Найдрібніші частинки. Наскільки вони фундаментальні?

З чого складається на базовому, фундаментальному рівні? Існує найдрібніший з можливих цеглинку або набір цеглинок, з яких можна побудувати буквально все в нашій Всесвіту і які не можна розділити на щось ще менше? На це питання у науки є багато цікавих відповідей, втім, які не можна назвати фінальними і остаточними. Тому що у фізиці, завжди є місце для невизначеності, особливо коли мова заходить про те, що ми знайдемо в майбутньому.

Якщо б ви хотіли дізнатися, з чого складається Всесвіт, з чого б ви почали? Тисячі років тому уяву і логіка були найкращими інструментами, доступними людині. Ми знали про матерії, але поняття не мали, з чого вона складається. Передбачалося, що існує декілька фундаментальних інгредієнтів, які можна поєднувати і об'єднувати різними способами, у різних умовах — щоб створити все суще.

Ми могли експериментально продемонструвати, що матерія, будь вона тверда, рідка або газоподібна, займає простір. Ми могли показати, що вона володіє масою. Ми могли об'єднати її в великі кількості або розбити на більш дрібні. Але розбити матерію і отримати доступ до найдрібніших компонентів, які покажуть, наскільки «фундаментальної» вона може бути, це вже трохи інше. Цього ми не могли.

Деякі вважали, що матерія може складатися з різних елементів, таких як вогонь, земля, повітря і вода. Інші вважали, що існує лише один фундаментальний компонент реальності — монада — з якої все інше виходить і збирається. Інші ж, такі як піфагорійці, вважав, що повинна існувати геометрична математична структура, що встановлює правила для реальності, а збірка цих структур призвела до появи відомої нам Всесвіту.

Ідея того, що істинно фундаментальна частинка справді існує, втім, сходить до Демокріту Абдерскому, який жив 2400 років тому. Хоча це була лише ідея, Демокріт вважав, що вся матерія складається з неподільних частинок, які він назвав атомами («ἄτομος» по-грецьки означає «неподільний»). Атоми, на його думку, об'єднуються на тлі порожнього простору. Хоча його ідеї містили багато інших дивних деталей, поняття фундаментальних частинок закріпилося і залишилося.

Візьміть будь-який шматок матерії, який ви хочете, і спробуйте його розрізати. Потім розбийте його ще на менші частини. Кожен раз, коли вам це вдається, розбивайте і розбивайте, поки сама ідея розрізання не втратить сенс: наступний шар товщі вашого «ножа». Макроскопічні об'єкти стають мікроскопічними; складні сполуки стають простими молекулами; молекули стають атомами; атоми стають електронами й атомними ядрами; атомні ядра стають протонами і нейтронами, які і самі діляться на кварки і глюони.

На самому меншому з можливих рівнів ми можемо звести все, що знаємо, до фундаментальних, неподільним, подібним часткам об'єктів: кваркам, лептонам і бозонам Стандартної моделі.

Що стосується фізичних величин, вони визначаються правилами квантової фізики. Кожен квант у Всесвіті — структура з ненульовою енергією, може бути описаний як містить певну кількість енергії. Оскільки все, що існує, можна описати як у вигляді частки, так і у вигляді хвилі, ви можете встановити обмеження і межі на фізичні розміри для будь-яких таких квантів.

В той час як молекули можуть чудово описувати реальність на нанометровому рівні (10^-9 метра), а атоми прекрасно описують реальність в масштабах Ангстрема (10^-10 метра), атомні ядра ще менше, і окремі протони і нейтрони йдуть в масштаби до фемтометра (10^-15) метра. Частинки Стандартної моделі і того менше. На енергіях, які ми змогли випробувати, ми можемо з упевненістю сказати, що всі відомі частинки є точковими і структурно-вільними до 10^-19 метрів.

Кращі з наших експериментальних знань дозволяють нам назвати ці частинки фундаментальними по своїй природі. Частки і античастки, а також бозони Стандартної моделі є фундаментальними з експериментальної і теоретичної точок зору. І чим вище енергії частинок, тим гостріше проявляється структура реальності.

Великий адронний колайдер дозволяє нам обмежити масштаби фундаментальних частинок таким чином, але колайдери майбутнього або надзвичайно чутливі експерименти з космічними променями могли б просунути нас на багато порядків далі: до 10^-21 або навіть до 10^-26 для самих екстремальних енергетично космічних променів.

При всьому цьому, ці ідеї накладають обмеження тільки на те, що ми знаємо і можемо стверджувати. З них випливає, що якщо ми зіштовхуємо частку (або античастицу, або фотон) з деякою кількістю енергії з іншого часткою в стані спокою, то уражена частка буде вести себе в фундаментально точкової манері в межах наших експериментів, детекторів і досяжних енергій. Ці експерименти встановлюють емпіричний межа того, наскільки великими можуть бути мислимі фундаментальні частинки, і колективно називаються експериментами по глибокому неупругому розсіювання.

чи Означає це, що ці частинки дійсно фундаментальні? Зовсім ні. Вони можуть бути:

• і далі подільні, тобто їх можна розбити на компоненти поменше;
• резонансом один одного, коли більш важкі «кузени» легких частинок представляють збуджений стан або складові версії легенів;
• зовсім не частками, а швидше частками на вигляд збільш глибокої підлеглою структурою.

Ці ідеї рясніють сценаріями начебто техниколора (і ці сценарії були обмежені після виявлення бозона Хіггса, однак не виключені), але найбільш помітно представлені в теорії струн.

Немає ніякого непорушного закону, вимагає, щоб все було зроблено з частинок. Реальність на основі частинок — це теоретична ідея, яка підтримується та узгоджується з експериментами, але наші експерименти обмежені в енергії і тієї інформації, яку можуть розповісти нам про фундаментальної реальності. У сценарії на кшталт теорії струн всі так звані «фундаментальні частинок» можуть бути не більш ніж струною, вібруючої або обертається з певною частотою, що володіє відкритою (з двома не зв'язаними кінцями) природою або закритою (коли два кінця пов'язані). Струни можуть розщеплюватися, утворюючи два кванта там, де до цього був один, або з'єднуватися, створюючи один квант з двох раніше існуючих.

На фундаментальному рівні немає ніякого вимоги, щоб компоненти нашого Всесвіту були нуль-мірними точковими частками.

Існує безліч сценаріїв, в яких нерозгадані таємниці нашого Всесвіту, такі як темна матерія і темна енергія, взагалі не складаються з часток, а скоріше з рідини або представлені властивістю простору. Природа простору-часу сама по собі невідома; воно може бути фундаментально квантовим або неквантовым за природою, може бути дискретним або безперервним.

Частинок, відомих нам зараз, які ми вважаємо фундаментальними, можуть мати або кінцевий, ненульовий розмір в одному або більше вимірів, або вони можуть бути істинно точковими, потенційно аж до довжини Планка або навіть менше.

найважливіше, що потрібно розуміти, це те, що все, що ми знаємо в науці, це умовності. У тому числі фундаментальність частинок. Немає нічого, що було б непорушно або незмінно. Всі наші наукові знання — це лише найкраще наближення до реальності, яке нам вдалося побудувати до теперішнього часу. Теорії, які найкращим чином описують нашу Всесвіт, можуть пояснити всі спостережувані явища, створювати нові, потужні, перевіряються передбачення і не мають альтернатив.

Але це не означає, що правильні в будь-якому абсолютному сенсі. Наука завжди прагне зібрати більше даних, вивчати нову територію і сценарії і переглядати себе, якщо виникне конфлікт. Частинки, відомі нам, виглядають фундаментальними сьогодні, але це не гарантує, що природа буде продовжувати вказувати на існування більш фундаментальних частинок, якщо ми продовжить занурення в суть цих частинок.

Як думаєте, чи існують більш фундаментальні частинки? Розкажіть в нашому