Jaká je nejmenší částice ve vesmíru?

Jaká je nejmenší částice ve vesmíru?

Podle Gayoung Lee editoval Lee Billings

Zapomenout na želvy; Pro všechny praktické účely jsou to opravdu částice až dolů.

Ať už jako protony a neutrony nápověda tvoří chemické prvkyfotony, které my vnímat jako světlo nebo dokonce toky elektronů, které jsou napájeny naše chytré telefonySubatomické částice představují v podstatě všechno, co někdo z nás zažije. Je ironií, že proto, že jsou tak nepatrné, částice podporující naši každodenní realitu mají tendenci uniknout našemu oznámení – a našemu porozumění.

Zvažte zdánlivě jednoduchou záležitost jejich velikosti, to, co je dělá tak cizí. Obvykle se učíme představit si všechny částice jako malé, barevné koule, jako by to byly solidní věci, které bychom mohli vedle něj položit vládce, abychom určili jejich rozměry, jako bychom to udělali pro jakýkoli jiný fyzický objekt na světě. Subatomické částice však ve skutečnosti vůbec nevypadají. A i když, pro největší částice, existují způsoby, jak měřit „velikost“ ve velmi obecném smyslu, pro ty, kteří jsou menší a zdánlivě „základní“, koncept velikosti je tak kluzký, že se stane téměř bezvýznamným.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Přesto, pokud jsou dotazy Google nějakým průvodcem, lidé opravdu chtějí vědět „Jaká je nejmenší částice ve vesmíru?“ Nevadí, že lepší otázka by mohla být: „Je to nějaký bod dotazování?“

První věci jako první

„Pro“ Small „je hodně významů,“ říká Janet ConradFyzik částic na Massachusetts Institute of Technology. „Jako bych mohl říci, že bavlněná koule je“ malá „, protože je velmi lehká. Nebo bych mohl říci, že malá kovová koule je“ malá „, protože jeho poloměr je velmi malý, ale vážil by mnohem víc než bavlněná koule.“

Conradova bodování je, že existuje kategorický rozdíl mezi částice, která je „nejmenší“ v hmotě a částice, která má průměr „nejmenší“. Existuje další důležitý kategorický rozdíl, který je také třeba zohlednit, funkční rozlišení mezi dvěma různými třídami částic: fermiony nebo „hmotné“ částice, jako jsou protony nebo elektrony, které obsahují vše ve vesmíru, a bosony nebo „nosič“, jako jsou fotony, které dodávají síly mezi fermiony.

A nejdůležitější je otázka tzv. Základních částic, které jsou odděleny od zdánlivě nefundentálních. Ať už se jedná o fermion nebo boson, fyziky zvažují částici „základní“, pokud ji dále nelze rozebrat s jakoukoli v současné době dostupnou technologií. V tomto smyslu nejsou některé relativně známé částice, jako jsou protony, základní částice; Pokud narazíte na proton s určitým množstvím síly, probude to do kvarků, které jsou považován za zásadní.

Takže z hlediska fyzické velikosti byste si pravděpodobně mysleli, že základní částice by byly „menší“ než nefundamentální. Ale to je místo, kde jsou věci opravdu složitější, říká JUAN PEDRO OCHOA-TOMOUXFyzik částic na University of California, Irvine. Podle standardní model fyziky částickterý zahrnuje všechny známé částice a síly kromě gravitace, aby vytvářely směšně přesné fyzické předpovědi, všechny základní částice nemají vůbec žádnou velikost. To znamená, že se ptá, zda je člověk větší nebo menší než jiný, je nesmyslná otázka, podobná přemýšlení, co je severně od „nahoru“ nebo se snaží rozdělit nulou.

Dimenzování náhodnosti?

„(Základní částice) jsou euklidovské body,“ vysvětluje Ochoa-byricoux. „Nejsou to ani jednorozměrné. Myslíme na ně jako na (nulové dimenzi) body (které) nemají určenou polohu. A tak spíše než přemýšlet o elektronech jako malé koule kolem atomového jádra, ve skutečnosti bychom je měli myslet jako na oblak (pravděpodobnosti).“

Zdá se, že všechny základní částice jsou tímto způsobem a nevykazují žádné známky hlubší vnitřní struktury, dodává Conrad. „Stále testujeme, abychom zjistili, zda je s nimi spojen nějaký prostorový rozsah,“ říká, „ale nevidíme žádné důkazy o tom, že uvnitř těchto částic je něco.“

Fyzici rádi obcházejí tuto nejistotu, říká Ochoa-incooux tím, že provádí několik reverzních výpočtů pomocí slavné rovnice Alberta Einsteina E = MC²který kvantifikuje ekvivalenci mezi energií a hmotou. Konkrétně takové výpočty obvykle zahrnují elektronový Volt (EV), jednotku energie, pro kterou 1 eV představuje náboj jednoho elektronu. Použití Einsteinovy ​​rovnice k přeměně této hodnoty na hmotnost ukazuje, že elektron účinně váží asi 0,51 mega-elektronových hlav na rychlost světla čtverce (0,51 mev/c²) – to je asi 9,109 × 10^–31 kilogram. Pro srovnání, „nejlehčí“ QuarkQuark je více než čtyřikrát těžší, váží asi 2,14 mev/c².

Jak malé jsou tyto hodnoty, jsou stále mnohem větší než „nula“, což je hmota odvozená pro některé jiné částice. Tyto takzvané bezmasné částice jsou pravděpodobně nejlepšími kandidáty pro „nejmenší“.

Jedna otázka, mnoho odpovědí

Přísně řečeno o bosonech nebo částicích přenášejících síla, jasným vítězem konkurence „nejmenší částice vesmíru“ by byl bezmasý foton. (Gluons—Bosoni, kteří se vážou dohromady kvarky – jsou také považováni za bezhrubé, ale je mnohem těžší studovat, protože jsou obvykle uvězněni uvnitř protonů a neutronů.) Pokud mluvíme o fermisech, částice, které jsou stavebními kameny hmoty – rozumný odhad pro nejmenší částici vesmíru by byl neutrino. Toto je „odhad“, protože opravdu neznáme přesnou hmotnost neutrina jisté, i když jsme si jisti, že to není nula. Aby se neutrino dalo do perspektivy, pravděpodobně váží asi 0,45 eV/c²– Bez jedné miliony hmoty elektronu!

Ale opět, jak Ochoa-EcoUx a Conrad každý nezávisle zdůrazňuje, jedná se o odborníci na jeden přístup mají tendenci používat Při zvažování velikosti částice. Stejně jako u mnoha druhů vědeckého šetření, odpověď, kterou získáte důvěrně, závisí na tom, jak přesně se ptáte na otázku.