автор: Джоанна Вендель
Вселенная — это большое место, но она состоит из маленьких кусочков. Периодическая таблица включает такие элементы, как кислород , углерод и другие строительные блоки, из которых состоят звезды, кошки или чашки кофе. Но с начала 20-го века ученые размышляли и находили все меньшие и меньшие фундаментальные частицы — те, что мельче атомов , заполняющих вселенную. Так какая из этих фундаментальных частиц самая маленькая? И, наоборот, какая самая большая?
Дон Линкольн, старший научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго, является одним из ученых, пытающихся ответить на этот вопрос. В Fermilab ученые используют ускоритель частиц, чтобы сталкивать отдельные частицы и изучать обломки — или возможные новые фундаментальные частицы — которые получаются. Линкольн сказал, что есть два способа измерения размера частиц: исследование их массы и измерение их физического размера, например, вычисление диаметра мяча. С точки зрения массы на эти вопросы ответить относительно просто. Самая низкая частица с ненулевой массой, о которой мы знаем, — это нейтрино , сказал Линкольн. Однако он указал, что у нас нет точного измерения массы нейтрино, поскольку приборы, используемые для расчета массы фундаментальных частиц, недостаточно чувствительны.
«Нейтрино — это частица, своего рода призрак субатомного мира», — сказал Линкольн. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с материей и являются второй по распространенности частицей после фотонов (которые ведут себя скорее как волны, чем как настоящие частицы). Фактически, в эту самую секунду через вас проходят триллионы нейтрино. Нейтрино почти ничего не весят и движутся со скоростью, близкой к скорости света. Атомное ядро состоит из нейтронов, протонов и электронов. Протоны и нейтроны сами по себе составляют около одной десятой размера ядра в целом, сказал Линкольн. Электрон имеет близкую к нулю массу, но на самом деле он весит в 500 000 раз больше, чем нейтрино (опять же, точное измерение которого на данный момент невозможно).
(Изображение предоставлено: Shutterstock)
Физики используют электрон-вольты (эВ) для измерения массы субатомных частиц, сказал Линкольн. Технически, единица измерения — эВ/c^2, где c — скорость света. Один электрон-вольт эквивалентен примерно 1,6×10^-19 джоулей. Чтобы упростить вещи, физики используют набор единиц, в котором скорость света равна 1. Таким образом, чтобы вычислить массу субатомной частицы, вы должны использовать знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна E=mc^2, чтобы получить массу (m) в килограммах. Электрон весит 511 000 электрон-вольт, что эквивалентно 9,11 x 10^-31 килограмма, согласно Линкольну. Для сравнения, типичный протон в ядре типичного атома весит 938 миллионов электрон-вольт, или 1,67 × 10^-27 кг, сказал он. Напротив, самая большая (по массе) фундаментальная частица, о которой мы знаем, — это частица, называемая верхним кварком, ее масса составляет колоссальные 172,5 миллиарда электронвольт, согласно Линкольну. Кварки — это еще одна фундаментальная частица, которую, насколько нам известно, нельзя разбить на большее количество частей. Ученые обнаружили шесть типов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, нижний и верхний. Верхние и нижние кварки составляют протоны и нейтроны, и они весят 3 миллиона и 5 миллионов электронвольт соответственно. Для сравнения, верхний кварк весит в 57 500 раз больше верхнего кварка. На вопрос о физическом размере ответить сложнее. Мы знаем физический размер некоторых частиц, но не самых маленьких. Некоторые «крошечные» частицы, о которых люди слышат в повседневной жизни, например, вирусные частицы, на самом деле довольно велики. Линкольн предложил такое представление о масштабе: типичная вирусная частица имеет длину около 250–400 нанометров (нанометр — это миллиардная часть метра, или 10^-9 м), а типичное атомное ядро имеет размер около 10^-14 м (0,000000000000001 м). Это означает, что атомное ядро для вируса так же мало, как вирус для нас.
В настоящее время наименьший физический размер, который ученые могут измерить с помощью ускорителя частиц, в 2000 раз меньше протона, или 5 x 10^-20 м. До сих пор ученым удалось определить, что кварки меньше этого размера, но не определить, насколько.
Первоначально опубликовано в Live Science.
ДжоАнна Вендель — внештатный научный писатель, проживающая в Портленде, штат Орегон. В основном она освещает науку о Земле и планетах, но также любит океан, беспозвоночных, лишайники и мхи. Работы ДжоАнны публиковались в Eos, Smithsonian Magazine, Knowable Magazine, Popular Science и других изданиях. ДжоАнна также является научным карикатуристом и публиковала комиксы в Gizmodo, NASA, Science News for Students и других изданиях. Она окончила Университет Орегона по специальности «Общие науки», поскольку не могла определиться с любимой областью науки. В свободное время ДжоАнна любит ходить в походы, читать, рисовать, разгадывать кроссворды и проводить время со своим котом по кличке Панкейк.