po celém vesmíru a poskytovat sílu potřebnou pro získání jejich hmoty. A kdyby to byla pravda, zaplnila by to obrovské mezery v Standardním modelu, což je základní vysvětlení doslova všechno (kromě gravitace, jako vždy).

Higgsův boson je životně důležitý, protože dokazuje, že Higgsovo pole existuje, a vysvětluje, jak se může energie uvnitř Higgsova pole projevit jako masová. Ale je to také důležité, protože vytváří precedens; než byl objeven, byl Higgsův boson jen teorií. Měla matematické modely, fyzické parametry, které by umožňovaly existenci, jak by se mělo točit - vše. Prostě jsme neměli žádný důkaz o jeho existenci. Ale na základě těchto modelů a teorií jsme dokázali přesně určit konkrétní částice - nejmenší věc ve známém vesmíru -, které odpovídalo všemu, co jsme předpokládali.

Kdybychom to dokázali jednou, kdo by řekl, že některé z těchto částic nemohou být skutečné? Tachyony, cizoložky, gravitony - částice, které by posunuly vše, co víme o životě a vesmíru, a přiblížily by nám skutečné pochopení základů světa, ve kterém žijeme.

Andrew Handley

Andrew je spisovatelka na volné noze a majitel sexy, sexy HandleyNation Content Service. Když nepsal, obvykle jde o pěší turistiku nebo horolezectví nebo si užívá čerstvého vzduchu v Severní Karolíně.