Fyzika částic: Fakta o základních částicích, které tvoří náš vesmír

Fyzika částic je studium vesmíru v nejmenším možném měřítku – nejzákladnější částice a síly, které, když jsou kombinovány, tvoří všechno. Vy – spolu s každou jinou živou věcí, každá skvrna prachu a každá hvězda na obloze – jste vyrobeni ze stejných základních částic.

Možná si myslíte, že částice jako na malou skvrnu prachu nebo zrnu soli. Když však fyzici mluví o částicích, znamenají dospívající, malou věc, která je nejlépe popsána matematikou. Částice se nechovají stejně jako každodenní objekty. A jsou tak malé, že neměříme jejich velikost, pokud jde o délku nebo šířku, měříme ji v energii. Nejsme si ani jistí Pokud mají elektrony velikost vůbec – nikdo to nebyl schopen najít.

Některé částice jsou extrémně nestabilní a trvají pouze zlomky sekundy. Můžeme je vytvářet a studovat, a to i s takovými krátkými životy, prostřednictvím nástrojů, jako je Velký Hadron Collider (LHC)Obrovský akcelerátor částic, který pracuje tím, že ve vakuu cestuje do sebe navzájem paprsky částic při téměř stejném rychlostním světle. LHC je pohřben v tunelu ve francouzském a Švýcarsku, kde používá více než 10 000 výkonných magnetů k formování paprsků do kruhů a nasměruje se do sebe a nasměruje se do sebe a nasměruje je více než 10 000 výkonných magnetů k formování více než 10 000 výkonných magnetů. Výsledné kolize vytvářejí nové a zajímavé částice.

The Standardní model fyziky částic Popisuje všechny známé elementární částice a tři ze čtyř známých sil, které definují, jak spolu navzájem interagují: elektromagnetická síla, „slabé interakce“ a „silné interakce“. Silné interakce jsou to, co drží některé základní částice pohromadě, jako jsou protony a neutrony, které tvoří střed atomu. Slabé interakce se nazývají „slabé“, protože pracují na mnohem menší vzdálenosti než silné interakce – menší než průměr jediného protonu.

Možná jste slyšeli, že světlo působí jako vlna a elektrony působí jako částice. Ve fyzice, když se něco chová jako vlna, se chová jako jezero – má vlnky, které pravidelně jdou nahoru a dolů a je to jedna velká věc. Když se věci „chovají jako částice“, jsou spíše jako hromada velmi malých hornin. Dalo by se spočítat skály a přesně vědět, kolik jich je. Vědci si po dlouhou dobu mysleli, že se věci chovaly jako vlny nebo částice, ale to není pravda – vrstevníci uvnitř atomu a věci fungují jako obojí. Tomu se nazývá dualita vlnových částic a standardní model byl částečně vyvinut, aby ji vysvětlil.

Jak může něco fungovat jako jedinečný objekt i vlna? Subatomické částice jsou nejlépe popsány s fuzzy matematikou. Nevíme přesně kde je elektron – Ale víme, že je to v určitém bodě v obecné oblasti, která je zvolena hranicí. Tyto šance jsou popsány s rovnicí nazývanou vlnovou funkcí. Když měříme chování, které vypadá jako samostatný objekt, zaměřujeme se na hranici. Když měříme chování, které vypadá jako vlna, zaměřujeme se na pravděpodobnost.

V roce 2012 vědci objevili Částice Higgs Bosoncož je extrémně nestabilní částice, která dala hmotnost všem částic s hmotou hned po velkém třesku. Toto zjištění bylo důležitým ověřením standardního modelu, který předpovídal existenci částice.

Standardní model má však některé díry. Nejviditelnějším problémem je gravitace – fyziky nenašli způsob, jak začlenit gravitaci do standardního modelu. Je to stále nejlepší nástroj, který máme pro popis chování subatomických částic – je to nesmírně přesné, s výjimkou gravitace.

Atomy jsou tvořeny protony, neutrony a elektrony. Počet protonů, neutronů a elektronů určuje, jak atom interaguje s jinými atomy. The periodická tabulka je průvodce různými druhy atomů; Je plný vzorů, které mapují, jak každý prvek působí.

Atomové číslo periodické tabulky vám řekne, kolik protonů (částic s pozitivním elektrickým nábojem) je v materiálu. Jsou seskupeny v neutronech atomu, aby tvořily jádro. Neutrony nemají žádný elektrický náboj, ale mají hmotnost. Protony a neutrony tvoří většinu hmoty atomu.

Obíhající s pozitivně nabitým jádrem jsou elektrony – malé částice s negativním nábojem. Nabíjení každého elektronu má stejnou velikost jako proton, definovaný jako jeden elementární elektrický náboj (1 E). Počet a poloha elektronů je na periodické tabulce zobrazena podle řádu a sloupce prvku.

Protony a neutrony jsou vyrobeny z ještě jemnějších elementárních částic zvaných kvarky. Existuje šest „příchutí“ (typů) kvarků: nahoru, dolů, kouzlo, podivné, horní a dolní. Vytvářejí skupiny tří, aby tvořily protony a neutrony, držené pohromadě jejich „barevným nábojem“. Barevný náboj nemá nic společného s barvami, které vidíme; Je to jen termín identifikovat interakce, které drží kvarky pohromadě. Barevný náboj je podobný elektrickému náboji, ale místo toho, aby měl pozitivní nebo negativní náboj, existují tři „barvy“, které může mít kvark: červená, zelená nebo modrá.

Existují také leptony. Tyto elementární částice jsou podobné kvarkům, ale na rozdíl od kvarků nemají leptony „silné interakce“. Jinými slovy, netvoří stejný typ dluhopisů, které Quarks dělají. Elektrony jsou typem Leptonu spolu s muonmi, tau leptony a neutriny. Muons a tau leptony jsou nestabilní a rozkládají se do elektronů. Neutrina jsou leptony bez elektrického náboje.

Kvarky a leptony jsou fermiony – základní částice, které tvoří hmotu. Další skupina částic, známá jako bosonové, působí jako „silové nosiče“. To znamená, že drží síly, které nechají částice vzájemně interagovat. Mezi typy bosonů patří fotony; gluony, které pomáhají vázat částice dohromady; Z bosony; W bosony; a záhadný Higgs Boson, který ve shodě s Higgsovým polem propůjčuje jejich hmotu částice.

Satyendra Nath Bose (1. ledna 1894 – 4. února 1974) byl průkopníkem kvantové mechaniky, který spolu s Albertem Einsteinem vyvinul nový typ statistik, který popisuje, jak se bosonové chovají s dualitou vlnové částice. Bosonové jsou pojmenováni po něm.

Chien-Shiung Wu (31. května 1912 – 16. února 1997) pracoval na Manhattan Project a provedli experimenty fyziky ke studiu beta rozpadu, procesní radioaktivní materiály podléhají stabilnějším. Nebyla zahrnuta do Nobelovy ceny z roku 1957 ve fyzice udělené svým dvěma mužským kolegům, přestože poskytla první experimentální důkaz o beta rozpadu.

Peter Higgs (29. května 1929 – 8. dubna 2024) byl fyzik zodpovědný za část standardního modelu fyziky částic, který vysvětluje, jak částice dostaly svou hmotu na začátku vesmíru. Higgsův boson je pojmenován po něm. Vyhrál Nobelovu cenu 2013 ve fyzice, kterou sdílel s François Englert.

Paul Dirac (8. srpna 1902 – 20. října 1984) pomohl vyvinout teorii Kvantová mechanika a sdílel Nobelovu cenu z roku 1933 ve fyzice s Erwinem Schrödingerem. Vyvinul Dirac rovnicekterý popisuje, jak fermiony fungují jako částice i vlny. Předpovídal také existenci AntihatterCož je hmota se stejnou hmotou a opačným elektrickým nábojem jako běžná hmota.

Marie Curie (7. listopadu 1867 – 4. července 1934) objevila radioaktivní rozpad – proces některé nestabilní prvky podléhají přeměně na prvky, které jsou stabilnější. Pokročila za porozumění atomovým strukturám a získala dvě Nobelovy ceny – jeden ve fyzice a jednu v chemii.

Richard Feynman (11. května 1918 – 15. února 1988) pracoval na projektu Manhattanu a vyvinul Feynmanské diagramy – způsob, jak popsat chování subatomických částic. Jeho práce rozšířila naše chápání kvantové mechaniky.