Самые маленькие вещи в мире. Самая мельчайшая частица во вселенной

Нейтрино, невероятно крошечная частица Вселенной, удерживает пристальное внимание ученых уже без малого столетие. За исследования нейтрино вручили больше Нобелевских премий, чем за работы о каких-либо других частицах, а для его изучения строят огромные установки с бюджетом небольших государств. Александр Нозик, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, преподаватель МФТИ и участник эксперимента по поиску массы нейтрино «Троицк ню-масс», рассказывает, как его изучать, но главное - как вообще его поймать.

Загадка похищенной энергии

Историю изучения нейтрино можно читать как увлекательный детектив. Эта частица не раз испытывала дедуктивные способности ученых: не каждую из загадок удавалось решить сразу, а часть не раскрыта до сих пор. Начать хотя бы с истории открытия. Радиоактивные распады разного рода начали изучать еще в конце XIX века, и неудивительно, что в 1920-х годах ученые имели в своем арсенале приборы не только для регистрации самого распада, но и для измерения энергии вылетающих частиц, пусть и не особо точного по сегодняшним меркам. С увеличением точности приборов росла и радость ученых, и недоумение, связанное в том числе с бета-распадом, при котором из радиоактивного ядра вылетает электрон, а само ядро изменяет свой заряд. Такой распад называют двухчастичным, поскольку в нем образуются две частицы - новое ядро и электрон. Любой старшеклассник объяснит, что можно точно определить в таком распаде энергию и импульсы осколков, используя законы сохранения и зная массы этих осколков. Другими словами, энергия, например, электрона всегда будет одной и той же в любом распаде ядра определенного элемента. На практике же наблюдалась совсем другая картина. Энергия электронов не только не была фиксированной, но и размазывалась в непрерывный спектр до самого нуля, что ставило ученых в тупик. Такое может быть только в случае, если кто-то крадет энергию из бета-распада. Но красть-то ее вроде бы некому.

Со временем приборы становились все точнее, и вскоре возможность списать подобную аномалию на погрешность аппаратуры пропала. Так появилась загадка. В поисках ее разгадки ученые высказывали разнообразные, даже совершенно абсурдные по нынешним меркам предположения. Сам Нильс Бор, например, делал серьезное заявление, что законы сохранения не действуют в мире элементарных частиц. Спас положение Вольфганг Паули в 1930 году. Он не смог приехать на конференцию физиков в Тюбингене и, не имея возможности участвовать дистанционно, прислал письмо, которое попросил зачитать. Вот выдержки из него:

«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность Β-спектра станет понятной, если предположить, что при Β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой «нейтрон», причем сумма энергий «нейтрона» и электрона постоянна…»

В финале письма были следующие строки:

«Не рисковать - не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного Β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Позже сам Паули высказывал опасения, что, хотя его идея и спасает физику микромира, новая частица так никогда и не будет открыта экспериментально. Говорят, он даже спорил со своими коллегами, что, если частица есть, обнаружить ее при их жизни не удастся. В последующие несколько лет Энрико Ферми создал теорию бета-распада с участием частицы, названной им нейтрино, которая блестящим образом согласовалась с экспериментом. После этого ни у кого не осталось сомнений в том, что гипотетическая частица существует на самом деле. В 1956 году, за два года до смерти Паули, нейтрино было экспериментально обнаружено в обратном бета-распаде группой Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (Райнес получил за это Нобелевскую премию).

Дело о пропавших солнечных нейтрино

Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник - Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 миллиардов солнечных нейтрино в секунду.

На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию). После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Тут-то и обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).

Разумеется, в первую очередь подозрение пало на само Солнце. Ведь судить о его внутренней жизни мы можем только по косвенным признакам. Неизвестно, как на нем рождаются нейтрино, и возможно даже, что все модели Солнца неправильные. Обсуждалось достаточно много различных гипотез, но в итоге ученые стали склоняться к мысли, что все-таки дело не в Солнце, а в хитрой природе самих нейтрино.

Небольшое историческое отступление: в период между экспериментальным открытием нейтрино и опытами по изучению солнечных нейтрино произошло еще несколько интересных открытий. Во-первых, были открыты антинейтрино и доказано, что нейтрино и антинейтрино по-разному участвуют во взаимодействиях. Причем все нейтрино во всех взаимодействиях всегда левые (проекция спина на направление движения отрицательна), а все антинейтрино - правые. Мало того что это свойство наблюдается среди всех элементарных частиц только у нейтрино, оно еще и косвенно указывает на то, что наша Вселенная в принципе не симметрична. Во-вторых, было обнаружено, что каждому заряженному лептону (электрону, мюону и тау-лептону) соответствует свой тип, или аромат, нейтрино. Причем нейтрино каждого типа взаимодействуют только со своим лептоном.

Вернемся к нашей солнечной проблеме. Еще в 50-х годах XX века было высказано предположение, что лептонный аромат (тип нейтрино) не обязан сохраняться. То есть если в одной реакции родилось электронное нейтрино, то по пути к другой реакции нейтрино может переодеться и добежать как мюонное. Этим можно было бы объяснить нехватку солнечных нейтрино в радиохимических экспериментах, чувствительных только к электронным нейтрино. Эта гипотеза была блестящим образом подтверждена при измерениях потока солнечных нейтрино в сцинтилляционных экспериментах с большой водной мишенью SNO и Kamiokande (за что недавно вручили еще одну Нобелевскую премию). В этих экспериментах изучается уже не обратный бета-распад, а реакция рассеяния нейтрино, которая может происходить не только с электронными, но и с мюонными нейтрино. Когда вместо потока электронных нейтрино стали измерять полный поток всех типов нейтрино, результаты прекрасно подтвердили переход нейтрино из одного типа в другой, или нейтринные осцилляции.

Покушение на Стандартную модель

Открытие осцилляций нейтрино, решив одну проблему, создало несколько новых. Суть в том, что еще со времен Паули нейтрино считались безмассовыми частицами подобно фотонам, и это всех устраивало. Попытки измерить массу нейтрино продолжались, но без особого энтузиазма. Осцилляции все изменили, поскольку для их существования масса, пусть и маленькая, обязательна. Обнаружение массы у нейтрино, разумеется, привело экспериментаторов в восторг, но озадачило теоретиков. Во-первых, массивные нейтрино не вписываются в Стандартную модель физики элементарных частиц, которую ученые строили еще с начала XX века. Во-вторых, та самая загадочная левосторонность нейтрино и правосторонность антинейтрино хорошо объясняется только опять-таки для безмассовых частиц. При наличии массы левые нейтрино должны с некоторой вероятностью переходить в правые, то есть в античастицы, нарушая, казалось бы, незыблемый закон сохранения лептонного числа, или вовсе превращаться в какие-то нейтрино, не участвующие во взаимодействии. Сегодня такие гипотетические частицы принято называть стерильными нейтрино.

Нейтринный детектор «Супер-Камиоканде» © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Разумеется, экспериментальные поиски массы нейтрино тут же резко возобновились. Но сразу возник вопрос: как же измерить массу того, что никак не удается поймать? Ответ один: не ловить нейтрино вообще. На сегодняшний день наиболее активно разрабатываются два направления - прямой поиск массы нейтрино в бета-распаде и наблюдение безнейтринного двойного бета-распада. В первом случае идея очень проста. Ядро распадается с излучением электрона и нейтрино. Нейтрино поймать не удается, но поймать и измерить с очень большой точностью возможно электрон. Спектр электронов несет информацию и о массе нейтрино. Такой эксперимент - один из самых сложных в физике частиц, но при этом его безусловный плюс в том, что он основан на базовых принципах сохранения энергии и импульса и его результат мало от чего зависит. Сейчас самое лучшее ограничение на массу нейтрино составляет около 2 эВ. Это в 250 тысяч раз меньше, чем у электрона. То есть саму массу не нашли, а только ограничили верхней рамкой.

С двойным бета-распадом все сложнее. Если предположить, что нейтрино при перевороте спина превращается в антинейтрино (такую модель называют по имени итальянского физика Этторе Майорана), то возможен процесс, когда в ядре происходят одновременно два бета-распада, но нейтрино при этом не вылетают, а сокращаются. Вероятность такого процесса связана с массой нейтрино. Верхние границы в подобных экспериментах лучше - 0,2‒0,4 эВ, - но зависят от физической модели.

Проблема массивного нейтрино не решена до сих пор. Теория Хиггса не может объяснить настолько маленькие массы. Требуется ее существенное усложнение или привлечение каких-то более хитрых законов, по которым нейтрино взаимодействуют c остальным миром. Физикам, занимающимся исследованием нейтрино, часто задают вопрос: «А как исследование нейтрино может помочь среднестатистическому обывателю? Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения. Разница в том, что технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что каждая вложенная в эту сферу копейка довольно быстро окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера; эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

• Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
• Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
• Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

• Верхний (u);
• Очарованный (c);
• Истинный (t);
• Нижний (d);
• Странный (s);
• Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

• Электрон;
• Электронное нейтрино;
• Мюон;
• Мюонное нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

• Глюон – сильное;
• Фотон – электромагнитное;
• Z-бозон — слабое;
• W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный , частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

• Время жизни.
  1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
  2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9 10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
• Масса.
  1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
  2. Массивные частицы – все остальные.
• Значение спина.
  1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
  2. Частицы с полуцелым спином — фермионы.
• Участие во взаимодействиях.
  1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
  2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

• Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
• Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
• Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
• Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
• Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
• Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.

Невероятные факты

Люди, как правило, обращают внимания на большие предметы, которые привлекают наше внимание сразу.

Напротив, маленькие вещи могут оставаться незамеченными, хотя от этого они не становятся менее важными.

Некоторые из них мы можем увидеть невооруженным глазом, другие только с помощью микроскопа, а есть и те, что можно представить себе только теоретически.

Вот коллекция самых маленьких вещей в мире, начиная от крошечных игрушек, миниатюрных животных и людей до гипотетической субатомной частицы.

Самый маленький пистолет в мире

Самый маленький револьвер в мире SwissMiniGun на вид не больше дверного ключа. Однако внешность обманчива, и пистолет длиною всего 5,5 см и весом чуть меньше 20-ти грамм может стрелять со скоростью 122 м в секунду. Этого достаточно, чтобы убить с близкого расстояния.

Самый маленький бодибилдер в мире

Согласно Книге рекордов Гиннеса Адития "Ромео" Дев (Aditya “Romeo” Dev) из Индии был самым маленьким бодибилдером в мире. При росте всего 84 см и весе 9 кг, он мог поднимать гантели весом 1,5 кг и проводил много времени, совершенствуя свое тело. К сожаленью, он умер в сентябре 2012 года из-за разрыва аневризмы мозга.

Самая маленькая ящерица в мире

Харагуанский сферо (Sphaerodactylus ariasae ) является самым маленьким пресмыкающимся в мире. Его длина составляет всего 16-18 мм, а вес 0,2 грамма. Он обитает в Национальном парке Харагуа в Доминиканской республике.

Самый маленький автомобиль в мире

Автомобиль Peel 50 весом 59 кг является самым маленьким серийным автомобилем в мире. В начале 1960-х годов было выпущено около 50-ти таких автомобилей, и сейчас осталось только несколько моделей. В автомобиле два колеса впереди и одно сзади, и он достигает скорости 16 км в час.

Самая маленькая лошадь в мире

Самая маленькая лошадь в мире по кличке Эйнштейн родилась в 2010 году в городе Барнстед в Нью-Гампшире, Великобритании. При рождении она весила меньше, чем новорожденный ребенок (2,7 кг). Ее рост составил 35 см. Эйнштейн не страдает от карликовости, а относится к породе лошадей пинто.

Самая маленькая страна в мире

Ватикан является самой маленькой страной в мире. Это маленькое государство площадью всего 0,44 кв. км и населением из 836 человек, которые не являются постоянным жителями. Крошечная страна окружает собор Святого Петра – духовный центр римских католиков. Сам Ватикан окружен Римом, Италией.

Самая маленькая школа в мире

Школа Калоу в Иране была признана ЮНЕСКО самой маленькой школой в мире. В деревушке, где находится школа, живет всего 7 семей, где насчитывается четверо детей: два мальчика и две девочки, которые и посещают школу.

Самый маленький чайник в мире

Самый маленький чайник в мире был создан известным мастером по керамике Ву Руишеном (Wu Ruishen) и он весит всего 1,4 грамма.

Самый маленький мобильный телефон в мире

Телефон Modu считается самым маленьким мобильным телефоном в мире согласно Книге Рекордов Гиннеса. При толщине 76 миллиметров, он весит всего 39 грамм. Его размеры составляют 72 мм x 37 мм x 7.8 мм. Несмотря на крошечные размеры, вы можете звонить, отправлять СМС сообщения, проигрывать MP3 и фотографировать.

Самая маленькая тюрьма в мире

Тюрьма Сарк на Нормандских островах была построена в 1856 году и вмещает одну камеру на 2-х заключенных.

Самая маленькая обезьянка в мире

Карликовые игрунки, которые обитают в тропических влажных лесах Южной Америки, считаются самыми крошечными обезьянками в мире. Вес взрослой обезьянки составляет 110-140 грамм, а длина достигает 15-ти см. Хотя у них довольно острые зубы и когти, они относительно послушные и популярны в качестве экзотических питомцев.

Самая маленькая почта в мире

Самая маленькая почтовая служба WSPS (World’s Smallest Postal Service) в городе Сан-Франсиско, США переводит ваши письма в миниатюрную форму, так что получателю придется читать его с увеличительным стеклом.

Самая маленькая лягушка в мире

Лягушка вида Paedophryne amauensis при длине 7,7 миллиметров обитает только в Папуа-Новой Гвинее, и является самой крошечной лягушкой и самым маленьким позвоночным в мире.

Самый маленький дом в мире

Самый маленький дом в мире американской компании Tumbleweed архитектора Джея Джафера (Jay Shafer) меньше, чем туалет у некоторых людей. Хотя этот дом площадью всего 9 кв. метров выглядит крошечным, он вмещает все, что вам нужно: рабочее место, спальню, ванную с душем и туалетом.

Самая маленькая собака в мире

В отношении высоты, самой маленькой собакой в мире согласно Книге Рекордов Гиннеса считается собака Бу Бу – чихуахуа высотой 10,16 см и весом 900 грамм. Она живет в штате Кентукки, США.

Кроме того на звание самой маленькой собаки в мире претендует Мейси - терьер из Польши высотой всего 7 см, и длиной 12 см.

Самый маленький парк в мире

Милл Эндс Парк в городе Портленд, штата Орегон, США - это самый маленький парк в мире диаметром всего 60 см. На небольшом круге, расположенном на пересечении дорог располагается бассейн для бабочек, маленькое колесо обозрения и миниатюрные статуи.

Самая маленькая рыба в мире

Рыба вида Paedocypris progenetica из семейства карповых, обнаруженная в торфяных болотах, вырастает всего до 7,9 миллиметров в длину.

Самый маленький человек в мире

72-летний непалец Чандра Бахадур Данги (Chandra Bahadur Dangi) при росте 54,6 см был признан самым невысоким человеком и мужчиной в мире.

Самая маленькая женщина в мире

Самой невысокой женщиной в мире является Йоти Амге (Jyoti Amge) из Индии. На свое 18-летие девушка при росте 62,8 см стала самой маленькой женщиной в мире.

Самый маленький полицейский участок

Эта небольшая телефонная будка в городе Карабелле, штата Флорида, США считается самым маленьким работающим полицейским участком.

Самый маленький младенец в мире

В 2004 году Румаиса Рахман (Rumaisa Rahman) стала самым маленьким новорожденным ребенком. Она родилась на 25-й неделе и весила всего 244 грамм, а ее рост составил 24 см. Ее сестра близнец Хиба весила почти в два раза больше - 566 грамм при росте 30 см. Их мать страдала от тяжелой формы предэклампсии, что может приводит к рождению детей меньшего размера.

Самые маленькие скульптуры в мире

Британский скульптор Уллард Уиган (Willard Wigan), который страдал от дислексии, не преуспевал в учебе и нашел утешение в создании миниатюрных произведений искусства, которые не видны невооруженным глазом. Его скульптуры помещаются в ушке иголки, достигая размеров 0,05 мм. Его недавние работы, которые называют не иначе, как "восьмым чудом света" не превышают размера клетки крови человека.

Самый маленький плюшевый мишка в мире

Мишка Мини-пух созданный немецким скульптором Беттиной Камински (Bettina Kaminski) стал самым крошечным сшитым вручную плюшевым медвежонком с подвижными лапками размером всего 5 мм.

Самая маленькая бактерия

Самый маленький вирус

Хотя среди ученых до сих пор спорят, что считать "живым", а что нет, большинство биологов не классифицируют вирусы в качестве живого организма, так как они не могут размножаться и не способны к обмену вне клетки. Однако вирус может быть меньше любого живого организма, включая бактерию. Самым маленьким одноцепочечным ДНК вирусом является цироковирус свиней (Porcine circovirus ). Диаметр его оболочки составляет всего 17 нанометров.

Самые маленькие объекты, видимые невооруженным глазом

Размер самого маленького объекта видимого невооруженным глазом составляет 1 миллиметр. Это означает, что при необходимых условиях вы сможете увидеть амебу обыкновенную, инфузорию-туфельку и даже яйцеклетку человека.

Самая маленькая частица во Вселенной

За последний век наука сделала огромный шаг к пониманию просторов Вселенной и ее микроскопических строительных материалов. Однако когда дело касается самой маленькой наблюдаемой частицы во Вселенной, возникают некоторые трудности.

Одно время самой маленькой частицей считался атом. Затем ученые открыли протон, нейтрон и электрон. Теперь же мы знаем, что, сталкивая частицы вместе (как например, в Большом адронном коллайдере) их можно разбить на еще больше частиц, таких как кварки, лептоны и даже антивещество . Проблема состоит лишь в определении того, что же является меньше.

Но на квантовом уровне размер становится несущественным, так как законы физики, к которым мы привыкли, не применимы. Так у некоторых частиц нет массы, у некоторых отрицательная масса. Решение этого вопроса, это все равно, что делить на нуль, то есть невозможно.

Самый маленький гипотетический объект во Вселенной

Учитывая, что было сказано выше о том, что понятие размера является неприменимым на квантовом уровне, можно обратиться к известной в физике теории струн.

Хотя это довольно противоречивая теория, она предполагает, что субатомные частицы состоят из вибрирующих струн , которые взаимодействуют, чтобы создать такие вещи, как масса и энергия. И хотя у таких струн нет физических параметров, склонность человека все обосновывать приводит нас к заключению, что это и есть самые маленькие объекты во Вселенной.

Доктор физико-математических наук М. КАГАНОВ.

По давней традиции журнал "Наука и жизнь" рассказывает о новейших достижениях современной науки, о последних открытиях в области физики, биологии и медицины. Но чтобы понимать, насколько они важны и интересны, необходимо хотя бы в общих чертах иметь представление об основах наук. Современная физика развивается стремительно, и люди старшего поколения, те, кто учился в школе и в институте лет 30-40 назад, со многими ее положениями незнакомы: их тогда попросту не существовало. А молодые наши читатели еще не успели про них узнать: научно-популярная литература практически перестала издаваться. Поэтому мы попросили давнего автора журнала М. И. Каганова рассказать об атомах и элементарных частицах и о законах, ими управляющих, о том, что же представляет собой материя. Моисей Исаакович Каганов - физик-теоретик, автор и соавтор нескольких сотен работ по квантовой теории твердого тела, теории металлов и магнетизму. Был ведущим сотрудником Института физических проблем им. П. Л. Капицы и профессором МГУ им. М. В. Ломоносова, членом редколлегий журналов "Природа" и "Квант". Автор многих научно-популярных статей и книг. Сейчас живет в Бостоне (США).

Наука и жизнь // Иллюстрации

Греческий философ Демокрит первым произнес слово "атом". Согласно его учению, атомы неделимы, неуничтожимы и находятся в постоянном движении. Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела.

Таблица 1. Важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов.

Атом дейтерия.

Английский физик Эрнст Резерфорд по праву считается основоположником ядерной физики, учения о радиоактивности и теории строения атома.

На снимке: поверхность кристалла вольфрама, увеличенная в 10 миллионов раз; каждая яркая точка - его отдельный атом.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Работая над созданием теории излучения, Макс Планк в 1900 году пришел к выводу, что атомы нагретого вещества должны излучать свет порциями, квантами, имеющими размерность действия (Дж.с) и энергию, пропорциональную частоте излучения: Е = hn.

В 1923 году Луи де Бройль перенес идею Эйнштейна о двойственной природе света - корпускулярно-волновом дуализме - на вещество: движение частицы соответствует распространению бесконечной волны.

Опыты по дифракции убедительно подтвердили теорию де Бройля, которая утверждала, что движение любой частицы сопровождается волной, длина и скорость которой зависят от массы и энергии частицы.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Опытный бильярдист всегда знает, как покатятся шары после удара, и легко загоняет их в лузу. С атомными частицами гораздо сложнее. Траекторию летящего электрона указать невозможно: он не только частица, но и волна, бесконечная в пространстве.

Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звездами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, которое заполнено мирами и простирается на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, что мы в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма - большая заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка-Земля движется в случайном, казалось бы, ничем не выделенном участке необозримого (буквально!) пространства.

Но на Земле зародилась жизнь. Она развивалась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики.

Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. Не менее поразительно то, что все построено из частиц всего трех типов - электронов, протонов и нейтронов.

Чтобы, используя основные законы природы, вывести наблюдаемые и предсказать новые свойства разнообразных веществ и объектов, созданы сложные математические теории, разобраться в которых совсем не просто. Но контуры научной картины Мира можно постичь, не прибегая к строгой теории. Естественно, для этого необходимо желание. Но не только: даже на предварительное знакомство придется затратить определенный труд. Нужно постараться постичь новые факты, незнакомые явления, которые на первый взгляд не согласуются с имеющимся опытом.

Достижения науки часто приводят к мысли, что для нее "нет ничего святого": то, что вчера было истиной, сегодня отбрасывается. Со знаниями возникает понимание того, как трепетно наука относится к каждой крупице накопленного опыта, с какой осторожностью движется вперед, особенно в тех случаях, когда приходится отказываться от укоренившихся представлений.

Задача этого рассказа - познакомить с принципиальными чертами строения неорганических веществ. Несмотря на бесконечное разнообразие, их структура сравнительно проста. Особенно, если сравнивать их с любым, даже самым простым живым организмом. Но есть и общее: все живые организмы, как и неорганические вещества, построены из электронов, протонов и нейтронов.

Нельзя объять необъятное: для того чтобы, хотя бы в общих чертах, познакомить с устройством живых организмов, нужен специальный рассказ.

Разнообразие вещей, предметов - всего, чем мы пользуемся, что нас окружает, необозримо. Не только по своему предназначению и устройству, но и по используемым для их создания материалам - веществам, как принято говорить, когда нет необходимости подчеркивать их функцию.

Вещества, материалы выглядят сплошными, а осязание подтверждает то, что видят глаза. Казалось бы, нет исключений. Текучая вода и твердый металл, столь непохожие друг на друга, сходны в одном: и металл и вода сплошные. Правда, в воде можно растворить соль или сахар. Они находят себе в воде место. Да и в твердое тело, например в деревянную доску, можно вбить гвоздь. Приложив заметные усилия, можно добиться того, что место, которое было занято деревом, займет железный гвоздь.

Мы хорошо знаем: от сплошного тела можно отломить небольшой кусочек, можно измельчить практически любой материал. Иногда это трудно, порой происходит самопроизвольно, без нашего участия. Представим себя на пляже, на песке. Мы понимаем: песчинка - далеко не самая мелкая частица вещества, из которого состоит песок. Если постараться, можно песчинки уменьшить, например, пропустив через вальцы - через два цилиндра из очень твердого металла. Попав между вальцами, песчинка раздробится на более мелкие части. По сути, так из зерна на мельницах делают муку.

Теперь, когда атом прочно вошел в наше мироощущение, очень трудно представить себе, что люди не знали, ограничен процесс дробления или вещество можно размельчать до бесконечности.

Неизвестно, когда люди впервые задали себе этот вопрос. Впервые он был зафиксирован в сочинениях древнегреческих философов. Некоторые из них считали, что, сколько ни дроби вещество, оно допускает деление на еще более мелкие части - предела нет. Другие высказывали мысль, что существуют мельчайшие неделимые частицы, из которых и состоит все. Чтобы подчеркнуть, что частицы эти - предел дробления, они назвали их атомами (по-древнегречески слово "атом" означает неделимый).

Необходимо назвать тех, кто первым выдвинул идею существовования атомов. Это - Демокрит (родился около 460 или 470 года до новой эры, умер в глубокой старости) и Эпикур (341-270 годы до новой эры). Итак, атомному учению почти 2500 лет. Представление об атомах отнюдь не сразу восприняли все. Еще лет 150 назад уверенных в существовании атомов было мало даже среди ученых.

Дело в том, что атомы очень малы. Их невозможно разглядеть не только простым глазом, но и, например, с помощью микроскопа, увеличивающего в 1000 раз. Давайте задумаемся: каков размер самых маленьких частиц, которые можно увидеть? У разных людей разное зрение, но, наверное, все согласятся, что увидеть частицу размером менее 0,1 миллиметра нельзя. Поэтому, если воспользоваться микроскопом, можно, хотя и с трудом, разглядеть частицы размером около 0,0001 миллиметра, или 10 -7 метра. Сравнив размеры атомов и межатомных расстояний (10 -10 метра) с длиной, принятой нами как предел возможности увидеть, поймем, почему любое вещество кажется нам сплошным.

2500 лет - огромный срок. Что бы ни происходило в мире, всегда находились люди, которые пытались ответить себе на вопрос, как устроен окружающий их мир. В какие-то времена проблемы устройства мира волновали больше, в какие-то - меньше. Рождение науки в ее современном понимании произошло сравнительно недавно. Ученые научились ставить эксперименты - задавать природе вопросы и понимать ее ответы, создавать теории, описывающие результаты экспериментов. Теории потребовали строгих математических методов для получения достоверных выводов. Наука прошла длинный путь. На этом пути, который для физики начался около 400 лет назад с работ Галилео Галилея (1564-1642), добыто бесконечное количество сведений о строении вещества и свойствах тел разной природы, обнаружено и понято бесконечное количество разнообразных явлений.

Человечество научилось не только пассивно понимать природу, но и использовать ее в своих целях.

Мы не будем рассматривать историю развития атомных представлений на протяжении 2500 лет и историю физики в течение последних 400 лет. Наша задача - по возможности кратко и наглядно рассказать о том, из чего и как построено все - окружающие нас предметы, тела и мы сами.

Как было уже сказано, все вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Знаю об этом со школьных лет, но меня не перестает поражать, что все построено из частиц всего трех сортов! А ведь мир так разнообразен! К тому же и средства, которыми пользуется природа для осуществления строительства, тоже достаточно однообразны.

Последовательное описание того, как построены вещества разного типа, - сложная наука. Она использует серьезную математику. Надо подчеркнуть - какой-то другой, простой теории не существует. Но физические принципы, лежащие в основе понимания строения и свойств веществ, хотя они нетривиальны и трудно представимы, все же постичь можно. Своим рассказом мы попытаемся помочь всем, кого интересует устройство мира, в котором мы живем.

Казалось бы, наиболее естественный способ понять, как устроено некое сложное устройство (игрушка или механизм), - разобрать, разложить на составные части. Надо только быть очень осторожным, помня, что сложить будет значительно труднее. "Ломать - не строить" - говорит народная мудрость. И еще: из чего состоит устройство, мы, может быть, поймем, но, как работает, вряд ли. Стоит иногда отвинтить один винтик, и все - устройство перестало работать. Нужно не столько разобрать, сколько разобраться.

Так как речь идет не о фактическом разложении всех окружающих нас предметов, вещей, организмов, а о воображаемом, то есть о мысленном, а не о настоящем опыте, то можно не волноваться: собирать не придется. Кроме того, не будем скупиться на усилия. Не будем задумываться, трудно или легко разложить устройство на составные части. Секундочку. А откуда мы знем, что дошли до предела? Может быть, добавив усилий, сможем пойти дальше? Признаемся себе: мы не знаем, дошли ли до предела. Приходится воспользоваться общепринятым мнением, понимая, что это не слишком надежный аргумент. Но если помнить о том, что это лишь общепринятое мнение, а не истина в последней инстанции, то опасность невелика.

Сейчас общепринято, что деталями, из которых все построено, служат элементарные частицы. И при этом далеко не все. Посмотрев в соответствующий справочник, мы убедимся: элементарных частиц более трехсот. Обилие элементарных частиц заставило задуматься о возможности существования субэлементарных частиц - частиц, из которых состоят сами элементарные частицы. Так появилась идея кварков. Они обладают тем удивительным свойством, что, по-видимому, не существуют в свободном состоянии. Кварков достаточно много - шесть, и у каждого имеется своя античастица. Возможно, путешествие в глубь материи не окончено.

Для нашего рассказа обилие элементарных частиц и существование субэлементарных несущественно. В построении веществ непосредственное участие принимают электроны, протоны и нейтроны - все построено только из них.

Прежде чем обсуждать свойства реальных частиц, задумаемся, какими нам бы хотелось видеть детали, из которых все построено. Когда речь идет о том, что хотелось бы видеть, конечно, надо учитывать разнообразие взглядов. Отберем несколько черт, которые кажутся обязательными.

Во-первых, элементарные частицы должны иметь свойство объединяться в разнообразные структуры.

Во-вторых, хочется думать, что элементарные частицы неуничтожимы. Зная, какую длинную историю имеет мир, трудно представить себе, что частицы, из которых он состоит, смертны.

В-третьих, хотелось бы, чтобы самих деталей было не слишком много. Глядя на строительные блоки, мы видим, сколь разнообразные постройки могут быть созданы из одинаковых элементов.

Знакомясь с электронами, протонами и нейтронами, мы увидим, что их свойства не противоречат нашим пожеланиям, а желанию простоты, несомненно, соответствует то, что в строении всех веществ принимают участие всего три типа элементарных частиц.

Приведем важнейшие характеристики электронов, протонов и нейтронов. Они собраны в таблицу 1.

Величина заряда дана в кулонах, масса - в килограммах (единицах СИ); слова "спин" и "статистика" будут пояснены ниже.

Обратим внимание на различие в массе частиц: протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов. Следовательно, масса любого тела почти целиком определяется массой протонов и нейтронов.

Нейтрон, как это следует из его названия, нейтрален - его заряд равен нулю. А протон и электрон имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды. Электрон заряжен отрицательно, а протон - положительно.

Среди характеристик частиц нет, казалось бы, важной характеристики - их размера. Описывая строение атомов и молекул, электроны, протоны и нейтроны можно считать материальными точками. О размерах протона и нейтрона придется вспомнить только при описании атомных ядер. Даже по сравнению с размерами атомов протоны и нейтроны чудовищно малы (порядка 10 -16 метра).

По сути дела, этот короткий раздел сводится к представлению электронов, протонов и нейтронов как строительного материала всех тел в природе. Можно было бы просто ограничиться таблицей 1, однако нам предстоит понять, каким образом из электронов, протонов и нейтронов осуществляется постройка, что заставляет частицы объединяться в более сложные конструкции и каковы эти конструкции.

Атомов много. Оказалось необходимым и возможным упорядочить их специальным образом. Упорядочение дает возможность подчеркнуть различие и сходство атомов. Разумное расположение атомов - заслуга Д. И. Менделеева (1834-1907), который сформулировал периодический закон, носящий его имя. Если временно отвлечься от существования периодов, то принцип расположения элементов крайне прост: они располагаются последовательно по весу атомов. Самый легкий - атом водорода. Последний природный (не созданный искусственно) атом - атом урана, который тяжелее его в 200 с лишним раз.

Понимание строения атомов объяснило наличие периодичности в свойствах элементов.

В самом начале XX века Э. Резерфорд (1871-1937) убедительно показал, что почти вся масса атома сосредоточена в его ядре - небольшой (даже по сравнению с атомом) области пространства: радиус ядра приблизительно в 100 тысяч раз меньше размера атома. Когда Резерфорд производил свои эксперименты, еще не был открыт нейтрон. С открытием нейтрона было понято, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а атом естественно представлять себе как ядро, окруженное электронами, число которых равно числу протонов в ядре - ведь в целом атом нейтрален. Протоны и нейтроны, как строительный материал ядра, получили общее название - нуклоны (с латинского nucleus - ядро). Этим названием мы и будем пользоваться.

Количество нуклонов в ядре принято обозначать буквой А . Ясно, что А = N + Z , где N - число нейтронов в ядре, а Z - число протонов, равное числу электронов в атоме. Число А носит название атомной массы, а Z - атомного номера. Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они находятся в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место). Дело в том, что химические свойства изотопов почти тождественны. Если таблицу Менделеева рассмотреть внимательно, можно убедиться, что, строго говоря, расположение элементов соответствует не атомной массе, а атомному номеру. Если элементов около 100, то изотопов более 2000. Правда, многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны (от латинского radio - излучаю, activus - деятельный), они распадаются, испуская различные излучения.

Опыты Резерфорда не только привели к открытию атомных ядер, но и показали, что в атоме действуют те же электростатические силы, которые отталкивают друг от друга одноименно заряженные тела и притягивают друг к другу разноименно заряженные (например, шарики электроскопа).

Атом устойчив. Следовательно, электроны в атоме движутся вокруг ядра: центробежная сила компенсирует силу притяжения. Понимание этого привело к созданию планетарной модели атома, в которой ядро - Солнце, а электроны - планеты (с точки зрения классической физики, планетарная модель непоследовательна, но об этом ниже).

Есть целый ряд способов оценить размер атома. Разные оценки приводят к близким результатам: размеры атомов, конечно, различны, но приблизительно равны нескольким десятым нанометра (1 нм = 10 -9 м).

Рассмотрим для начала систему электронов атома.

В Солнечной системе планеты притягиваются к Солнцу силой гравитации. В атоме действует электростатическая сила. Ее часто называют кулоновской в честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), установившего, что сила взаимодействия между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тот факт, что два заряда Q 1 и Q 2 притягиваются или отталкивают ся с силой, равной F C = Q 1 Q 2 /r 2 , где r - расстояние между зарядами, носит название "Закон Кулона". Индекс "С" присвоен силе F по первой букве фамилии Кулона (по-французски Coulomb ). Среди самых различных утверждений мало найдется таких, которые столь же справедливо названы законом, как закон Кулона: ведь область его применимости практически не ограничена. Заряженные тела, каких бы они ни были размеров, а также атомные и даже субатомные заряженные частицы - все они притягиваются или отталкиваются в согласии с законом Кулона.

С гравитацией человек знакомится в раннем детстве. Падая, он учится уважать силу притяжения к Земле. Знакомство с ускоренным движением обычно начинается с изучения свободного падения тел - движения тела под действием гравитации.

Между двумя телами массы М 1 и М 2 действует сила F N =-GМ 1 М 2 /r 2 . Здесь r - расстояние между телами, G - гравитационная постоянная, равная 6,67259.10 -11 м 3 кг -1 с -2 , индекс "N" дан в честь Ньютона (1643 - 1727). Это выражение называют законом всемирного тяготения, подчеркивая его всеобщий характер. Сила F N определяет движение галактик, небесных тел и падение предметов на Землю. Закон всемирного тяготения справедлив при любом расстоянии между телами. Изменения в картину гравитации, которые внесла общая теория относительности Эйнштейна (1879-1955), мы упоминать не будем.

И кулоновская электростатическая сила, и ньютоновская сила всемирного тяготения одинаково (как 1/r 2) уменьшаются с увеличением расстояния между телами. Это позволяет сравнить действие обеих сил на любом расстоянии между телами. Если силу кулоновского отталкивания двух протонов сравнить по величине с силой их гравитационного притяжения, то окажется, что F N /F C = 10 -36 (Q 1 = Q 2 = e p ; M 1 = = M 2 = m p). Поэтому гравитация сколько-нибудь существенной роли в строении атома не играет: она слишком мала по сравнению с электростатической силой.

Обнаружить электрические заряды и измерить взаимодействие между ними не представляет труда. Если электрическая сила так велика, то почему она не важна, когда, скажем, падают, прыгают, бросают мяч? Потому что в большинстве случаев мы имеем дело с нейтральными (незаряженными) телами. В пространстве всегда очень много заряженных частиц (электронов, ионов разного знака). Под воздействием огромной (по атомным масштабам) притягивающей электрической силы, созданной заряженным телом, заряженные частицы устремляются к ее источнику, прилипают к телу и нейтрализуют его заряд.

Об атомных и еще более мелких, субатомных, частицах очень трудно рассказывать главным образом потому, что их свойствам никаких аналогов в нашей повседневной жизни нет. Можно подумать, что частицы, из которых состоят такие маленькие атомы, удобно представлять себе в виде материальных точек. Но все оказалось гораздо сложнее.

Частица и волна... Казалось бы, даже сравнивать бессмысленно, настолько они различны.

Наверное, когда думаешь о волне, то прежде всего представляешь себе волнующуюся морскую поверхность. Волны на берег приходят из открытого моря, длины волн - расстояния между двумя последовательными гребнями - могут быть разными. Легко наблюдать волны, имеющие длину порядка нескольких метров. При волнении, очевидно, колеблется масса воды. Волна охватывает значитель ное пространство.

Волна периодичнa во времени и в пространстве. Длина волны (λ ) - мера пространственной периодичности. Периодичность волнового движения во времени видна в повторяемости прихода гребней волн к берегу, а можно ее обнаружить, например, по колебанию поплавка вверх-вниз. Обозначим период волнового движения - время, за которое проходит одна волна, - буквой Т . Величина, обратная периоду, называется частотой ν = 1/Т . Самые простые волны (гармонические) имеют определенную частоту, которая не меняется во времени. Любое сложное волновое движение может быть представлено в виде совокупности простых волн (см. "Наука и жизнь" № 11, 2001 г.). Строго говоря, простая волна занимает бесконечное пространство и существует бесконечно долго. Частица, как мы ее себе представляем, и волна абсолютно не похожи.

Со времен Ньютона шел спор о природе света. Что есть свет - совокупность частиц (корпускул, от латинского corpusculum - тельце) или волн? Теории долго конкурировали. Волновая теория победила: корпускулярная теория не могла объяснить экспериментальные факты (интерференцию и дифракцию света). С прямолинейным распространением светового луча волновая теория легко справилась. Немаловажную роль сыграло то, что длина световых волн по житейским понятиям очень мала: диапазон длин волн видимого света от 380 до 760 нанометров. Более короткие электромагнитные волны - ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, а более длинные - инфракрасные, миллиметровые, сантиметровые и все остальные радиоволны.

К концу XIX века победа волновой теории света над корпускулярной казалась окончательной и бесповоротной. Однако ХХ век внес серьезные коррективы. Казалось, что свет или волны, или частицы. Оказалось - и волны и частицы. Для частиц света, для его квантов, как принято говорить, было придумано специальное слово - "фотон". Слово "квант" происходит от латинского слова quantum - сколько, а "фотон" - от греческого слова photos - свет. Слова, обозначающие название частиц, в большинстве случаев имеют окончание он . Как ни удивительно, в одних экспериментах свет ведет себя как волны, а в других - как поток частиц. Постепенно удалось построить теорию, предсказывающую, как, в каком эксперименте будет вести себя свет. В настоящее время эта теория всеми принята, разное поведение света уже не вызывает удивления.

Первые шаги всегда особенно трудны. Приходилось идти против устоявшегося в науке мнения, высказывать утверждения, кажущиеся ересью. Настоящие ученые искренне верят в ту теорию, которую они используют для описания наблюдаемых явлений. Отказаться от принятой теории очень трудно. Первые шаги сделали Макс Планк (1858-1947) и Альберт Эйнштейн (1879-1955).

Согласно Планку - Эйнштейну, именно отдельными порциями, квантами, свет излучается и поглощается веществом. Энергия, которую несет фотон, пропорциональна его частоте: Е = h ν. Коэффициент пропорциональности h назвали постоянной Планка в честь немецкого физика, который ввел ее в теорию излучения в 1900 году. И уже в первой трети XX века стало понятно, что постоянная Планка - одна из важнейших мировых констант. Естествен но, она была тщательно измерена: h = 6,6260755.10 -34 Дж.с.

Квант света - это много или мало? Частота видимого света порядка 10 14 с -1 . Напомним: частота и длина волны света связаны соотношением ν = c /λ, где с = 299792458.10 10 м/с (точно) - скорость света в вакууме. Энергия кванта h ν, как нетрудно видеть, порядка 10 -18 Дж. За счет этой энергии можно поднять на высоту 1 сантиметр массу в 10 -13 грамма. По человеческим масштабам чудовищно мало. Но это масса 10 14 электронов. В микромире совсем другие масштабы! Конечно, человек не может ощутить массу в 10 -13 грамма, но глаз человека столь чувствителен, что может увидеть отдельные кванты света - в этом убедились, произведя ряд тонких экспериментов. В обычных условиях человек не различает "зернистости" света, воспринимая его как непрерывный поток.

Зная, что свет имеет одновременно и корпускулярную и волновую природу, легче представить себе, что и "настоящие" частицы обладают волновыми свойствами. Впервые такую еретическую мысль высказал Луи де Бройль (1892-1987). Он не пытался выяснить, какова природа волны, характеристики которой предсказал. Согласно его теории, частице массой m , летящей со скоростью v , соответствует волна с длиной волны l = hmv и частотой ν = Е /h , где Е = mv 2 /2 - энергия частицы.

Дальнейшее развитие атомной физики привело к пониманию природы волн, описывающих движение атомных и субатомных частиц. Возникла наука, получившая название "квантовая механика" (в первые годы ее чаще называли волновой механикой).

Квантовая механика применима к движению микроскопических частиц. При рассмотрении движения обычных тел (например, любых деталей механизмов) нет никакoго смысла учитывать квантовые поправки (поправки, обязанные волновым свойствам материи).

Одно из проявлений волнового движения частиц - отсутствие у них траектории. Для существования траектории необходимо, чтобы в каждый момент времени частица имела определенную координату и определенную скорость. Но именно это и запрещено квантовой механикой: чстица не может иметь одновременно и определенное значение координаты х , и определенное значение скорости v . Их неопределенности Dх и Dv связаны соотношением неопределенностей, открытым Вернером Гейзенбергом (1901-1974): Dх Dv ~ h/m , где m - масса частицы, а h - постоянная Планка. Постоянную Планка часто называют универсальным квантом "действия". Не уточняя термин действие , обратим внимание на эпитет универсальный . Он подчеркивает, что соотношение неопределенности справедливо всегда. Зная условия движения и массу частицы, можно оценить, когда нужно учитывать квантовые законы движения (другими словами, когда нельзя пренебречь волновыми свойствами частиц и их следствием - соотношениями неопределенности), а когда вполне можно пользоваться классическими законами движения. Подчеркнем: если можно, то и нужно, так как классическая механика существенно проще квантовой.

Обратим внимание на то, что постоянная Планка делится на массу (они входят в комбинации h/m ). Чем масса больше, тем роль квантовых законов меньше.

Чтобы почувствовать, когда пренебречь квантовыми свойствами заведомо можно, постараемся оценить величины неопределенностей Dх и Dv . Если Dх и Dv пренебрежимо малы по сравнению с их средними (классическими) значениями, формулы классической механики прекрасно описывают движение, если не малы, необходимо использовать квантовую механику. Нет смысла учитывать квантовую неопределенность и тогда, когда другие причины (в рамках классической механики) приводят к большей неопределенности, чем соотношение Гейзенберга.

Рассмотрим один пример. Помня, что мы хотим показать возможность пользоваться классической механикой, рассмотрим "частицу", масса которой 1 грамм, а размер 0,1 миллиметра. По человеческим масштабам это - крупинка, легкая, маленькая частица. Но она в 10 24 раз тяжелее протона и в миллион раз больше атома!

Пусть "наша" крупинка движется в сосуде, наполненном водородом. Если крупинка летит достаточно быстро, нам кажется, что она движется по прямой с определенной скоростью. Это впечатление ошибочно: из-за ударов молекул водорода по крупинке ее скорость при каждом ударе чуть изменяется. Оценим, на сколько именно.

Пусть температура водорода 300 К (температуру мы всегда измеряем по абсолютной шкале, по шкале Кельвина; 300 К = 27 o С). Умножив температуру в кельвинах на постоянную Больцмана k B , = 1,381.10 -16 Дж/К, мы выразим ее в энергетических единицах. Изменение скорости крупинки можно подсчитать, воспользовавшись законом сохранения количества движения. При каждом столкновении крупинки с молекулой водорода ее скорость изменяется приблизительно на 10 -18 см/с. Изменение происходит совершенно случайно и в случайном направлении. Поэтому величину 10 -18 см/с естественно считать мерой классической неопределенности скорости крупинки (Dv ) кл для данного случая. Итак, (Dv ) кл = 10 -18 см/с. Местоположение крупинки определить с точностью большей, чем 0,1 ее размера, по-видимому, очень трудно. Примем (Dх ) кл = 10 -3 см. Наконец, (Dх ) кл (Dv ) кл = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Казалось бы, очень маленькая величина. Во всяком случае, неопределенности скорости и координаты так малы, что можно рассматривать среднее движение крупинки. Но по сравнению с квантовой неопределенностью, продиктованной соотношением Гейзенберга (Dх Dv = 10 -27), классическая неоднородность огромна - в этом случае превышает ее в миллион раз.

Вывод: рассматривая движение крупинки, учитывать ее волновые свойства, то есть существование квантовой неопределенности координаты и скорости, не нужно. Вот когда речь идет о движении атомных и субатомных частиц, ситуация резко меняется.

Какая самая маленькая известная частица? Именно они на сегодняшний день считаются самыми маленькими частицами во Вселенной. Самая маленькая частица во Вселенной – планковская чёрная дыра (Planck Black Hole), которая пока существует только в теории. Планковская черная дыра – самая маленькая из всех черных дыр (в связи с дискретностью спектра масс) – представляет собой некий пограничный объект. Но, во Вселенной обнаружили также и ее самую маленькую частицу, которую теперь тщательно исследуют.

Самая высочайшая точка России раскинулась на территории Кавказа. Потом самыми мельчайшими частицами стали мезоны, потом бозоны. Эта частица относится к категории черных дыр потому, что ее гравитационный радиус больше либо равен длине волны. Из всех существующих черных дыр, планковская – самая маленькая.

А образуются они, как это принято считать, в результате ядерных реакций. Не смотря на такое гипотетическое существование этой мельчайшей частицы во Вселенной, ее практическое открытие в будущем является вполне возможным. Именно для его обнаружения была создана установка, о которой не слышал только самый ленивый житель на Земле – Большой адронный коллайдер. Бозон Хиггса на данный момент мельчайшая частица из тех, чье существование доказано практически.

А если бы у частиц не было массы, вселенная не могла бы существовать. В ней не могло бы образовываться ни одно вещество. Не смотря на практическое доказанное существование этой частицы, бозона Хиггса, применения на практике для него еще не придумали. Наш мир огромен и в нем каждый день происходит что-то интересное, что-то необычное и завораживающее. Оставайтесь с нами и каждый день узнавайте о самых интересных фактах со всего света, о необычных людях или вещах, о творениях природы или человека.

Элементарная частица - это частица без внутренней структуры, то есть не содержащая других частиц[прим. 1]. Элементарные частицы - фундаментальные объекты квантовой теории поля. Они могут быть классифицированы по спину: фермионы имеют полуцелый спин, а бозоны - целый спин. Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц.

Они классифицируются по своему участию в сильном взаимодействии. Адроны определяются как сильно взаимодействующие составные частицы. См. также партон (частица). В их число входят пион, каон, J/ψ-мезон и многие другие типы мезонов. Ядерные реакции и радиоактивный распад могут превращать один нуклид в другой.

Атом состоит из маленького тяжёлого положительно заряженного ядра, окружённого относительно большим лёгким облаком электронов. Существуют также короткоживущие экзотические атомы, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний).

К сожалению, как-то зарегистрировать их пока не удалось, и они существуют только в теории. И хотя сегодня предложены эксперименты для обнаружения черных дыр, но возможность их осуществления наталкивается на значительную проблему. Напротив, маленькие вещи могут оставаться незамеченными, хотя от этого они не становятся менее важными. Харагуанский сферо (Sphaerodactylus ariasae) является самым маленьким пресмыкающимся в мире. Его длина составляет всего 16-18 мм, а вес 0,2 грамма.

Самые маленькие вещи в мире

Самым маленьким одноцепочечным ДНК вирусом является цироковирус свиней (Porcine circovirus). За последний век наука сделала огромный шаг к пониманию просторов Вселенной и ее микроскопических строительных материалов.

Одно время самой маленькой частицей считался атом. Затем ученые открыли протон, нейтрон и электрон. Теперь же мы знаем, что, сталкивая частицы вместе (как например, в Большом адронном коллайдере) их можно разбить на еще больше частиц, таких как кварки, лептоны и даже антивещество. Проблема состоит лишь в определении того, что же является меньше. Так у некоторых частиц нет массы, у некоторых отрицательная масса. Решение этого вопроса, это все равно, что делить на нуль, то есть невозможно.

Как Вы считаете, что то в этом есть?, а именно: Самая маленькая частица базон Хиггса.

И хотя у таких струн нет физических параметров, склонность человека все обосновывать приводит нас к заключению, что это и есть самые маленькие объекты во Вселенной. Астрономия и телескопы → Вопрос и ответ астронома и астрофизика → Как Вы считаете, что то в этом есть?, а именн…

Самый маленький вирус

Дело в том, что для синтеза таких частиц необходимо добиться в ускорителе энергии в 1026 электронвольт, что технически невозможно. Масса таких частиц составляет величину порядка 0, 00001 грамм, а радиус – 1/1034 метра. Длина волны такой черной дыры сопоставима с размером ее гравитационного радиуса.

Где находится Земля во вселенной? Что было во вселенной до большого взрыва? Что было до образования Вселенной? Сколько лет вселенной? Как выяснилось, это был не единственный боеприпас в коллекции 13-летнего мальчика». Строение таких частиц критично минимальное – у них почти нет массы, и совсем нет атомного заряда, так как ядро слишком маленькое. Есть числа, которые так неимоверно, невероятно велики, что даже для того чтобы записать их, потребуется вся вселенная целиком.

Самые маленькие объекты, видимые невооруженным глазом

Google, родился в 1920 году как способ заинтересовать детей большими числами. Это число, по мнению Мильтона, в котором на первом месте стоит 1, а затем столько нулей, сколько вы могли бы написать до того как устанете. Если мы будем говорить о самом большом значащем числе, существует разумный аргумент, что это в самом деле означает, что нужно найти наибольшее число с реально существующим в мире значением.

Так, масса Солнца в тоннах будет меньше, чем в фунтах. Наибольшее число с каким-либо реальным приложением мире - или, в данном случае реальным применением в мирах - вероятно, - одна из последних оценок числа вселенных в мультивселенной. Это число настолько велико, что человеческий мозг будет буквально не в состоянии воспринять все эти разные вселенные, поскольку мозг способен только примерно на конфигураций.

Вот коллекция самых маленьких вещей в мире, начиная от крошечных игрушек, миниатюрных животных и людей до гипотетической субатомной частицы. Атомы - самые маленькие частицы, на которые материя может быть разделена с помощью химических реакций. Самый маленький чайник в мире был создан известным мастером по керамике Ву Руишеном (Wu Ruishen) и он весит всего 1,4 грамма. В 2004 году Румаиса Рахман (Rumaisa Rahman) стала самым маленьким новорожденным ребенком.