Как заряды и массы создают Вселенную вокруг нас.

От мельчайших субатомных масштабов до величайших космических структур — все сущее зависит от двух вещей: заряда и массы.

КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ

• Трудно поверить, но невероятно богатый и разнообразный мир и Вселенная, которые мы видим вокруг себя, в своей основе состоят всего из нескольких различных видов фундаментальных частиц. 
• Кварки связываются вместе, образуя протоны и нейтроны, которые образуют ядра, которые (вместе с электронами) образуют атомы, которые, соединяясь, образуют молекулы, планеты, звезды, галактики и многое другое. В чем причина того, что все эти структуры существуют с теми свойствами, которыми они обладают сегодня? На фундаментальном уровне это диктуется двумя простыми вещами: массой и зарядом. Вот как.

Когда мы изучаем все существующее, от атомов и молекул до макроскопических объектов, планет и звезд и даже более грандиозных структур, мы сталкиваемся с захватывающей загадкой: тот факт, что все, что мы видим, наблюдаем и знаем, состоит из одного и того же небольшого набора фундаментальных частиц. Существует всего несколько десятков частиц и античастиц, которые существуют как часть Стандартной модели, наряду с все еще загадочной темной материей и темной энергией. Насколько бы простой ни была сама Стандартная модель, для понимания почти всего требуется всего несколько частиц:

• верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны,
• глюоны, которые удерживают протоны, нейтроны и все атомные ядра вместе,
• электроны, которые связываются с атомными ядрами, образуя нейтральные атомы,

• фотон, который является частицей, передающей электромагнитную силу, и представляет собой квант, связанный со светом,
• и нейтрино (и его антивещественный аналог, антинейтрино), играющие важную роль в слабом ядерном взаимодействии, но в остальном имеющие относительно небольшое космическое значение.

Наряду с темной материей и темной энергией, эти простые виды фундаментальных частиц в первую очередь ответственны за создание Вселенной, которую мы знаем, вместе со всем, что в ней есть. Возможно, даже более глубоко, всего два свойства этих фундаментальных частиц, заряды и массы, в конечном счете ответственны за огромное разнообразие структур, которые могут существовать в нашей Вселенной, поскольку законы физики работают одинаково, последовательно каждый раз, когда дело касается каждой комбинации этих фундаментальных частиц. Только заряд и масса, во всех их перестановках, порождают всю известную Вселенную. Вот как.

Кварки, антикварки и глюоны стандартной модели имеют цветовой заряд, в дополнение ко всем другим свойствам, таким как масса и электрический заряд. Все эти частицы, за исключением глюонов и фотонов, испытывают слабое взаимодействие. Только глюоны и фотоны не имеют массы; все остальные, даже нейтрино, имеют ненулевую массу покоя.

Выше вы можете увидеть заряд различных частиц Стандартной модели. Есть фермионы: шесть ароматов кварка и соответствующие им антикварки, три вида заряженных лептонов (электрон, мюон и тау), а также их античастичные аналоги, вместе с тремя типами нейтрино и антинейтрино. Есть также бозоны: восемь глюонов, три тяжелых слабых бозона (частицы W и Z), фотон и бозон Хиггса. Кварки, заряженные лептоны, частицы W и Z, а также бозон Хиггса имеют существенные массы, в то время как нейтрино и антинейтрино имеют лишь крошечные массы, а глюоны и фотоны вообще не имеют массы покоя. Однако то, что действительно отличает эти различные виды частиц друг от друга, выходит далеко за рамки их масс и того, являются ли они фермионами (с полуцелым спином) или бозонами (с целым спином). Также важно, как эти частицы (и античастицы) заряжены, что определяет, с какими силами они взаимодействуют.

• Кварки и глюоны обладают присущим им цветным зарядом, что позволяет им испытывать сильное ядерное взаимодействие, которое передается через глюоны.

• Кварки и заряженные лептоны имеют присущий им электрический заряд (как и W- и Z-бозоны), что позволяет им взаимодействовать электромагнитно, где электромагнитная сила передается фотоном.

• Существуют также слабый изоспин и слабый гиперзаряд, присущие всем кваркам и лептонам (т. е. всем фермионам), которые обеспечивают взаимодействие посредством слабой ядерной силы, опосредованной W- и Z-бозонами.

Эти три типа взаимодействия, если объединить их с гравитацией (которая наиболее известна взаимодействием с массивными частицами, но влияет также и на безмассовые), позволяют частицам Стандартной модели собираться вместе и создавать знакомую нам Вселенную.

Ранняя Вселенная была полна материи и излучения, и была настолько горячей и плотной, что это не позволяло всем составным частицам, таким как протоны и нейтроны, стабильно формироваться в течение первой доли секунды. Была только кварк-глюонная плазма, а также другие частицы (такие как заряженные лептоны, нейтрино и другие бозоны), проносящиеся вокруг со скоростью, близкой к скорости  света. Этот первичный суп состоял из частиц, античастиц и излучения: высокосимметричное состояние.

Когда мы изучаем все существующее, от атомов и молекул до макроскопических объектов, планет и звезд и даже более грандиозных структур, мы сталкиваемся с захватывающей загадкой: тот факт, что все, что мы видим, наблюдаем и знаем, состоит из одного и того же небольшого набора фундаментальных частиц. Существует всего несколько десятков частиц и античастиц, которые существуют как часть Стандартной модели, наряду с все еще загадочной темной материей и темной энергией. Насколько бы простой ни была сама Стандартная модель, для понимания почти всего требуется всего несколько частиц:

• верхние и нижние кварки, из которых состоят протоны и нейтроны,
• глюоны, которые удерживают протоны, нейтроны и все атомные ядра вместе,
• электроны, которые связываются с атомными ядрами, образуя нейтральные атомы,
• фотон, который является частицей, передающей электромагнитную силу, и представляет собой квант, связанный со светом,
• и нейтрино (и его антивещественный аналог, антинейтрино), играющие важную роль в слабом ядерном взаимодействии, но в остальном имеющие относительно небольшое космическое значение.

Наряду с темной материей и темной энергией, эти простые виды фундаментальных частиц в первую очередь ответственны за создание Вселенной, которую мы знаем, вместе со всем, что в ней есть. Возможно, даже более глубоко, всего два свойства этих фундаментальных частиц, заряды и массы, в конечном счете ответственны за огромное разнообразие структур, которые могут существовать в нашей Вселенной, поскольку законы физики работают одинаково, последовательно каждый раз, когда дело касается каждой комбинации этих фундаментальных частиц. Только заряд и масса, во всех их перестановках, порождают всю известную Вселенную. Вот как.

Выше вы можете увидеть заряд различных частиц Стандартной модели. Есть фермионы: шесть ароматов кварка и соответствующие им антикварки, три вида заряженных лептонов (электрон, мюон и тау), а также их античастичные аналоги, вместе с тремя типами нейтрино и антинейтрино. Есть также бозоны: восемь глюонов, три тяжелых слабых бозона (частицы W и Z), фотон и бозон Хиггса. Кварки, заряженные лептоны, частицы W и Z, а также бозон Хиггса имеют существенные массы, в то время как нейтрино и антинейтрино имеют лишь крошечные массы, а глюоны и фотоны вообще не имеют массы покоя. Однако то, что действительно отличает эти различные виды частиц друг от друга, выходит далеко за рамки их масс и того, являются ли они фермионами (с полуцелым спином) или бозонами (с целым спином). Также важно, как эти частицы (и античастицы) заряжены, что определяет, с какими силами они взаимодействуют.

• Кварки и глюоны обладают присущим им цветным зарядом, что позволяет им испытывать сильное ядерное взаимодействие, которое передается через глюоны.
• Кварки и заряженные лептоны имеют присущий им электрический заряд (как и W- и Z-бозоны), что позволяет им взаимодействовать электромагнитно, где электромагнитная сила передается фотоном.
• Существуют также слабый изоспин и слабый гиперзаряд, присущие всем кваркам и лептонам (т. е. всем фермионам), которые обеспечивают взаимодействие посредством слабой ядерной силы, опосредованной W- и Z-бозонами.

Эти три типа взаимодействия, если объединить их с гравитацией (которая наиболее известна взаимодействием с массивными частицами, но влияет также и на безмассовые), позволяют частицам Стандартной модели собираться вместе и создавать знакомую нам Вселенную.

Хотя наша Вселенная прошла ряд космических шагов, чтобы создать структуры внутри нее , нам не нужно, чтобы горячий Большой взрыв повторялся, чтобы понять их в лабораторных условиях. Простое начало с необходимых частиц (или, в случае составных частиц, их составляющих) при правильных условиях энергии и плотности неизбежно приведет к конечному созданию связанных, тяжелых структур, которые являются стабильными или квазистабильными даже при современных низких энергиях. На раннем этапе космической истории все было настолько горячим и плотным, что у нас не было протонов, нейтронов или любой другой формы адронов; у нас были только свободные кварки (и антикварки) и глюоны, присутствующие в горячем, плотном состоянии материи, известном как кварк-глюонная плазма. По прошествии всего лишь короткой доли секунды эти кварки и глюоны оказываются связанными вместе в протоны и нейтроны: очень массивные составные частицы по сравнению с легкими кварками и безмассовыми глюонами, которые их составляют. Несмотря на то, что кварки имеют электрические заряды, и хотя одноименно заряженные кварки имеют электрические заряды, и хотя одноименно заряженные кварки электрически отталкиваются друг от друга, у них также есть цветовой заряд. Этот цветовой заряд приводит к силе между кварками — опосредованной глюонами — которая по своей природе подобна пружине: она стремится к нулю на очень коротких расстояниях, как нерастянутая пружина, но становится большой и притягивающей (и, что важно, более мощной, чем даже электромагнитная сила) на больших расстояниях. Энергия сильных взаимодействий, заключенная в глюонных полях, огромна: она отвечает за ~99% массы покоя (через E = mc² ) протона и нейтрона, в то время как масштаб расстояний электромагнитных и сильных взаимодействий в совокупности приводит к тому, что физический размер барионов, таких как протоны и нейтроны, составляет чуть менее 1 фемтометра (10 ^-15 метра).

При высоких энергиях (малых расстояниях) сила взаимодействия сильного взаимодействия падает до нуля. На больших расстояниях она быстро увеличивается. Это идея асимптотической свободы, которая была экспериментально подтверждена с большой точностью и применима к кваркам в любых и всех связанных состояниях.

Затем протоны и нейтроны — изначально свободные частицы в ранней Вселенной, при их создании — могут быть объединены вместе: либо в горячих, плотных условиях, которые присутствовали во время горячего Большого взрыва, либо позднее в недрах достаточно массивных, горячих звезд. Хотя протоны и нейтроны:

• массивны,
• либо положительно заряжены (протоны), либо электрически нейтральны,
• и не имеют чистого цветового заряда (состоят из трех цветных кварков, красного + зеленого + синего, что в совокупности дает «белый» или «бесцветный»),

они по-прежнему являются составными сущностями, которые в своей основе состоят из кварков и глюонов. Эти кварки, в частности, хотя у них есть собственные массы и электрические заряды, также имеют цветовой заряд, по отдельности. Несмотря на то, что протоны и нейтроны в целом не обладают чистым цветовым зарядом, их цветные заряженные составляющие (кварки) могут взаимодействовать не только друг с другом, но и с другими цветными заряженными частицами (т. е. другими кварками), которые находятся достаточно близко к ним. Это приводит к явлению, обычно называемому «остаточным сильным взаимодействием», где вместо моделирования сильной ядерной силы между отдельными кварками путем обмена глюонами, мы моделируем сильную ядерную силу между отдельными барионами (например, протонами и нейтронами) путем обмена мезонами: парами кварк-антикварк. Эта остаточная сила очень быстро убывает с расстоянием, становясь незначительной в масштабе всего нескольких фемтометров. Но она достаточно сильна, чтобы позволить нескольким протонам (вместе с нейтронами) успешно связываться вместе в стабильной или квазистабильной конфигурации, достаточно сильной, чтобы преодолеть электростатическое отталкивание между одноименно заряженными частицами (например, протонами). Из-за очень короткого радиуса действия остаточной сильной силы элементы тяжелее свинца-208 по своей природе нестабильны, но широкий спектр стабильных атомных ядер — элементов и изотопов — может образовываться с несколькими протонами и/или нейтронами, связанными вместе.

Отдельные протоны и нейтроны являются бесцветными сущностями: единственный тип кваркового состояния, допустимый сегодня во Вселенной. Хотя сильное взаимодействие осуществляется безмассовыми (глюонными) частицами, единственная сила, которая существует между отдельными связанными состояниями, обусловлена ​​мезонами, которые сами по себе довольно массивны, что существенно ограничивает диапазон сильного взаимодействия.

Как только у вас появятся атомные ядра, которые всегда имеют чистый положительный электрический заряд, вы должны признать, что для формирования более сложных структур вам нужно что-то еще, чтобы спасти вас от электростатического отталкивания. Сильное ядерное взаимодействие может это сделать, но только в малых (< ~10 ^-14 метра) масштабах: масштабах атомного ядра, но не больше. Как же тогда мы можем надеяться сформировать более крупные, более сложные структуры в нашей Вселенной? Вводя равное количество отрицательных электрических зарядов во Вселенную: для каждого протона должен быть соответствующий электрон. Хотя электроны подобны протонам, но противоположны им с точки зрения электрического заряда, с той же величиной заряда, но противоположным знаком, у них также есть важное отличие от протонов: они намного, намного легче. В то время как одного электрона достаточно, чтобы уравновесить электрический заряд протона, для того, чтобы соответствовать массе всего одного протона, потребовалось бы более тысячи электронов, 1836 электронов, если быть точным. Именно по этой причине — равные и противоположные заряды, но совершенно разные массы — когда образуются нейтральные атомы, они огромны по сравнению с размерами отдельных частиц, из которых они состоят: колоссальный размер ~1 Ангстрем (10 ^-10 метров). В отличие от атомных ядер, которым требуются экстремальные температуры и энергии, чтобы либо слиться вместе, либо разлететься на части, атомы могут связывать или отсоединять от себя электроны довольно легко: для этого требуется всего лишь около одной миллионной энергии, необходимой для протекания ядерной реакции.

Если бы атомы состояли из непрерывных структур, то все частицы, выстреленные в тонкий лист золота, должны были бы пройти сквозь него. Тот факт, что жесткие отскоки наблюдались довольно часто, даже заставляя некоторые частицы отскакивать от своего первоначального направления, помог проиллюстрировать, что каждому атому присуще твердое, плотное ядро. В то время как атомы имеют размер около одного ангстрема, ядро ​​скорее похоже на несколько фемтометров в поперечнике: разница примерно в 100 000 раз.

Что же можно сделать, если у вас есть несколько атомов, включая атомы разных видов, в которых электроны связаны с протонами и другими атомными ядрами в электрически нейтральных конфигурациях? Ответ прост, понятен и глубок: атомы могут соединяться, образуя более сложные структуры: молекулы, ферменты, соли и многое другое. Многие из этих соединений образуются спонтанно, просто приводя необходимые атомы компонентов в контакт друг с другом, в то время как другие требуют какой-то химической реакции, часто требующей энергии или какого-то другого катализатора (включая химический катализатор) для их создания.

В отличие от атомов, которые ограничены размером около ~1 Ангстрема, молекулы могут быть огромными, от масштаба нанометров (10 ^-9 метров) до даже макроскопических масштабов, поскольку ДНК, кристаллические структуры и углеродные нанотрубки можно увидеть невооруженным глазом. Когда дело доходит до молекул, именно электромагнитные силы между атомами-компонентами — и особенно между электронами внутри этих атомов — обеспечивают молекулярную сборку и поддерживают молекулярную стабильность. И снова электрический заряд доминирует в этих масштабах и отвечает за сущности, которые формируются в этих масштабах.

Эта анимация показывает фактическое формирование и рост снежинки, которая является ледяным кристаллом, который растет в определенной конфигурации, как правило, с гексагональной симметрией. Хотя кристаллы имеют молекулярную конфигурацию, которая позволяет им воспроизводиться и копировать себя, они не используют/не метаболизируют энергию и не кодируют генетическую информацию. Хотя снежинки и все известные кристаллические структуры увлекательны, их нельзя ответственно определить как «живые», хотя каждую из них можно считать всего лишь одной молекулой.

Однако, даже несмотря на то, что каждый отдельный атом имеет чрезвычайно малую массу, даже более грандиозные структуры могут образоваться, если вы соберете достаточное их количество вместе. На фундаментальном уровне гравитация является самой слабой из известных фундаментальных сил. Если вы возьмете два протона и заставите их соприкоснуться друг с другом так, чтобы их центры были разделены всего лишь чуть более чем 1 фемтометром, вы обнаружите, что:

• электростатическое отталкивание было доминирующей силой,
• за ним следует сильное ядерное взаимодействие, которое все еще более чем на 10% слабее электромагнитного взаимодействия,

• за которым следует слабое ядерное взаимодействие, которое примерно в миллион раз слабее,
• за ней, на крайнем расстоянии, следует гравитационная сила: сила, которая примерно в ~10 ³⁰ раз слабее слабого ядерного взаимодействия.

Но если вы возьмете большое количество атомов вместе — число, намного большее, чем просто ~10 ³⁰ — тогда гравитационная сила будет доминировать. С нейтральными цветовыми зарядами и нейтральными электрическими зарядами, в целом, это будет кумулятивная масса покоя всех частиц в вашей системе, нейтральных атомов, которые в конечном итоге победят. Соберите достаточно этого массивного вещества вместе, и не только оно гравитационно свяжет себя вместе, но из-за электромагнитного взаимодействия, излучающего тепло и угловой момент , это позволит этому массивному веществу гравитационно схлопнуться.

Плотные ядра протозвездного скопления G333.23–0.06, идентифицированные ALMA, демонстрируют убедительные доказательства больших уровней множественности внутри этих ядер. Двойные ядра обычны, и группы множественных двойных, образующие четверичные системы, также довольно обычны. Триплетные и квинтуплетные системы также обнаружены внутри, в то время как для этих массивных сгустков одиночные звезды оказываются довольно редкими. Ожидается, что звезды, формирующиеся в туманностях по всей Вселенной, включая туманность Орла, имеют схожие комковатые, фрагментированные свойства.

Когда дело доходит до наборов атомов, ключ к созданию больших структур — т. е. структур, больших, чем просто молекулы — заключается в том, чтобы сначала накопить облако газа настолько массивное, чтобы оно начало разрушаться под действием собственной гравитации. Поскольку облако состоит из атомов, они:

• столкнуться,
• держаться вместе, теряя энергию,
• нагреваться,
• излучать это тепло (т.е. охлаждать),
• и занимают все меньшие объемы,

что приводит как к коллапсу, так и к фрагментации. Там, где плотность становится самой большой быстрее всего, и где самые большие количества массы накапливаются быстрее всего, будут образовываться новые звезды: отмеченные началом ядерного синтеза при достаточных температурах и плотностях в их ядрах. И это чрезвычайно важно. В то время как планеты, луны, астероиды и другие малые тела могут собираться вместе в сжатой форме, у звезд происходит что-то еще: ядерный синтез, происходящий внутри их ядер. Гравитация, помните, это внутренняя, притягивающая сила; она требует структуры самих атомов, чтобы удерживать эти объекты от гравитационного коллапса. Однако у звезд внутри них происходят ядерные реакции, преобразующие массу в энергию и излучающие эту энергию наружу в виде фотонов: излучение, которое оказывает внешнее давление. Вот почему звезды большие и пухлые; это дополнительное излучение удерживает их от дальнейшего гравитационного коллапса. Без него их ядра сжимались бы или даже коллапсировали, в то время как их внешние слои улетучивались бы: именно это происходит при образовании звездных остатков, таких как белые карлики, нейтронные звезды и даже черные дыры.

Хотя степень искривления и искажения пространства-времени зависит от плотности рассматриваемого объекта, когда вы находитесь близко к его краю, размер и объем, занимаемый объектом, не имеют значения вдали от самой массы. Для черной дыры, нейтронной звезды, белого карлика или звезды, подобной нашему Солнцу, пространственная кривизна одинакова при достаточно больших радиусах. Однако вблизи горизонта событий черной дыры достигаются более сильные искривления, чем где-либо еще. Вдали от всех этих источников пространство-время асимптотически плоское, но не идеально плоское и не по-настоящему пустое.

И наконец, в абсолютном самом большом космическом масштабе мы приходим к объектам за пределами нашего Млечного Пути: галактики, группы и скопления галактик, космические нити, большие стеноподобные структуры галактик и, в еще больших масштабах, огромная космическая паутина. Когда дело доходит до этих масштабов, гравитация не просто доминирует, это единственная сила, которая имеет значение. То, как она имеет значение, отличается от того, что большинство людей интуитивно представляют, поскольку то, может ли массивная область схлопнуться, чтобы сформировать структуру, зависит от того, какой из двух конкурирующих факторов победит:

• расширение Вселенной, которое приводит к разделению материи и ее разрежению,
• и гравитация, которая взаимно притягивает частицы материи друг к другу и борется с расширением.

На основании свойств, которые мы измерили во Вселенной, в физике и астрофизике на этих масштабах больше не доминируют атомы или какие-либо частицы Стандартной модели; это темная энергия, которая управляет расширением, и темная материя, которая управляет эффектами гравитации. Тот факт, что у нас есть относительные плотности энергии, которые у нас есть (68% темной энергии, 27% темной материи, 5% «нормального» вещества), что Вселенная так же стара, как и она (13,8 миллиардов лет с начала горячего Большого взрыва), и тот факт, что все сигналы ограничены скоростью света (которая также является скоростью гравитации ), диктуют, какие массивные структуры будут формироваться и в каких масштабах. Это определяет массы и распределения галактик, как они группируются вместе, как образуются и растут космические пустоты, и как в настоящее время не должно быть никаких космических структур, превышающих по протяженности примерно 1,4 миллиарда световых лет. Это согласуется с тем, что мы наблюдаем, и хотя некоторые заявляли о существовании более крупных структур, лучшая наука, которая у нас есть сегодня, оставляет нас уверенными в том, что их на самом деле не существует .

Великая стена Слоуна — одна из крупнейших видимых, хотя, вероятно, и временных структур во Вселенной, ее поперечник составляет около 1,37 миллиарда световых лет. Возможно, это просто случайное выравнивание нескольких сверхскоплений, но это определенно не единая, гравитационно связанная структура, поскольку темная энергия находится в процессе ее разъединения. Галактики Великой стены Слоуна изображены справа.

В каждом масштабе, который мы рассматриваем, именно заряды и массы соответствующих объектов определяют не только то, какие формы образуются во Вселенной, но и насколько велики структуры, которые получаются в результате. Частицы Стандартной модели могут быть действительно точечными, без «минимального размера» для них, но связанные структуры, которые они образуют, имеют конечные размеры.

• Протоны и нейтроны, состоящие из кварков и глюонов, имеют размер около фемтометра.
• Связанные атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, имеют размеры в несколько фемтометров, возможно, до 10 или около того, в поперечнике.
• Атомы, состоящие из ядер и электронов, имеют размер около ангстрема.

• Молекулы, состоящие из соединенных вместе атомов, имеют размеры от одного нанометра до метра или около того.
• Связанные скопления атомов, выходящие за рамки молекулярных структур, варьируются от пылинок до звезд, причем звезды являются большими, пухлыми и рассеянными из-за ядерных реакций, которые происходят внутри них.
• А самые крупные структуры, от галактик до великой космической паутины, сформированы вовсе не атомами, а темной материей и темной энергией.

Заряды (включая цветовой заряд и электрический заряд), массы и законы физики — это все, что требуется для объяснения огромного, богатого разнообразия структур, с которыми мы сталкиваемся сегодня в нашей Вселенной, и одновременного объяснения того, почему структуры не больше и не меньше определенных значений. Но есть ключевая вещь, которую следует иметь в виду: даже несмотря на то, что мы знаем все это и можем сплести из этого последовательную историю, мы все еще не знаем, почему природа имеет те значения, которые она имеет. Мы не знаем, почему заряды имеют ту силу или знаки, которые они имеют. Мы не знаем, почему частицы и античастицы имеют те массы, которые они имеют, или почему некоторые из них (нейтрино, глядя на вас) массивны, или почему некоторые из них намного массивнее других. Если бы эти свойства были изменены, даже немного, Вселенная была бы дико, возможно, даже катастрофически другой . Даже со всем, что мы знаем, все еще есть глубокие, фундаментальные головоломки, которые просто ждут своего решения.

источник: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/charges-masses-create-universe/?utm_source=rejoiner&utm_medium=email&utm_campaign=swab&utm_content=03%2F01%2F25+SWAB&rjnrid=vAMz4nB