Quelle est la plus petite particule existant dans l'univers. Prologue

Le monde et la science ne restent jamais immobiles. Tout récemment, les manuels de physique écrivaient avec assurance que l’électron est la plus petite particule. Puis les mésons sont devenus les plus petites particules, puis les bosons. Et maintenant, la science a découvert un nouveau la plus petite particule de l'univers- Trou noir de Planck. Certes, il n'est encore ouvert qu'en théorie. Cette particule est classée comme trou noir car son rayon gravitationnel est supérieur ou égal à la longueur d’onde. De tous les trous noirs existants, celui de Planck est le plus petit.

La durée de vie de ces particules est trop courte pour permettre leur détection pratique. Au moins sur ce moment. Et ils se forment, comme on le croit généralement, à la suite de réactions nucléaires. Mais ce n’est pas seulement la durée de vie des trous noirs de Planck qui empêche leur détection. Malheureusement, cela n'est pas possible avec point technique vision. Pour synthétiser les trous noirs de Planck, il faut un accélérateur d’énergie de plus de mille électrons-volts.

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Malgré l'existence hypothétique de cette plus petite particule de l'Univers, sa découverte pratique dans le futur est tout à fait possible. Après tout, il n’y a pas si longtemps, le légendaire boson de Higgs ne pouvait pas non plus être découvert. C'est pour sa découverte qu'a été créée une installation dont seul l'habitant le plus paresseux de la Terre n'a pas entendu parler : le Grand collisionneur de hadrons. La confiance des scientifiques dans le succès de ces études a permis d'obtenir un résultat sensationnel. Le boson de Higgs est actuellement la plus petite particule dont l'existence est pratiquement prouvée. Sa découverte est très importante pour la science ; elle a permis à toutes les particules d'acquérir de la masse. Et si les particules n’avaient pas de masse, l’univers ne pourrait pas exister. Aucune substance ne pouvait s’y former.

Malgré l'existence pratiquement prouvée de cette particule, le boson de Higgs, ses applications pratiques n'ont pas encore été inventées. Pour l’instant, il ne s’agit que de connaissances théoriques. Mais dans le futur, tout est possible. Toutes les découvertes dans le domaine de la physique n’ont pas immédiatement eu une application pratique. Personne ne sait ce qui se passera dans cent ans. Après tout, comme mentionné précédemment, le monde et la science ne restent jamais immobiles.

Docteur en Sciences Physiques et Mathématiques M. KAGANOV.

Selon une longue tradition, la revue « Science et Vie » parle des dernières réalisations de la science moderne, des dernières découvertes dans le domaine de la physique, de la biologie et de la médecine. Mais pour comprendre à quel point ils sont importants et intéressants, il faut au moins Plan général avoir une compréhension des bases de la science. La physique moderne se développe rapidement et les personnes de la génération plus âgée, celles qui ont étudié à l'école et au collège il y a 30 à 40 ans, ne connaissent pas bon nombre de ses dispositions : elles n'existaient tout simplement pas à l'époque. Et nos jeunes lecteurs n'ont pas encore eu le temps de s'en informer : la littérature de vulgarisation scientifique a pratiquement cessé d'être publiée. C'est pourquoi nous avons demandé à l'auteur de longue date de la revue M.I. Kaganov de parler des atomes et des particules élémentaires et des lois qui les régissent, de ce qu'est la matière. Moses Isaakovich Kaganov est un physicien théoricien, auteur et co-auteur de plusieurs centaines d'ouvrages sur la théorie quantique des solides, la théorie des métaux et le magnétisme. Il était l'un des principaux employés de l'Institut des problèmes physiques qui porte son nom. P. L. Kapitsa et professeur à l'Université d'État de Moscou. M. V. Lomonosov, membre des comités de rédaction des revues "Nature" et "Quantum". Auteur de nombreux articles et livres de vulgarisation scientifique. Vit maintenant à Boston (USA).

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Le philosophe grec Démocrite fut le premier à utiliser le mot « atome ». Selon son enseignement, les atomes sont indivisibles, indestructibles et sont en mouvement constant. Ils sont infiniment variés, ont des dépressions et des convexités avec lesquelles ils s'emboîtent, formant tous les corps matériels.

Tableau 1. Les caractéristiques les plus importantes des électrons, des protons et des neutrons.

Atome de deutérium.

Le physicien anglais Ernst Rutherford est à juste titre considéré comme le fondateur de la physique nucléaire, de la doctrine de la radioactivité et de la théorie de la structure atomique.

Sur la photo : la surface d'un cristal de tungstène, agrandie 10 millions de fois ; chaque point brillant est son atome individuel.

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Travaillant à la création de la théorie du rayonnement, Max Planck est arrivé en 1900 à la conclusion que les atomes de matière chauffée devraient émettre de la lumière par portions, quanta, ayant une dimension d'action (J.s) et une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement : E = hn .

En 1923, Louis de Broglie transfère l'idée d'Einstein sur la double nature de la lumière - la dualité onde-particule - à la matière : le mouvement d'une particule correspond à la propagation d'une onde infinie.

Les expériences de diffraction ont confirmé de manière convaincante la théorie de de Broglie, selon laquelle le mouvement de toute particule est accompagné d'une onde dont la longueur et la vitesse dépendent de la masse et de l'énergie de la particule.

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Un joueur de billard expérimenté sait toujours comment les boules rouleront après avoir été frappées et les enfoncera facilement dans la poche. Avec les particules atomiques, c’est beaucoup plus difficile. Il est impossible d’indiquer la trajectoire d’un électron en vol : ce n’est pas seulement une particule, mais aussi une onde, infinie dans l’espace.

La nuit, lorsqu'il n'y a pas de nuages ​​dans le ciel, que la lune n'est pas visible et qu'aucune lumière ne gêne, le ciel est rempli d'étoiles brillantes. Il n’est pas nécessaire de rechercher des constellations familières ou d’essayer de trouver des planètes proches de la Terre. Regarde juste! Essayez d'imaginer un espace immense rempli de mondes et s'étendant sur des milliards de milliards d'années-lumière. C'est uniquement à cause de la distance que les mondes apparaissent comme des points, et beaucoup d'entre eux sont si éloignés qu'ils ne peuvent pas être distingués individuellement et se fondent en nébuleuses. Il semble que nous soyons au centre de l'univers. Nous savons maintenant que ce n'est pas vrai. Le rejet du géocentrisme est un grand mérite de la science. Il a fallu beaucoup d'efforts pour réaliser que la petite Terre se déplace dans une zone aléatoire et apparemment non marquée d'un vaste (littéralement !) espace.

Mais la vie est née sur Terre. Il s'est développé avec un tel succès qu'il a pu produire une personne capable de comprendre le monde qui l'entourait, de rechercher et de trouver les lois qui régissent la nature. Les réalisations de l’humanité dans la compréhension des lois de la nature sont si impressionnantes qu’on se sent involontairement fier d’appartenir à cette pincée d’intelligence perdue à la périphérie d’une galaxie ordinaire.

Compte tenu de la diversité de tout ce qui nous entoure, l’existence de lois générales est étonnante. Non moins étonnant, c'est que tout est construit à partir de seulement trois types de particules : les électrons, les protons et les neutrons.

Afin, en utilisant les lois fondamentales de la nature, de dériver des observables et de prédire de nouvelles propriétés de diverses substances et objets, des théories mathématiques, qui ne sont pas du tout faciles à comprendre. Mais les contours de l’image scientifique du monde peuvent être compris sans recourir à une théorie stricte. Naturellement, cela demande du désir. Mais pas seulement : même une connaissance préliminaire nécessitera un certain travail. Nous devons essayer de comprendre des faits nouveaux, des phénomènes inconnus qui, à première vue, ne correspondent pas à l'expérience existante.

Les acquis de la science conduisent souvent à l’idée que « rien n’est sacré » pour elle : ce qui était vrai hier est aujourd’hui rejeté. La connaissance permet de comprendre avec quel respect la science traite chaque grain d'expérience accumulée, avec quelle prudence elle avance, en particulier dans les cas où il est nécessaire d'abandonner des idées enracinées.

Le but de cette histoire est de présenter les caractéristiques fondamentales de la structure des substances inorganiques. Malgré leur infinie variété, leur structure est relativement simple. Surtout si vous les comparez avec n’importe quel organisme vivant, même le plus simple. Mais il y a aussi quelque chose en commun : tous les organismes vivants, comme les substances inorganiques, sont construits à partir d’électrons, de protons et de neutrons.

Il est impossible d’en saisir l’immensité : pour introduire, au moins en termes généraux, la structure des organismes vivants, il faut une histoire particulière.

La variété des choses, des objets, de tout ce que nous utilisons, de ce qui nous entoure, est immense. Non seulement par leur objectif et leur conception, mais aussi par les matériaux utilisés pour les créer - des substances, comme on dit, lorsqu'il n'est pas nécessaire de souligner leur fonction.

Les substances et les matériaux semblent solides et le sens du toucher confirme ce que voient les yeux. Il semblerait qu'il n'y ait aucune exception. eau qui coule et le métal solide, si différents l’un de l’autre, se ressemblent en une chose : le métal et l’eau sont solides. Certes, vous pouvez dissoudre du sel ou du sucre dans l'eau. Ils trouvent leur place dans l'eau. Oui, et dans un corps solide, par exemple dans planche de bois, vous pouvez enfoncer un clou. Avec un effort considérable, vous pouvez obtenir que la place occupée par l'arbre soit occupée par un clou en fer.

Nous le savons bien : vous pouvez détacher un petit morceau d’un corps solide, vous pouvez broyer presque n’importe quel matériau. Parfois c’est difficile, parfois cela arrive spontanément, sans notre participation. Imaginons-nous sur la plage, sur le sable. On comprend : un grain de sable est loin d'être la plus petite particule de la substance qui compose le sable. Si vous essayez, vous pouvez réduire les grains de sable, par exemple en les faisant passer dans des rouleaux - dans deux cylindres en métal très dur. Une fois entre les rouleaux, le grain de sable est broyé en morceaux plus petits. Essentiellement, c'est ainsi que la farine est fabriquée à partir de grains dans les moulins.

Maintenant que l'atome est fermement entré dans notre perception du monde, il est très difficile d'imaginer que les gens ne savaient pas si le processus de broyage est limité ou si la substance peut être broyée indéfiniment.

On ne sait pas quand les gens se sont posé cette question pour la première fois. Il a été enregistré pour la première fois dans les écrits de philosophes grecs anciens. Certains d'entre eux pensaient que peu importe la taille d'une substance, elle pouvait être divisée en parties encore plus petites - il n'y avait pas de limite. D'autres ont exprimé l'idée qu'il existe de minuscules particules indivisibles à partir desquelles tout est constitué. Pour souligner que ces particules constituent la limite de la fragmentation, ils les ont appelées atomes (en grec ancien, le mot « atome » signifie indivisible).

Il faut nommer ceux qui ont été les premiers à avancer l'idée de l'existence des atomes. Il s'agit de Démocrite (né vers 460 ou 470 avant JC) nouvelle ère, mort très âgé) et Épicure (341-270 av. J.-C.). La science atomique a donc près de 2 500 ans. Le concept d’atomes n’a pas été immédiatement accepté par tout le monde. Il y a environ 150 ans encore, peu de gens étaient convaincus de l'existence des atomes, même parmi les scientifiques.

Le fait est que les atomes sont très petits. Ils ne peuvent pas être vus non seulement à l'œil nu, mais aussi, par exemple, avec un microscope grossissant 1000 fois. Réfléchissons-y : quelle est la taille des plus petites particules visibles ? U personnes différentes une vue différente, mais tout le monde conviendra probablement qu'il est impossible de voir une particule inférieure à 0,1 millimètre. Par conséquent, si vous utilisez un microscope, vous pouvez, bien que difficilement, voir des particules mesurant environ 0,0001 millimètres, soit 10 à 7 mètres. En comparant la taille des atomes et les distances interatomiques (10 à 10 mètres) avec la longueur que nous avons acceptée comme limite de la capacité de voir, nous comprendrons pourquoi toute substance nous semble solide.

2500 ans, c'est une période énorme. Peu importe ce qui se passait dans le monde, il y avait toujours des gens qui essayaient de répondre à la question de savoir comment fonctionne le monde qui les entourait. À certaines époques, les problèmes liés à la structure du monde étaient plus préoccupants, à d’autres moins. La naissance de la science dans son compréhension moderne s'est produit relativement récemment. Les scientifiques ont appris à mener des expériences, à poser des questions à la nature et à comprendre ses réponses, à créer des théories décrivant les résultats des expériences. Les théories nécessitaient des méthodes mathématiques rigoureuses pour parvenir à des conclusions fiables. La science a parcouru un long chemin. Sur cette voie, qui a commencé pour la physique il y a environ 400 ans avec les travaux Galilée(1564-1642), une quantité infinie d'informations a été obtenue sur la structure de la matière et les propriétés des corps de différentes natures, un nombre infini de phénomènes divers ont été découverts et compris.

L’humanité a appris non seulement à comprendre passivement la nature, mais aussi à l’utiliser à ses propres fins.

Nous ne considérerons pas l’histoire du développement des concepts atomiques sur 2 500 ans ni l’histoire de la physique sur les 400 dernières années. Notre tâche est de raconter aussi brièvement et clairement que possible ce qui et comment tout est construit - les objets qui nous entourent, les corps et nous-mêmes.

Comme nous l’avons déjà mentionné, toute matière est constituée d’électrons, de protons et de neutrons. Je suis au courant de ça années scolaires, mais cela ne cesse de m'étonner que tout soit construit à partir de particules de trois types seulement ! Mais le monde est si diversifié ! De plus, les moyens que la nature utilise pour réaliser la construction sont également assez monotones.

Une description cohérente de la façon dont les substances sont construites différents types, est une science complexe. Elle utilise des mathématiques sérieuses. Il faut souligner qu’il n’existe pas d’autre théorie simple. Mais les principes physiques qui sous-tendent la compréhension de la structure et des propriétés des substances, bien qu’ils soient non triviaux et difficiles à imaginer, peuvent toujours être compris. Avec notre histoire, nous essaierons d'aider tous ceux qui s'intéressent à la structure du monde dans lequel nous vivons.

Il semblerait que le plus Manière naturelle comprendre comment fonctionne un certain appareil complexe (jouet ou mécanisme) - le démonter, le décomposer en ses composants. Il faut juste être très prudent, en gardant à l'esprit que le pliage sera beaucoup plus difficile. « Briser n’est pas construire », dit la sagesse populaire. Et encore une chose : nous pouvons comprendre en quoi consiste l'appareil, mais il est peu probable que nous comprenions comment il fonctionne. Parfois, il suffit de dévisser une vis et c'est tout : l'appareil cesse de fonctionner. Il ne faut pas tant démonter que comprendre.

Puisque nous ne parlons pas de la décomposition réelle de tous les objets, choses, organismes qui nous entourent, mais d'imaginaire, c'est-à-dire d'expérience mentale, et non d'expérience réelle, alors vous n'avez pas à vous inquiéter : vous n'avez pas à vous inquiéter. il faut collecter. Par ailleurs, ne lésinons pas sur nos efforts. Ne réfléchissons pas à la question de savoir s'il est difficile ou facile de décomposer l'appareil en ses composants. Juste une seconde. Comment savons-nous que nous avons atteint la limite ? Peut-être qu’avec plus d’efforts, nous pourrons aller plus loin ? Admettons-le : nous ne savons pas si nous avons atteint la limite. Il faut utiliser l'opinion généralement admise, en sachant que ce n'est pas un argument très fiable. Mais si l’on se souvient qu’il ne s’agit que d’une opinion généralement acceptée et non de la vérité ultime, le danger est alors minime.

Il est désormais généralement admis que les éléments à partir desquels tout est construit sont des particules élémentaires. Et pourtant, ce n’est pas tout. Après avoir consulté l'ouvrage de référence correspondant, nous en serons convaincus : il existe plus de trois cents particules élémentaires. L'abondance de particules élémentaires nous a fait réfléchir à la possibilité de l'existence de particules sous-élémentaires - des particules qui composent les particules élémentaires elles-mêmes. C'est ainsi qu'est née l'idée des quarks. Ils ont la propriété étonnante de ne pas exister apparemment dans un État libre. Il existe un grand nombre de quarks - six, et chacun a sa propre antiparticule. Peut-être que le voyage dans les profondeurs de la matière n’est pas terminé.

Pour notre histoire, l’abondance de particules élémentaires et l’existence de particules sous-élémentaires n’ont pas d’importance. Les électrons, les protons et les neutrons sont directement impliqués dans la construction des substances - tout est construit uniquement à partir d'eux.

Avant de discuter des propriétés des particules réelles, réfléchissons aux éléments que nous aimerions voir à partir desquels tout est construit. Lorsqu’il s’agit de ce que nous aimerions voir, nous devons bien entendu tenir compte de la diversité des points de vue. Sélectionnons quelques fonctionnalités qui semblent obligatoires.

Premièrement, les particules élémentaires doivent avoir la capacité de se combiner en diverses structures.

Deuxièmement, j'aimerais penser que les particules élémentaires sont indestructibles. Sachant lequel longue histoire a un monde, il est difficile d’imaginer que les particules qui le composent soient mortelles.

Troisièmement, j'aimerais qu'il n'y ait pas trop de détails. En regardant les blocs de construction, nous voyons combien de structures différentes peuvent être créées à partir des mêmes éléments.

En nous familiarisant avec les électrons, les protons et les neutrons, nous verrons que leurs propriétés ne contredisent pas nos souhaits, et le désir de simplicité correspond sans doute au fait que seuls trois types de particules élémentaires participent à la structure de toutes les substances.

Présentons les caractéristiques les plus importantes des électrons, des protons et des neutrons. Ils sont rassemblés dans le tableau 1.

L'ampleur de la charge est donnée en coulombs, la masse en kilogrammes (unités SI) ; Les mots « spin » et « statistiques » seront expliqués ci-dessous.

Faisons attention à la différence de masse des particules : les protons et les neutrons sont près de 2000 fois plus lourds que les électrons. Par conséquent, la masse de tout corps est presque entièrement déterminée par la masse des protons et des neutrons.

Le neutron, comme son nom l’indique, est neutre : sa charge est nulle. Et un proton et un électron ont des charges de même ampleur, mais de signe opposé. Un électron est chargé négativement et un proton est chargé positivement.

Parmi les caractéristiques des particules, il ne semble y avoir aucune caractéristique importante- leur taille. Décrire la structure des atomes et des molécules, les électrons, les protons et les neutrons peuvent être considérés comme des points matériels. Vous devrez vous souvenir des tailles du proton et du neutron uniquement lors de la description noyaux atomiques. Même comparés à la taille des atomes, les protons et les neutrons sont monstrueusement petits (de l’ordre de 10 à 16 mètres).

Essentiellement, cette courte section revient à présenter les électrons, les protons et les neutrons comme éléments constitutifs de tous les corps dans la nature. On pourrait simplement se limiter au tableau 1, mais il faut comprendre comment les électrons, les protons et les neutrons la construction est effectuée, ce qui amène les particules à se combiner en structures plus complexes et quelles sont ces structures.

Il existe de nombreux atomes. Il s'est avéré nécessaire et possible de les disposer d'une manière particulière. La mise en ordre permet de souligner les différences et les similitudes des atomes. La disposition raisonnable des atomes est le mérite de D.I. Mendeleev (1834-1907), qui a formulé la loi périodique qui porte son nom. Si l’on ignore temporairement l’existence des périodes, le principe de la disposition des éléments est extrêmement simple : ils sont disposés séquentiellement en fonction du poids des atomes. Le plus léger est l'atome d'hydrogène. Le dernier atome naturel (non créé artificiellement) est l’atome d’uranium, qui est plus de 200 fois plus lourd.

Comprendre la structure des atomes explique la présence d'une périodicité dans les propriétés des éléments.

Au tout début du XXe siècle, E. Rutherford (1871-1937) montra de manière convaincante que la quasi-totalité de la masse d'un atome est concentrée dans son noyau - une petite région de l'espace (même comparée à un atome) : le rayon de l'espace. le noyau est environ 100 mille fois taille plus petite atome. Lorsque Rutherford effectua ses expériences, le neutron n'avait pas encore été découvert. Avec la découverte du neutron, on s'est rendu compte que les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, et il est naturel de considérer un atome comme un noyau entouré d'électrons dont le nombre est égal au nombre de protons dans le noyau - après tout, l’atome dans son ensemble est neutre. Les protons et les neutrons sont comme materiel de construction grains, reçus Nom commun- les nucléons (du latin noyau - cœur). C'est le nom que nous utiliserons.

Le nombre de nucléons dans un noyau est généralement indiqué par la lettre UN. Il est clair que A = N + Z, Où N est le nombre de neutrons dans le noyau, et Z- nombre de protons, égal au nombreélectrons dans un atome. Nombre UN est appelée masse atomique, et Z- numéro atomique. Les atomes ayant le même numéro atomique sont appelés isotopes : dans le tableau périodique, ils sont situés dans la même cellule (en grec ISO -égal , topos - lieu). Le fait est que Propriétés chimiques les isotopes sont presque identiques. Si vous examinez attentivement le tableau périodique, vous pouvez être convaincu qu'à proprement parler, la disposition des éléments ne correspond pas masse atomique, UN numéro atomique. S'il y a environ 100 éléments, alors il y a plus de 2000 isotopes. Certes, beaucoup d'entre eux sont instables, c'est-à-dire radioactifs (du latin). radio- Je rayonne, actif- actifs), ils se désintègrent en émettant diverses radiations.

Les expériences de Rutherford ont non seulement conduit à la découverte des noyaux atomiques, mais ont également montré que les mêmes forces électrostatiques agissent dans l'atome, qui repoussent les corps chargés de la même manière les uns des autres et attirent les uns vers les autres des corps chargés différemment (par exemple, des boules d'électroscope).

L'atome est stable. Par conséquent, les électrons d’un atome se déplacent autour du noyau : la force centrifuge compense la force d’attraction. Comprendre cela a conduit à la création d'un modèle planétaire de l'atome, dans lequel le noyau est le Soleil et les électrons sont les planètes (du point de vue de la physique classique, le modèle planétaire est incohérent, mais nous y reviendrons plus loin).

Manger ligne entière façons d’estimer la taille d’un atome. Différentes estimations conduisent à des résultats similaires : les tailles des atomes sont bien sûr différentes, mais approximativement égales à plusieurs dixièmes de nanomètre (1 nm = 10 -9 m).

Considérons d'abord le système d'électrons d'un atome.

DANS système solaire les planètes sont attirées vers le Soleil par gravité. Une force électrostatique agit dans un atome. On l'appelle souvent Coulomb en l'honneur de Charles Augustin Coulomb (1736-1806), qui établit que la force d'interaction entre deux charges est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Le fait que deux accusations Q 1 et Q 2 attirer ou repousser avec une force égale à F C =Q 1 Q 2 /r 2 , Où r- la distance entre les charges est appelée « Loi de Coulomb ». Indice " AVEC" affecté à la force F par la première lettre du nom de famille de Coulomb Coulomb). Parmi les énoncés les plus divers, rares sont ceux qui sont aussi justement qualifiés de loi que la loi de Coulomb : après tout, son champ d’application est pratiquement illimité. Les corps chargés, quelle que soit leur taille, ainsi que les particules chargées atomiques et même subatomiques, s'attirent ou se repoussent selon la loi de Coulomb.

Une personne se familiarise avec la gravité petite enfance. En tombant, il apprend à respecter la force de gravité vers la Terre. La connaissance du mouvement accéléré commence généralement par l'étude de la chute libre des corps - le mouvement d'un corps sous l'influence de la gravité.

Entre deux corps de masse M 1 et M 2 actes de force F N=- Directeur général 1 M 2 /r 2 . Ici r- distance entre les corps, G- constante gravitationnelle égale à 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , l'indice « N » est donné en l'honneur de Newton (1643 - 1727). Cette expression s'appelle la loi gravité universelle, soulignant son caractère universel. Forcer F N détermine le mouvement des galaxies, des corps célestes et la chute des objets sur Terre. La loi de la gravitation universelle est valable à n'importe quelle distance entre les corps. Nous ne mentionnerons pas les changements dans l’image de la gravité introduits par la théorie de la relativité générale d’Einstein (1879-1955).

La force électrostatique coulombienne et la force newtonienne de gravitation universelle sont les mêmes (comme 1/ r 2) diminuer avec l'augmentation de la distance entre les corps. Cela vous permet de comparer l'action des deux forces à n'importe quelle distance entre les corps. Si la force de répulsion coulombienne de deux protons est comparée en ampleur à la force de leur attraction gravitationnelle, il s'avère que F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p ; M 1 = =M 2 =m p). La gravité ne joue donc aucun rôle significatif dans la structure de l’atome : elle est trop petite par rapport à la force électrostatique.

Détecter les charges électriques et mesurer les interactions entre elles n’est pas difficile. Si la force électrique est si grande, alors pourquoi n'est-elle pas importante, par exemple, lorsque l'on tombe, saute, lance une balle ? Car dans la plupart des cas, nous avons affaire à des corps neutres (non chargés). Il y a toujours beaucoup de particules chargées (électrons, ions) dans l'espace signe différent). Sous l'influence d'une énorme force électrique attractive (à l'échelle atomique) créée par un corps chargé, les particules chargées se précipitent vers sa source, adhèrent au corps et neutralisent sa charge.

Il est très difficile de parler de particules atomiques et même de particules subatomiques plus petites, principalement parce que leurs propriétés n'ont pas d'analogues dans notre Vie courante Non. On pourrait penser qu’il serait pratique de considérer les particules qui composent de si petits atomes comme des points matériels. Mais tout s’est avéré bien plus compliqué.

Une particule et une onde... Il semblerait inutile de comparer, tant elles sont différentes.

Probablement, lorsque vous pensez à une vague, vous imaginez d’abord une surface marine ondulante. Les vagues arrivent jusqu'au rivage depuis le large ; les longueurs d'onde, c'est-à-dire les distances entre deux crêtes successives, peuvent être différentes. Il est aisé d'observer des vagues ayant une longueur de l'ordre de plusieurs mètres. Lors des vagues, la masse d'eau vibre évidemment. La vague couvre une zone importante.

L'onde est périodique dans le temps et dans l'espace. Longueur d'onde ( λ ) est une mesure de la périodicité spatiale. La périodicité du mouvement des vagues dans le temps est visible dans la fréquence d'arrivée des crêtes des vagues sur le rivage, et elle peut être détectée, par exemple, par l'oscillation d'un flotteur de haut en bas. Désignons la période de mouvement des vagues - le temps pendant lequel une onde passe - par la lettre T. L'inverse de la période est appelé fréquence ν = 1/T. Les ondes les plus simples (harmoniques) ont une certaine fréquence qui ne change pas dans le temps. Tout mouvement ondulatoire complexe peut être représenté comme un ensemble d'ondes simples (voir « Science et vie » n° 11, 2001). À proprement parler, une simple onde occupe un espace infini et existe pour une durée infiniment longue. Une particule, telle que nous l’imaginons, et une onde sont complètement différentes.

Depuis l’époque de Newton, il y a un débat sur la nature de la lumière. La lumière est un ensemble de particules (corpuscules, du latin corpuscule- petit corps) ou des vagues ? Les théories se sont longtemps affrontées. La théorie ondulatoire l'a emporté : la théorie corpusculaire n'a pas pu expliquer les faits expérimentaux (interférences et diffraction de la lumière). La théorie ondulatoire s’est facilement adaptée à la propagation rectiligne d’un faisceau lumineux. Un rôle important a été joué par le fait que la longueur des ondes lumineuses, selon les concepts quotidiens, est très petite : la gamme de longueurs d'onde lumière visible de 380 à 760 nanomètres. Plus court ondes électromagnétiques- les rayons ultraviolets, rayons X et gamma, et les plus longs - infrarouges, millimétriques, centimétriques et toutes les autres ondes radio.

À la fin du XIXe siècle, la victoire de la théorie ondulatoire de la lumière sur la théorie corpusculaire semblait définitive et irrévocable. Cependant, le XXe siècle a apporté de sérieux ajustements. Cela ressemblait à de la lumière, des vagues ou des particules. Il s'est avéré qu'il s'agissait à la fois d'ondes et de particules. Pour les particules de lumière, pour ses quanta, comme on dit, un mot spécial a été inventé - « photon ». Le mot « quantique » vient du latin quantum- combien, et "photon" - du mot grec Photos - lumière. Les mots désignant le nom des particules ont dans la plupart des cas la terminaison Il. Étonnamment, dans certaines expériences, la lumière se comporte comme des ondes, tandis que dans d’autres, elle se comporte comme un flux de particules. Peu à peu, il a été possible d’élaborer une théorie prédisant le comportement de la lumière dans telle ou telle expérience. Aujourd’hui, cette théorie est acceptée par tout le monde ; le comportement différent de la lumière n’est plus surprenant.

Les premiers pas sont toujours particulièrement difficiles. J’ai dû aller à l’encontre de l’opinion scientifique établie et faire des déclarations qui ressemblaient à une hérésie. Les vrais scientifiques croient sincèrement à la théorie qu’ils utilisent pour décrire les phénomènes qu’ils observent. Il est très difficile d'abandonner une théorie acceptée. Les premiers pas ont été réalisés par Max Planck (1858-1947) et Albert Einstein (1879-1955).

Selon Planck-Einstein, c'est dans des portions distinctes, des quanta, que la lumière est émise et absorbée par la matière. L'énergie transportée par un photon est proportionnelle à sa fréquence : E = hν. Facteur de proportionnalité h appelée constante de Planck en l'honneur du physicien allemand qui l'introduisit dans la théorie des radiations en 1900. Et déjà dans le premier tiers du XXe siècle, il est devenu évident que constante de Planck- l'une des constantes mondiales les plus importantes. Naturellement, il a été soigneusement mesuré : h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Un quantum de lumière est-il beaucoup ou peu ? La fréquence de la lumière visible est d'environ 10 14 s -1 . Rappel : la fréquence et la longueur d'onde de la lumière sont liées par la relation ν = c/λ, où Avec= 299792458.10 10 m/s (exactement) - la vitesse de la lumière dans le vide. Énergie quantique hν, comme il est facile de le voir, est d'environ 10 à 18 J. Grâce à cette énergie, une masse de 10 à 13 grammes peut être élevée à une hauteur de 1 centimètre. À l’échelle humaine, c’est monstrueusement petit. Mais c'est une masse de 10 14 électrons. Dans le microcosme, l’échelle est complètement différente ! Bien sûr, une personne ne peut pas sentir une masse de 10 à 13 grammes, mais l'œil humain est si sensible qu'il peut voir des quanta de lumière individuels - cela a été confirmé par une série d'expériences subtiles. DANS conditions normales une personne ne distingue pas le « grain » de lumière, le percevant comme un flux continu.

Sachant que la lumière a une nature à la fois corpusculaire et ondulatoire, il est plus facile d’imaginer que les « vraies » particules ont également des propriétés ondulatoires. Cette pensée hérétique a été exprimée pour la première fois par Louis de Broglie (1892-1987). Il n'a pas cherché à savoir quelle était la nature de la vague dont il avait prédit les caractéristiques. Selon sa théorie, une particule de masse m, volant à grande vitesse v, correspond à une onde de longueur d'onde l = hmv et fréquence ν = E/h, Où E = mv 2/2 - énergie des particules.

Le développement ultérieur de la physique atomique a conduit à une compréhension de la nature des ondes qui décrivent le mouvement des particules atomiques et subatomiques. Une science est née appelée « mécanique quantique » (dans les premières années, on l’appelait plus souvent mécanique ondulatoire).

La mécanique quantique s'applique au mouvement des particules microscopiques. Lorsqu'on considère le mouvement de corps ordinaires (par exemple, n'importe quelle partie de mécanismes), il ne sert à rien de prendre en compte les corrections quantiques (corrections dues aux propriétés ondulatoires de la matière).

L’une des manifestations du mouvement ondulatoire des particules est leur absence de trajectoire. Pour qu'une trajectoire existe, il faut qu'à chaque instant la particule ait une certaine coordonnée et une certaine vitesse. Mais c'est précisément ce qui est interdit par la mécanique quantique : une particule ne peut pas avoir simultanément une certaine valeur de coordonnée X, et une certaine valeur de vitesse v. Leurs incertitudes Dx Et Dv lié par la relation d'incertitude découverte par Werner Heisenberg (1901-1974) : D X D v ~ h/m, Où m est la masse de la particule, et h- La constante de Planck. La constante de Planck est souvent appelée le quantum universel de « l'action ». Sans préciser le terme action, faites attention à l'épithète universel. Il souligne que la relation d'incertitude est toujours valable. Connaissant les conditions de mouvement et la masse de la particule, on peut estimer quand il est nécessaire de prendre en compte les lois quantiques du mouvement (en d'autres termes, quand les propriétés ondulatoires des particules et leurs conséquences - les relations d'incertitude) ne peuvent être négligées. , et quand il est tout à fait possible d'utiliser les lois classiques du mouvement. Soulignons : si c’est possible, alors c’est nécessaire, puisque la mécanique classique est nettement plus simple que la mécanique quantique.

Veuillez noter que la constante de Planck est divisée par la masse (elles sont incluses dans les combinaisons h/m). Plus la masse est grande, moins les lois quantiques jouent un rôle.

Pour sentir quand il est certainement possible de négliger les propriétés quantiques, nous allons tenter d'estimer les incertitudes D X et D v. Si D X et D v sont négligeables par rapport à leurs valeurs moyennes (classiques), les formules de la mécanique classique décrivent parfaitement le mouvement si elles ne sont pas petites, il faut recourir à la mécanique quantique ; Cela n’a aucun sens de prendre en compte l’incertitude quantique même lorsque d’autres raisons (dans le cadre de la mécanique classique) conduisent à une incertitude plus grande que la relation de Heisenberg.

Regardons un exemple. En gardant à l’esprit que nous voulons montrer la possibilité d’utiliser la mécanique classique, considérons une « particule » dont la masse est de 1 gramme et dont la taille est de 0,1 millimètre. À l’échelle humaine, il s’agit d’un grain, d’une petite particule légère. Mais il est 10 à 24 fois plus lourd qu’un proton et un million de fois plus gros qu’un atome !

Laissez « notre » grain se déplacer dans un récipient rempli d’hydrogène. Si un grain vole assez vite, il nous semble qu’il se déplace en ligne droite à une certaine vitesse. Cette impression est erronée : en raison des impacts des molécules d'hydrogène sur le grain, sa vitesse change légèrement à chaque impact. Estimons exactement combien.

Supposons que la température de l'hydrogène soit de 300 K (nous mesurons toujours la température sur une échelle absolue, sur l'échelle Kelvin ; 300 K = 27 o C). Multiplier la température en Kelvin par la constante de Boltzmann k B = 1.381.10 -16 J/K, nous l'exprimerons en unités d'énergie. La variation de la vitesse d’un grain peut être calculée à l’aide de la loi de conservation de la quantité de mouvement. A chaque collision d'un grain avec une molécule d'hydrogène, sa vitesse change d'environ 10 à 18 cm/s. Le changement se produit de manière totalement aléatoire et dans une direction aléatoire. Il est donc naturel de considérer la valeur de 10 -18 cm/s comme mesure de l'incertitude classique de la vitesse des grains (D v) cl pour ce cas. Donc (D. v) classe = 10 -18 cm/s. Il est apparemment très difficile de déterminer l'emplacement d'un grain avec une précision supérieure à 0,1 de sa taille. Acceptons (D X) cl = 10 -3 cm Enfin, (D X) classe (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Cela semblerait une très petite valeur. Dans tous les cas, les incertitudes sur la vitesse et la position sont si faibles que le mouvement moyen du grain peut être pris en compte. Mais comparé à l'incertitude quantique dictée par la relation de Heisenberg (D X D v= 10 -27), l'hétérogénéité classique est énorme - dans ce cas elle la dépasse un million de fois.

Conclusion : lorsque l'on considère le mouvement d'un grain, tenez-en compte propriétés des vagues, c'est-à-dire que l'existence d'une incertitude quantique de position et de vitesse n'est pas nécessaire. En ce qui concerne le mouvement des particules atomiques et subatomiques, la situation change radicalement.

Les neutrinos, une particule incroyablement petite de l’univers, fascinent les scientifiques depuis près d’un siècle. Plus de prix Nobel ont été décernés pour des recherches sur les neutrinos que pour des travaux sur n'importe quelle autre particule, et d'immenses installations sont construites pour les étudier avec le budget des petits États. Alexandre Nozik, Sr. Chercheur Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie, professeur au MIPT et participant à l'expérience de recherche de la masse de neutrinos « Troitsk nu-mass », explique comment l'étudier, mais surtout, comment l'attraper la première place.

Le mystère de l'énergie volée

L’histoire de la recherche sur les neutrinos peut être lue comme un fascinant roman policier. Cette particule a testé plus d'une fois les capacités déductives des scientifiques : toutes les énigmes n'ont pas pu être résolues immédiatement, et certaines n'ont pas encore été résolues. Commençons par l'histoire de la découverte. Les désintégrations radioactives de toutes sortes ont commencé à être étudiées dès fin XIX siècle, et il n'est pas surprenant que dans les années 1920, les scientifiques disposaient dans leur arsenal d'instruments non seulement pour enregistrer la désintégration elle-même, mais aussi pour mesurer l'énergie des particules qui s'échappaient, bien que pas particulièrement précises par rapport aux normes actuelles. À mesure que la précision des instruments augmentait, la joie des scientifiques et la perplexité associée, entre autres choses, à la désintégration bêta, dans laquelle un électron s'envole d'un noyau radioactif et le noyau lui-même change de charge, augmentaient également. Cette désintégration est appelée désintégration à deux particules, car elle produit deux particules : un nouveau noyau et un électron. N'importe quel lycéen expliquera qu'il est possible de déterminer avec précision l'énergie et l'impulsion des fragments lors d'une telle désintégration en utilisant les lois de conservation et en connaissant les masses de ces fragments. En d’autres termes, l’énergie d’un électron, par exemple, sera toujours la même lors de toute désintégration du noyau d’un certain élément. Dans la pratique, une situation complètement différente a été observée. Non seulement l’énergie des électrons n’était pas fixe, mais elle était également répartie dans un spectre continu allant jusqu’à zéro, ce qui a dérouté les scientifiques. Cela ne peut se produire que si quelqu'un vole l'énergie de la désintégration bêta. Mais il ne semble y avoir personne pour le voler.

Au fil du temps, les instruments sont devenus de plus en plus précis et la possibilité d'attribuer une telle anomalie à une erreur d'équipement a rapidement disparu. Un mystère surgit alors. À la recherche de sa solution, les scientifiques ont exprimé diverses hypothèses, voire complètement absurdes selon les normes actuelles. Niels Bohr lui-même, par exemple, a déclaré sérieusement que les lois de conservation ne s'appliquent pas au monde des particules élémentaires. Wolfgang Pauli a sauvé la situation en 1930. Il n'a pas pu venir à la conférence de physique à Tübingen et, ne pouvant y participer à distance, a envoyé une lettre dont il a demandé à être lue. En voici des extraits :

«Chers dames et messieurs radioactifs. Je vous demande d'écouter avec attention, au moment le plus opportun, le messager qui a remis cette lettre. Il vous dira que j'ai trouvé un excellent remède à la loi de conservation et à la statistique correcte. Cela réside dans la possibilité de l'existence de particules électriquement neutres... La continuité du spectre B deviendra claire si l'on suppose que lors de la désintégration B, un tel « neutron » est émis avec chaque électron, et la somme des les énergies du « neutron » et de l’électron sont constantes… »

A la fin de la lettre il y avait les lignes suivantes :

« Si vous ne prenez pas de risques, vous ne gagnerez pas. La gravité de la situation lorsqu’on considère le spectre B continu devient particulièrement claire après les paroles du Prof. Debye, qui m'a dit avec regret : "Oh, il vaut mieux ne pas considérer tout cela... comme de nouveaux impôts." Il est donc nécessaire de discuter sérieusement de chaque chemin vers le salut. Alors, chers radioactifs, mettez cela à l’épreuve et jugez.

Plus tard, Pauli lui-même a exprimé ses craintes que, même si son idée sauvait la physique du micromonde, la nouvelle particule ne serait jamais découverte expérimentalement. Ils disent qu'il a même soutenu avec ses collègues que si la particule existait, il ne serait pas possible de la détecter au cours de leur vie. Au cours des années suivantes, Enrico Fermi développa une théorie de la désintégration bêta impliquant une particule qu'il appela neutrino, qui concordait brillamment avec l'expérience. Après cela, plus personne n’a eu de doute sur l’existence réelle de la particule hypothétique. En 1956, deux ans avant la mort de Pauli, des neutrinos ont été découverts expérimentalement en désintégration bêta inverse par l'équipe de Frederick Reines et Clyde Cowan (Reines a reçu le prix Nobel pour cela).

Le cas des neutrinos solaires manquants

Lorsqu’il est devenu clair que les neutrinos, bien que difficiles, pouvaient encore être détectés, les scientifiques ont commencé à tenter de détecter les neutrinos d’origine extraterrestre. Leur source la plus évidente est le Soleil. Cela arrive constamment réactions nucléaires, et on peut calculer qu'environ 90 milliards de neutrinos solaires par seconde traversent chaque centimètre carré de la surface terrestre.

À ce moment-là, le plus méthode efficace la capture des neutrinos solaires était une méthode radiochimique. Son essence est la suivante : un neutrino solaire arrive sur Terre, interagit avec le noyau ; le résultat est, disons, un noyau 37Ar et un électron (c'est exactement la réaction qui a été utilisée dans l'expérience de Raymond Davis, pour laquelle il a reçu plus tard le prix Nobel). Après cela, en comptant le nombre d'atomes d'argon, nous pouvons dire combien de neutrinos ont interagi dans le volume du détecteur pendant l'exposition. En pratique, bien sûr, tout n’est pas si simple. Vous devez comprendre que vous devez compter les atomes d’argon dans une cible pesant des centaines de tonnes. Le rapport de masse est approximativement le même qu’entre la masse d’une fourmi et la masse de la Terre. C’est alors qu’on découvre que les ⅔ des neutrinos solaires ont été volés (le flux mesuré était trois fois inférieur à celui prévu).

Bien entendu, les soupçons se sont d’abord portés sur le Soleil lui-même. Après tout, on ne peut juger de sa vie intérieure que par des signes indirects. On ne sait pas comment les neutrinos y sont créés, et il est même possible que tous les modèles du Soleil soient erronés. De nombreuses hypothèses différentes ont été discutées, mais les scientifiques ont finalement commencé à se tourner vers l'idée que ce n'était pas le Soleil, mais la nature rusée des neutrinos eux-mêmes.

Une petite digression historique : entre la découverte expérimentale des neutrinos et les expériences d'étude des neutrinos solaires, plusieurs découvertes plus intéressantes ont eu lieu. Premièrement, les antineutrinos ont été découverts et il a été prouvé que les neutrinos et les antineutrinos participent différemment aux interactions. De plus, dans toutes les interactions, tous les neutrinos sont toujours gauchers (la projection du spin sur la direction du mouvement est négative) et tous les antineutrinos sont droitiers. Non seulement cette propriété n’est observée parmi toutes les particules élémentaires que dans les neutrinos, mais elle indique aussi indirectement que notre Univers n’est, en principe, pas symétrique. Deuxièmement, il a été découvert que chaque lepton chargé (lepton électronique, muon et tau) possède son propre type, ou saveur, de neutrino. De plus, les neutrinos de chaque type n’interagissent qu’avec leur lepton.

Revenons à notre problème solaire. Dans les années 50 du 20e siècle, il a été suggéré qu'il n'était pas nécessaire de conserver la saveur leptonique (un type de neutrino). Autrement dit, si un neutrino électronique est né au cours d'une réaction, alors sur le chemin d'une autre réaction, le neutrino peut changer de vêtements et fonctionner comme un muon. Cela pourrait expliquer le manque de neutrinos solaires dans les expériences radiochimiques sensibles uniquement aux neutrinos électroniques. Cette hypothèse a été brillamment confirmée par les mesures du flux de neutrinos solaires dans les expériences de scintillation à grande cible d'eau SNO et Kamiokande (pour lesquelles un autre prix Nobel a été récemment attribué). Dans ces expériences, ce n'est plus la désintégration bêta inverse qui est étudiée, mais la réaction de diffusion des neutrinos, qui peut se produire non seulement avec les neutrinos électroniques, mais aussi avec les neutrinos muoniques. Lorsqu'au lieu du flux de neutrinos électroniques, ils ont commencé à mesurer le flux total de tous les types de neutrinos, les résultats ont parfaitement confirmé la transition des neutrinos d'un type à un autre, ou les oscillations des neutrinos.

Assaut contre le modèle standard

La découverte des oscillations des neutrinos, après avoir résolu un problème, en a créé plusieurs nouveaux. Le fait est que depuis l’époque de Pauli, les neutrinos étaient considérés comme des particules sans masse comme les photons, et cela convenait à tout le monde. Les tentatives pour mesurer la masse des neutrinos se sont poursuivies, mais sans grand enthousiasme. Les oscillations ont tout changé, puisque la masse, aussi petite soit-elle, est nécessaire à leur existence. La découverte de la masse des neutrinos a certes ravi les expérimentateurs, mais a intrigué les théoriciens. Premièrement, les neutrinos massifs ne rentrent pas dans le modèle standard de la physique des particules, que les scientifiques élaborent depuis le début du 20e siècle. Deuxièmement, la même gaucherie mystérieuse des neutrinos et la même gaucherie des antineutrinos ne s’expliquent bien que, encore une fois, pour les particules sans masse. S'il y a une masse, les neutrinos gauchers devraient, avec une certaine probabilité, se transformer en neutrinos droitiers, c'est-à-dire en antiparticules, violant la loi apparemment immuable de conservation du nombre de leptons, ou même se transformer en une sorte de neutrinos qui ne ne participe pas à l’interaction. Aujourd’hui, ces particules hypothétiques sont communément appelées neutrinos stériles.

Détecteur de neutrinos "Super Kamiokande" © Observatoire de Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Université de Tokyo

Bien entendu, la recherche expérimentale de la masse du neutrino a immédiatement repris de manière spectaculaire. Mais la question s'est immédiatement posée : comment mesurer la masse de quelque chose qui ne peut être attrapé ? Il n’y a qu’une seule réponse : ne pas capter de neutrinos du tout. Aujourd'hui, deux directions sont les plus activement développées : la recherche directe de la masse des neutrinos en désintégration bêta et l'observation de la double désintégration bêta sans neutrinos. Dans le premier cas, l’idée est très simple. Le noyau se désintègre avec le rayonnement des électrons et des neutrinos. Il n’est pas possible de capturer un neutrino, mais il est possible de capturer et de mesurer un électron avec une très grande précision. Le spectre électronique contient également des informations sur la masse des neutrinos. Une telle expérience est l’une des plus difficiles de la physique des particules, mais son avantage absolu est qu’elle repose sur les principes de base de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement et que son résultat ne dépend que de peu. Actuellement, la meilleure limite de masse des neutrinos est d’environ 2 eV. C'est 250 000 fois moins que celui d'un électron. Autrement dit, la masse elle-même n'a pas été trouvée, mais n'était limitée que par le cadre supérieur.

Avec la double désintégration bêta, les choses sont plus compliquées. Si nous supposons qu'un neutrino se transforme en antineutrino lors d'un retournement de spin (ce modèle porte le nom du physicien italien Ettore Majorana), alors un processus est possible lorsque deux désintégrations bêta se produisent simultanément dans le noyau, mais les neutrinos ne s'envolent pas, mais sont réduits. La probabilité d’un tel processus est liée à la masse du neutrino. Les limites supérieures de telles expériences sont meilleures – 0,2 – 0,4 eV – mais dépendent du modèle physique.

Le problème des neutrinos massifs n’est pas encore résolu. La théorie de Higgs ne peut pas expliquer des masses aussi petites. Cela nécessite des complications importantes ou l'utilisation de lois plus astucieuses selon lesquelles les neutrinos interagissent avec le reste du monde. Les physiciens impliqués dans la recherche sur les neutrinos se voient souvent poser la question suivante : « Comment la recherche sur les neutrinos peut-elle aider l’individu moyen ? Quel avantage financier ou autre peut être tiré de cette particule ? Les physiciens haussent les épaules. Et ils ne le savent vraiment pas. Autrefois, l'étude des diodes semi-conductrices relevait de la physique purement fondamentale, sans aucun application pratique. La différence est que les technologies développées pour créer des expériences modernes de physique des neutrinos sont désormais largement utilisées dans l'industrie, de sorte que chaque centime investi dans ce domaine est rentable assez rapidement. Actuellement, plusieurs expériences sont menées dans le monde, dont l'échelle est comparable à celle du Grand collisionneur de hadrons ; ces expériences visent exclusivement à étudier les propriétés des neutrinos. On ne sait pas dans lequel d'entre eux il sera possible d'ouvrir une nouvelle page de physique, mais elle sera certainement ouverte.

La réponse à la question permanente : quelle est la plus petite particule de l’Univers qui a évolué avec l’humanité.

Les gens pensaient autrefois que les grains de sable étaient les éléments constitutifs de ce que nous voyons autour de nous. L'atome a ensuite été découvert et considéré comme indivisible jusqu'à ce qu'il soit divisé pour révéler les protons, les neutrons et les électrons qu'il contient. Ils ne se sont pas non plus avérés être les plus petites particules de l'Univers, puisque les scientifiques ont découvert que les protons et les neutrons sont chacun constitués de trois quarks.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pu trouver aucune preuve qu’il y ait quoi que ce soit à l’intérieur des quarks et que la couche la plus fondamentale de matière ou la plus petite particule de l’Univers ait été atteinte.

Et même si les quarks et les électrons sont indivisibles, les scientifiques ne savent pas s’il s’agit des plus petits morceaux de matière existants ou si l’Univers contient des objets encore plus petits.

Les plus petites particules de l'Univers

Ils existent en différentes saveurs et tailles, certains ont des connexions étonnantes, d'autres s'évaporent essentiellement les uns les autres, beaucoup d'entre eux portent des noms fantastiques : quarks composés de baryons et de mésons, de neutrons et de protons, de nucléons, d'hypérons, de mésons, de baryons, de nucléons, de photons, etc..d.

Le boson de Higgs est une particule si importante pour la science qu’on l’appelle la « particule divine ». On pense qu'il détermine la masse de tous les autres. L’élément a été théorisé pour la première fois en 1964, lorsque les scientifiques se demandaient pourquoi certaines particules étaient plus massives que d’autres.

Le boson de Higgs est associé au champ de Higgs, censé remplir l’Univers. Deux éléments (le champ quantique de Higgs et le boson de Higgs) sont responsables de donner de la masse aux autres. Nommé d'après le scientifique écossais Peter Higgs. Avec l'aide du 14 mars 2013, la confirmation de l'existence du boson de Higgs a été officiellement annoncée.

De nombreux scientifiques affirment que le mécanisme de Higgs a résolu la pièce manquante du puzzle pour compléter l'existant " modèle standard physique qui décrit les particules connues.

Le boson de Higgs a fondamentalement déterminé la masse de tout ce qui existe dans l’Univers.

Quarks

Les quarks (c'est-à-dire les quarks) sont les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Ils ne sont jamais seuls, n'existant qu'en groupe. Apparemment, la force qui lie les quarks entre eux augmente avec la distance, donc plus on avance, plus il sera difficile de les séparer. Les quarks libres n’existent donc jamais dans la nature.

Les quarks sont des particules fondamentales sont sans structure, pointus environ 10 à 16 cm.

Par exemple, les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks, les protons contenant deux quarks identiques, tandis que les neutrons en contiennent deux différents.

Supersymétrie

On sait que les « éléments constitutifs » fondamentaux de la matière, les fermions, sont les quarks et les leptons, et que les gardiens de la force, les bosons, sont les photons et les gluons. La théorie de la supersymétrie dit que les fermions et les bosons peuvent se transformer les uns dans les autres.

La théorie prédite affirme que pour chaque particule que nous connaissons, il existe une particule apparentée que nous n’avons pas encore découverte. Par exemple, pour un électron, c'est un sélecron, un quark est un squark, un photon est un photono et un higgs est un higgsino.

Pourquoi n’observons-nous pas cette supersymétrie dans l’Univers maintenant ? Les scientifiques pensent qu’ils sont beaucoup plus lourds que leurs cousins ​​​​habituels et que plus ils sont lourds, plus leur durée de vie est courte. En fait, ils commencent à s’effondrer dès leur apparition. Créer une supersymétrie nécessite très grande quantitéénergie qui n'existait que peu de temps après Big Bang et pourrait éventuellement être créé dans de grands accélérateurs comme le Large Hadron Collider.

Quant à la raison pour laquelle la symétrie est apparue, les physiciens émettent l’hypothèse que la symétrie pourrait avoir été brisée dans un secteur caché de l’Univers que nous ne pouvons ni voir ni toucher, mais que nous ne pouvons ressentir que par gravitation.

Neutrino

Les neutrinos sont des particules subatomiques légères qui sifflent partout à une vitesse proche de celle de la lumière. En fait, des milliards de neutrinos circulent dans votre corps à tout moment, même s’ils interagissent rarement avec la matière normale.

Certains proviennent du soleil, tandis que d'autres proviennent de rayons cosmiques interagissant avec l'atmosphère terrestre et des sources astronomiques telles que les explosions d'étoiles de la Voie lactée et d'autres galaxies lointaines.

Antimatière

On pense que toutes les particules normales contiennent de l’antimatière de même masse mais de charge opposée. Quand la matière se rencontre, elles se détruisent. Par exemple, la particule d’antimatière d’un proton est un antiproton, tandis que le partenaire antimatière d’un électron est appelé un positron. L’antimatière est l’une des substances les plus chères au monde que l’on ait pu identifier.

Gravitons

Dans le domaine de la mécanique quantique, toutes les forces fondamentales sont transmises par des particules. Par exemple, la lumière est constituée de particules sans masse appelées photons, qui transportent une force électromagnétique. De même, le graviton est une particule théorique qui transporte la force de gravité. Les scientifiques n’ont pas encore détecté les gravitons, qui sont difficiles à trouver car ils interagissent très faiblement avec la matière.

Fils d'énergie

Dans les expériences, de minuscules particules telles que des quarks et des électrons agissent comme des points uniques de matière sans distribution spatiale. Mais les objets ponctuels compliquent les lois de la physique. Puisqu’il est impossible de s’approcher à l’infini d’un point, puisque les forces agissantes peuvent devenir infiniment grandes.

Une idée appelée théorie des supercordes pourrait résoudre ce problème. La théorie affirme que toutes les particules, au lieu d’être ponctuelles, sont en réalité de petits fils d’énergie. Autrement dit, tous les objets de notre monde sont constitués de fils vibrants et de membranes d'énergie. Rien ne peut être infiniment proche du fil, car une partie sera toujours un peu plus proche que l'autre. Cette faille semble résoudre certains des problèmes posés par l’infini, ce qui rend l’idée attrayante pour les physiciens. Cependant, les scientifiques ne disposent toujours d’aucune preuve expérimentale de l’exactitude de la théorie des cordes.

Une autre façon de résoudre le problème ponctuel consiste à dire que l’espace lui-même n’est pas continu et lisse, mais qu’il est en réalité constitué de pixels ou de grains discrets, parfois appelés structure espace-temps. Dans ce cas, les deux particules ne pourront pas se rapprocher indéfiniment car elles doivent toujours être séparées taille minimale grains d'espace.

Point de trou noir

Un autre prétendant au titre de plus petite particule de l’Univers est la singularité (un seul point) au centre d’un trou noir. Des trous noirs se forment lorsque la matière se condense en quantité suffisante Petit espace, que la gravité saisit, provoquant l'attraction de la matière vers l'intérieur, pour finalement se condenser en un seul point de densité infinie. Du moins selon les lois actuelles de la physique.

Mais la plupart des experts ne pensent pas que les trous noirs soient réellement d’une densité infinie. Ils croient que cet infini est le résultat conflit interne entre deux théories actuelles - théorie générale relativité et mécanique quantique. Ils suggèrent que lorsque la théorie de la gravité quantique pourra être formulée, la véritable nature des trous noirs sera révélée.

longueur Planck

Les fils d’énergie et même la plus petite particule de l’Univers peuvent avoir la taille d’une « longueur de planche ».

La longueur de la barre est de 1,6 x 10 -35 mètres (le nombre 16 est précédé de 34 zéros et d'un point décimal) - une échelle incompréhensiblement petite associée à divers aspects de la physique.

La longueur de Planck est une « unité naturelle » de longueur proposée par le physicien allemand Max Planck.

La longueur de Planck est trop courte pour qu'un instrument puisse la mesurer, mais au-delà de cela, on pense qu'elle représente la limite théorique de la longueur mesurable la plus courte. Selon le principe d’incertitude, aucun instrument ne devrait jamais être capable de mesurer moins, car dans cette plage, l’univers est probabiliste et incertain.

Cette échelle est également considérée comme la ligne de démarcation entre la relativité générale et la mécanique quantique.

La longueur de Planck correspond à la distance à laquelle le champ gravitationnel est si fort qu'il peut commencer à former des trous noirs à partir de l'énergie du champ.

Apparemment, la plus petite particule de l'Univers a à peu près la taille d'une planche : 1,6 x 10 −35 mètres.

conclusions

Dès l'école, on savait que la plus petite particule de l'Univers, l'électron, a une charge négative et une très petite masse, égale à 9,109 x 10 - 31 kg, et que le rayon classique de l'électron est de 2,82 x 10 -15 m.

Cependant, les physiciens opèrent déjà avec les plus petites particules de l'Univers, la taille de Planck qui est d'environ 1,6 x 10 −35 mètres.

Ce monde est étrange : certaines personnes s'efforcent de créer quelque chose de monumental et de gigantesque pour devenir célèbres dans le monde entier et entrer dans l'histoire, tandis que d'autres créent des copies minimalistes de choses ordinaires et n'en surprennent pas moins le monde. Cette revue contient les plus petits objets qui existent dans le monde et ne sont en même temps pas moins fonctionnels que leurs homologues de taille réelle.

1. Pistolet SwissMiniGun

Le SwissMiniGun n'est pas plus gros qu'une clé à molette ordinaire, mais il est capable de tirer de minuscules balles qui sortent du canon à des vitesses supérieures à 430 km/h. C'est plus que suffisant pour tuer une personne à bout portant.

2. Peler 50 voitures

Pesant seulement 69 kg, la Peel 50 est la plus petite voiture jamais homologuée pour un usage routier. Ce Pepelats à trois roues pouvait atteindre une vitesse de 16 km/h.

3. École Kalou

L'UNESCO a reconnu l'école iranienne Kalou comme la plus petite du monde. Il n'y a que 3 étudiants et l'ancien soldat Abdul-Muhammad Sherani, qui travaille désormais comme enseignant.

4. Théière pesant 1,4 grammes

Il a été créé par le maître céramiste Wu Ruishen. Bien que cette théière ne pèse que 1,4 gramme et tienne sur le bout de votre doigt, vous pouvez y préparer du thé.

5. Prison de Sercq

La prison de Sark a été construite dans les îles anglo-normandes en 1856. Il n'y avait de place que pour deux prisonniers, qui se trouvaient dans des conditions très exiguës.

6. Tumbleweed

Cette maison s'appelait "Perakati Field" (Tumbleweed). Il a été construit par Jay Schafer de San Francisco. Bien que la maison soit plus petite que les placards de certaines personnes (elle ne fait que 9 mètres carrés), il a lieu de travail, chambre et salle de bain avec douche et WC.

7. Parc Mills End

Mills End Park à Portland est le plus petit parc du monde. Son diamètre n'est que de... 60 centimètres. Parallèlement, le parc dispose d'une piscine pour les papillons, d'une grande roue miniature et de minuscules statues.

8. Edward Niño Hernández

Edward Niño Hernandez de Colombie ne mesure que 68 centimètres. Le Livre Guinness des Records l'a reconnu comme le plus petit homme du monde.

9. Commissariat de police dans une cabine téléphonique

En substance, ce n’est pas plus grand qu’une cabine téléphonique. Mais il s’agissait en réalité d’un commissariat de police fonctionnel à Carabella, en Floride.

10. Sculptures de Willard Wigan

Le sculpteur britannique Willard Wigan, qui souffrait de dyslexie et de mauvais résultats scolaires, a trouvé du réconfort en créant des œuvres d'art miniatures. Ses sculptures sont à peine visibles à l'œil nu.

11. Bactérie Mycoplasma Genitalium

12. Circovirus porcin

Bien qu'il y ait encore un débat sur ce qui est considéré comme « vivant » et ce qui ne l'est pas, la plupart des biologistes ne classent pas un virus comme un organisme vivant car il ne peut pas se reproduire ou n'a pas de métabolisme. Cependant, un virus peut être beaucoup plus petit que n’importe quel organisme vivant, y compris les bactéries. Le plus petit est un virus à ADN simple brin appelé circovirus porcin. Sa taille n'est que de 17 nanomètres.

13. Amibe

Le plus petit objet visible à l’œil nu mesure environ 1 millimètre. Cela signifie que dans certaines conditions, une personne peut voir une amibe, un cilié de pantoufle et même un œuf humain.

14. Quarks, leptons et antimatière...

Au cours du siècle dernier, les scientifiques ont fait de grands progrès dans la compréhension de l’immensité de l’espace et des « éléments constitutifs » microscopiques qui le composent. Lorsqu’il s’agissait de déterminer quelle était la plus petite particule observable dans l’univers, les gens ont rencontré quelques difficultés. À un moment donné, ils pensaient que c'était un atome. Les scientifiques découvrent alors un proton, un neutron et un électron.

Mais cela ne s'est pas arrêté là. Aujourd’hui, tout le monde sait que lorsque ces particules sont écrasées les unes contre les autres dans des endroits comme le Grand collisionneur de hadrons, elles peuvent être décomposées en particules encore plus petites comme des quarks, des leptons et même de l’antimatière. Le problème est qu’il est impossible de déterminer ce qui est le plus petit, car la taille n’a plus d’importance au niveau quantique et toutes les règles habituelles de la physique ne s’appliquent pas (certaines particules n’ont pas de masse, tandis que d’autres ont même une masse négative).

15. Cordes vibrantes de particules subatomiques

Considérant ce qui a été dit plus haut concernant le concept de taille n’ayant aucun sens au niveau quantique, on pourrait penser à la théorie des cordes. Il s’agit d’une théorie légèrement controversée qui suggère que toutes les particules subatomiques sont constituées de cordes vibrantes qui interagissent pour créer des éléments comme la masse et l’énergie. Ainsi, puisque ces cordes n'ont techniquement aucune taille physique, on peut affirmer qu'elles sont en quelque sorte les « plus petits » objets de l'Univers.